徐修平 李 剛,4 金龍哲 周 剛 孫 彪 劉建國

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司,安徽 馬鞍山 243000;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000;4.北京科技大學大安全科學研究院,北京 100083;5.北京科技大學國家衛(wèi)健委粉塵危害工程防護重點實驗室,北京 100083;6.山東科技大學安全與環(huán)境工程學院,山東 青島 266590)

礦產(chǎn)資源是能源之源、材料之源,是社會發(fā)展、經(jīng)濟增長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來,為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的消費能力,國內(nèi)各類礦山企業(yè)不斷增加開采設(shè)備與人員投入,引進先進生產(chǎn)技術(shù),提高企業(yè)生產(chǎn)能力。礦產(chǎn)資源開采量的快速增加導致井下生產(chǎn)性粉塵大量產(chǎn)生,高濃度粉塵嚴重影響了現(xiàn)場作業(yè)人員身心健康和生產(chǎn)安全[1-3]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,2010年至今,我國每年新發(fā)塵肺病病例數(shù)平均為23 659例;2019年我國共新增15 898例塵肺病患者,其中礦山塵肺總占比達90%以上[4-5],因此礦山粉塵是我國塵肺病的主要致病物。龐大的塵肺病發(fā)病基數(shù),使得我國每年因塵肺病引發(fā)的直接經(jīng)濟損失高達千億元,塵肺病已嚴重影響到我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、社會和諧進步。

隨著機械化水平的不斷提高,開采強度不斷增加,礦井粉塵濃度超標現(xiàn)象異常嚴重。因此,研發(fā)礦井粉塵高效控除塵技術(shù)裝備對于保障工人職業(yè)健康與安全、促進我國“健康中國”行動高效開展具有重大意義?，F(xiàn)階段,業(yè)內(nèi)應(yīng)對粉塵危害的主要思路是“預(yù)防為主,綜合治理”。據(jù)不完全統(tǒng)計,金屬礦山中有65%～75%的粉塵來自于地下采場,該類區(qū)域工作人員集中,設(shè)備多而復雜,是地下粉塵控制的熱點區(qū)域[6-8]。目前已有措施包括通風排塵、濕式鑿巖、噴霧降塵、水封爆破、干式鑿巖捕塵、水幕或者空氣幕隔離粉塵、干霧降塵、物化防塵等多項技術(shù)手段[9-12]。煤礦井下典型塵源主要為綜采工作面、綜掘工作面和膠帶運輸轉(zhuǎn)載點[13-15]。針對綜采工作面粉塵防治,國內(nèi)外相關(guān)學者開展了粉塵防治的理論分析、技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用研究,并取得了顯著進展,主要體現(xiàn)在通風除塵、注水減塵、噴霧降塵以及化學抑塵等方面[16-17];針對綜掘工作面粉塵防治,為了減少巷道掘進時的粉塵生成量,主要采用掘進機內(nèi)外噴霧、加強掘進通風、空氣幕控塵、濕式除塵、泡沫除塵等技術(shù)裝備進行防控和凈化[18-19]。

為加快推進我國礦山“空氣革命”進程,全面貫徹落實“面向人民生命健康”要求和2018年國務(wù)院提出的“塵肺病防治攻堅行動”以及2019年國家啟動的“健康中國2030”戰(zhàn)略規(guī)劃,滿足我國礦山智能、綠色、安全開采對粉塵防治的迫切需求,切實保障礦山勞動者的生命健康,本研究根據(jù)礦井生產(chǎn)和產(chǎn)塵特點,從礦井開采、掘進、運輸3個典型作業(yè)環(huán)節(jié)入手,研發(fā)了礦井采運過程典型粉塵成套防治技術(shù)裝備。理論分析及應(yīng)用試驗結(jié)果反映出,所研發(fā)的技術(shù)裝備有助于大幅降低礦井工作面和巷道粉塵濃度,從而解決礦井粉塵防治技術(shù)難題。

1 礦井開采粉塵凈化技術(shù)裝備研發(fā)

1.1 金屬礦采場爆破粉塵防治

本研究通過對多種表面活性劑與吸濕性無機鹽復配,篩選出3種表面張力小的表面活性劑十二烷基苯環(huán)酸鈉、十二烷基磺酸鈉、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚,并復配出兩種多組份水炮泥配方,經(jīng)過熱合成工藝獲得了多組份水炮泥添加劑,并在南京梅山鐵礦開展了現(xiàn)場試驗。

1.1.1 多組份水泡泥抑塵機理

多組份水炮泥是按照一定比例將基料和輔料混合配制成的一種添加劑,其中吸濕性無機鹽為基料,一種或多種表面活性劑為輔料。

多組分水炮泥作為一種復配的添加劑,具有比吸濕性無機鹽和表面活性劑效果更優(yōu)的粉塵潤濕效果,能夠明顯增強水溶液爆破時霧化效果以及降低其表面張力,其抑塵機理主要為:

(1)液滴與礦塵碰撞,沉降效果得到增強。多組份水炮泥溶液密度大于傳統(tǒng)水炮泥,爆破時迸發(fā)力更強,水炮泥溶液產(chǎn)生的霧滴更細更均勻、霧化范圍大,增加了礦塵與霧滴的碰撞概率。同時,礦塵與霧滴結(jié)合后形成的混合顆粒密度也較大,提高了礦塵的沉降效果。

(2)礦塵被潤濕能力得到改善。由于表面活性劑與吸濕性無機鹽等的結(jié)合,在礦塵表面的親水晶格上密實填充著表面活性劑,極大地改善了其親水性,對難以潤濕的礦塵更具有顯著的效果。

(3)抑制二次揚塵的產(chǎn)生。多組份水炮泥中加入的吸濕性無機鹽除了提高礦塵沉降速度外,還使得被潤濕的礦塵繼續(xù)保持吸濕性,通過吸收空氣中水分從而具有一定的含水率,因此微細粉塵可以長時間保持潤濕性,從而可以有效抑制二次揚塵的產(chǎn)生。

1.1.2 多組份水泡泥抑塵效果試驗

在炮眼數(shù)量、裝藥量、水炮泥裝入數(shù)量等外界條件等同的情況下,利用塵煙在線監(jiān)測系統(tǒng),從裝藥開始開機,直至爆破后可安全下井時結(jié)束,分別記錄采場巷幫、巷中處粉塵濃度,并分別對不裝水炮泥、裝普通水炮泥、裝兩種多組份水炮泥(分別記為M1、M2)4種條件下粉塵數(shù)據(jù)進行了記錄,結(jié)果見圖1。

圖1 不同條件下的爆破粉塵濃度變化曲線Fig.1 Variation curves of blasting dust concentration under different conditions

由圖1可知:采場開始爆破后,瞬間產(chǎn)生大量粉塵進入巷道,隨后粉塵濃度呈間歇性減弱的趨勢,巷幫與巷中處粉塵濃度變化趨勢基本一致。爆破后開啟通風排塵系統(tǒng),在通風大約1.5 h的情況下,粉塵濃度仍高于20 mg/m3,說明僅靠礦井通風排塵方式無法實現(xiàn)有效排塵,且通風成本高、耗時長。因此,有必要從爆破源頭上進行粉塵防治。

對圖1中4種條件下的爆破粉塵濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn):添加多組份水炮泥配方后有效抑制了粉塵產(chǎn)生量。與普通水炮泥相比,全塵產(chǎn)生量減少了90%以上,呼塵產(chǎn)生量減少了80%以上;通風1.0 h后粉塵濃度低于《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2020)規(guī)定的最高允許濃度值,并且大大節(jié)約了通風排塵時間,降低了通風能耗,提高了生產(chǎn)效率。

1.2 煤礦綜采面粉塵防治

1.2.1 封閉霧化控除塵原理

煤礦綜采工作面粉塵防治思路主要是針對采煤機區(qū)域截割產(chǎn)塵特點,采取采煤機區(qū)域和液壓支架區(qū)域霧化封閉控除塵方式實現(xiàn)粉塵治理。采煤機區(qū)域封閉霧化控除塵原理如圖2所示。按水霧幕與煤壁的距離,采煤機滾筒內(nèi)噴霧、采煤機搖臂外噴霧和采煤機濕式除塵風機噴霧構(gòu)成了采煤機區(qū)域封閉霧化控除塵體系。

圖2 采煤機區(qū)域封閉霧化控除塵原理示意Fig.2 Schematic of closed atomization control dust removal in shearer area

液壓支架區(qū)域封閉除塵原理見圖3。針對截割粉塵由采煤空間向架前、人行道等有人作業(yè)空間的擴散運移規(guī)律以及移架產(chǎn)塵的特點,液壓支架區(qū)域封閉霧化控除塵工藝原理可以概括為:①液壓支架前探梁噴霧,形成的水霧幕可在工作面的采煤空間內(nèi)形成煤壁至支架立柱間的全斷面封閉;②液壓支架架間文丘里組合式噴霧,該系統(tǒng)由文丘里負壓除塵罩與超聲波空氣霧化噴嘴構(gòu)成,形成的風、水雙幕能夠有效捕集、封閉由采煤空間向架前及人行道等有人作業(yè)空間擴散的小粒徑粉塵,同時在水霧活塞及文丘里效應(yīng)下,能有效抽吸呼吸帶及其上部空間運移的移架粉塵。

圖3 液壓支架區(qū)域封閉除塵原理示意Fig.3 Schematic of closed dust removal in hydraulic support area

1.2.2 控除塵裝備研究及應(yīng)用

基于前文所述煤礦綜采面控除塵原理,在采煤機區(qū)域,通過不斷優(yōu)化采煤機搖臂噴霧組并布置采煤機新型濕式除塵風機,構(gòu)成了煤機區(qū)域局部霧化封閉控除塵技術(shù)裝備系統(tǒng);在液壓支架區(qū)域,沿液壓支架長度方向布置單水霧化噴嘴組,沿液壓支架寬度方向布置文丘里霧化裝置,構(gòu)成了液壓支架局部霧化封閉控除塵技術(shù)裝備系統(tǒng)。將霧化封閉控除塵裝置系統(tǒng)在棗莊礦業(yè)蔣莊煤礦905外工作面進行了現(xiàn)場應(yīng)用,應(yīng)用效果如圖4所示。蔣莊煤礦905外工作面控塵效果測試參數(shù)見表1。

圖4 煤礦綜采面霧化封閉控除塵裝置及現(xiàn)場應(yīng)用效果Fig.4 Atomization closed dust control(removal)device in fully mechanized coal mining face and its field application effect

表1 綜采工作面霧化封閉控除塵效果測試參數(shù)Table 1 Test parameters of atomization closed dust control(removal)effect in fully mechanized mining face

由表1可知:現(xiàn)場應(yīng)用后,綜采工作面霧化封閉控除塵技術(shù)裝備對工作面平均總塵、呼塵降塵率均大于90%。因此,該裝備對于綜采工作面高濃度粉塵的治理效果顯著,起到了積極有效的抑塵作用。

2 礦井掘進粉塵凈化技術(shù)裝備研發(fā)

2.1 金屬礦掘進巷道粉塵防治

2.1.1 掘進巷道粉塵凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

針對金屬礦掘進巷道通風除塵效果不佳進而污染井下風流的問題,研發(fā)了一種運行可靠、操作簡單、實用性強的掘進巷道粉塵凈化系統(tǒng)裝置。該裝置由壓風筒、抽風筒、變頻調(diào)速裝置、煙塵傳感器、濕式除塵風機、通風機等組成,具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 掘進巷道粉塵凈化系統(tǒng)裝置平面示意Fig.5 Plan schematic of the dust purification system device in heading roadway

結(jié)合圖5分析可知,掘進巷道粉塵凈化系統(tǒng)的工作原理主要為:壓風筒將來自中段橫巷上風側(cè)的風流壓入掘進工作面,風流在重力勢能和動能的共同作用下,從壓風筒出口流出后沿著正前方向下卷吸掘進工作面粉塵進入掘進巷道左右兩側(cè)的兩條抽風筒,然后匯集到布置在中段橫巷下風側(cè)的出風筒,最后由濕式除塵風機凈化后進入井下循環(huán)通風系統(tǒng)。壓風筒布置于巷道中心位置頂部,抽風筒布置在兩側(cè)壁面的呼吸帶高度處。如此布置可使得送風風流不存在與巷道壁面的貼附阻力,減少了通風阻力損失;抽風風流不存在渦流,能夠均勻地被引入進抽風筒,提高了含塵氣流的捕集效果。

2.1.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

將該凈化系統(tǒng)在銅山銅礦某掘進巷道開展了現(xiàn)場工業(yè)試驗,結(jié)果見表2。

由表2可知:應(yīng)用掘進巷道粉塵凈化系統(tǒng)裝置后,粉塵濃度顯著降低,由應(yīng)用前的31.5～222.5 mg/m3減少至應(yīng)用后的2.5～12.7 mg/m3,除塵效率達到91%以上,掘進工作面的作業(yè)環(huán)境得到了極大改善,凈化后的風流進入井下循環(huán)通風系統(tǒng),有效提高了礦井風流利用率。

表2 掘進巷道粉塵防治試驗效果Table 2 Test effects of the dust prevention and control in driving roadway

2.2 煤礦綜掘面粉塵防治

2.2.1 綜掘面風霧雙幕協(xié)同增效控除塵裝備研發(fā)

2.2.1.1 新型附壁風筒研發(fā)

本研究研發(fā)了一種新型智能化附壁風筒,如圖6所示。其優(yōu)點為:附壁風筒與分風器組合,實現(xiàn)了同步開啟與關(guān)閉。系統(tǒng)操作簡單,工人通過氣控箱來控制分風器和附壁風筒系統(tǒng)。當分風器開啟時附壁風筒關(guān)閉,當分風器關(guān)閉時附壁風筒開啟。整個附壁風筒由內(nèi)筒和外筒組成,內(nèi)筒通過氣動機械臂實現(xiàn)伸縮功能,目的是實現(xiàn)附壁內(nèi)筒的開啟與關(guān)閉。在整個外風筒側(cè)面的1/3部分開出“2323”模式(附壁風筒一側(cè)共設(shè)計8組條形分風口,尺寸分別為225 mm×70 mm(A型)與340 mm×50 mm(B型),2條A型出風口或3條B型出風口為1組,并呈間隔分布,確保側(cè)向分時形成風幕墻,有效阻斷塵源外溢,實現(xiàn)有效控塵)的方孔,整個方孔的面積按照一定的比例進行設(shè)計,確保側(cè)吹風時形成風幕墻,有效阻斷塵源外溢,從而實現(xiàn)控塵。

圖6 新型附壁風筒實物圖Fig.6 Physical drawing of the new wall attached air duct

2.2.1.2 巷道干霧凈化水幕技術(shù)設(shè)計與研發(fā)

綜掘面迎頭空間內(nèi)粉塵可以通過干式除塵及掘進機外噴霧降塵裝置進行有效沉降,但仍有部分粉塵隨風流擴散至巷道后部,造成粉塵污染,且大多為懸浮態(tài)的細小粉塵顆粒。因此,在與迎頭一定距離處布置一套干霧降塵系統(tǒng),可在巷道后部形成霧狀水幕墻,其噴出的霧滴粒徑較小,可有效阻擋粉塵向巷道后部運移。干霧測試效果如圖7所示。

圖7 干霧測試效果Fig.7 Test effect of dry fog

2.2.2 綜掘面風霧雙幕協(xié)同增效控除塵裝備應(yīng)用

風霧雙幕協(xié)同增效控除塵裝備在淮北礦業(yè)鄒莊煤礦7703綜掘工作面應(yīng)用后,現(xiàn)場測定了各工序的粉塵濃度,并計算了降塵效率。測定結(jié)果顯示:綜掘工作面的粉塵濃度顯著降低,總塵與呼塵平均降塵率分別為97.78%和98.13%。由此可知:綜掘面風霧雙幕協(xié)同增效控除塵系統(tǒng)可以顯著降低綜掘工作面的粉塵濃度,改善工作面區(qū)域的作業(yè)環(huán)境?，F(xiàn)場應(yīng)用效果如圖8所示。

圖8 風霧雙幕控除塵系統(tǒng)應(yīng)用效果Fig.8 Application effects of w ind fog double curtain control dust removal system

3 礦井運輸粉塵凈化技術(shù)裝備研發(fā)

皮帶運輸轉(zhuǎn)載點是礦井運輸系統(tǒng)的關(guān)鍵產(chǎn)塵點。礦料與皮帶一起做勻速運動,在轉(zhuǎn)載點前方幾乎是水平運動;當?shù)V料運動到達轉(zhuǎn)載點時,由于礦料做下落運動;當?shù)V料落到溜槽上后,由于溜槽具有一定的坡度,礦料會沿溜槽下滑,再落到底層皮帶上。由于存在落差,礦料在下落過程中受到空氣阻力作用,使周圍空氣發(fā)生流動,產(chǎn)生不穩(wěn)定氣流,造成細小粉塵飛揚,引發(fā)揚塵。礦料含水率越低,其質(zhì)量越輕,粉塵飛揚越嚴重。本研究以煤礦膠帶運輸轉(zhuǎn)載點為例,分析半封閉干霧抑塵裝置的研發(fā)情況與應(yīng)用效果。

3.1 皮帶轉(zhuǎn)載點干霧降塵裝置研發(fā)

皮帶轉(zhuǎn)載點的干霧降塵裝置由干霧發(fā)生裝置、封閉網(wǎng)、高壓氣水管路、支撐鐵架4個部分組成,如圖9和圖10所示。轉(zhuǎn)載點位于上皮帶和下皮帶之間,將封閉網(wǎng)安裝在上皮帶和下皮帶之間,形成半封閉空間;在下皮帶機底部安裝支撐鐵架,將干霧降塵裝置安裝在支撐鐵架上,聯(lián)通氣水管路。干霧降塵裝置由3組超聲干霧噴頭組成,每組3～5個,1組噴頭朝向皮帶機運動方向,2組噴頭朝向封閉網(wǎng)空間,形成對落塵的全方位濕潤捕集。

圖9 皮帶轉(zhuǎn)載點干霧降塵裝置工作原理示意Fig.9 Schematic of the working principle of the dry fog dust reduction device at belt transfer point

圖10 皮帶轉(zhuǎn)載點干霧發(fā)生器實物圖Fig.10 Physical drawing of dry fog generator at belt transfer point

3.2 溜煤眼處干霧降塵裝置研發(fā)

本研究研發(fā)的溜煤眼轉(zhuǎn)載點干霧降塵裝置如圖11、圖12所示,該裝置由干霧發(fā)生器、支撐架、高壓氣水管路、封閉網(wǎng)4個部分組成。溜煤眼轉(zhuǎn)載點的粉塵主要來源于皮帶溜向溜煤眼的區(qū)域以及落煤落進溜煤眼后因卷吸氣流引起的揚塵。據(jù)此設(shè)計了2個矩形鐵架十字交叉安裝在溜煤眼上部,然后將干霧降塵裝置懸掛在支撐架上,利用500目濾網(wǎng)對鐵架進行包裹,即對溜煤眼的上部空間進行封閉,提高干霧降塵裝置的降塵效率。

圖11 溜煤眼轉(zhuǎn)載點干霧降塵裝置工作原理示意Fig.11 Schematic of the working principle of dry fog dust reduction device at transfer point of coal chute

圖12 溜煤眼轉(zhuǎn)載點干霧降塵裝置實物圖Fig.12 Physical drawing of dry fog dust reduction device at coal chute transfer point

干霧發(fā)生器布設(shè)3組超聲干霧噴頭,每組3個,1組噴頭朝向皮帶機運動方向,2組噴頭朝向濾網(wǎng)封閉空間,在封閉空間中霧滴與粉塵充分接觸,迅速沉降,形成對落塵的全方位濕潤,最大限度地降低皮帶機溜向溜煤眼的粉塵。同時,該降塵裝置通過干霧降塵裝備控制柜控制噴霧裝置的啟閉。

3.3 干霧降塵裝置現(xiàn)場應(yīng)用

將該干霧降塵裝置在淮北礦業(yè)集團楊柳煤礦皮帶運輸回風巷進行了全面應(yīng)用,并實現(xiàn)了智能化控制。干霧降塵裝置在井下運輸回風巷的安裝與應(yīng)用效果如圖13所示。

圖13 井下干霧降塵裝置安裝應(yīng)用Fig.13 Installation and application of underground dry fog dust reduction device

現(xiàn)場實測結(jié)果(表3)表明:干霧降塵裝置在皮帶運輸轉(zhuǎn)載點的降塵效率達到80.4%,在溜煤眼轉(zhuǎn)載點處的降塵效率達到81.8%,具有良好的降塵效率,反映出干霧降塵技術(shù)可以在煤礦井下轉(zhuǎn)載點處進行推廣應(yīng)用。

表3 轉(zhuǎn)載點抑塵效果測試結(jié)果Table 3 Test results of dust suppression effect at transfer point

4 結(jié) 論

針對礦井開采、掘進、運輸?shù)?個典型作業(yè)環(huán)節(jié)的粉塵防治難點,研發(fā)并現(xiàn)場試驗了金屬礦采場多組份水炮泥抑塵、煤礦綜采面封閉霧化控除塵、金屬礦掘進巷道粉塵凈化、煤礦綜掘面風霧雙幕協(xié)同增效控除塵、礦井皮帶運輸轉(zhuǎn)載點干霧降塵等高效技術(shù)裝備體系,主要得到以下結(jié)論:

(1)針對礦井開采系統(tǒng),與普通水炮泥相比,研制的新型多組份水炮泥全塵降塵率提高了90%以上,呼塵降塵率提高了80%以上。研發(fā)了新型采煤機濕式除塵風機與液壓支架文丘里霧化裝置,構(gòu)建了煤礦綜采面塵源局部霧化封閉控除塵技術(shù)設(shè)備,全塵降塵率和呼塵降塵率均達到91%以上。

(2)針對礦井掘進系統(tǒng),對金屬礦掘進巷道通風系統(tǒng)進行了優(yōu)化研究,研究設(shè)計了一種適合金屬礦掘進巷道的粉塵凈化系統(tǒng)裝置,其除塵效率達到91%以上,有效解決了掘進工作面和掘進巷道的粉塵治理難題。研發(fā)了新型附壁風筒及巷道干霧凈化水幕技術(shù),對混合通風參數(shù)進行了優(yōu)化,構(gòu)建了風霧雙幕協(xié)同增效控除塵技術(shù)體系,總塵與呼塵平均降塵率分別為97.78%和98.13%。

(3)針對礦井運輸系統(tǒng),研制了礦井皮帶運輸半封閉干霧抑塵裝置,該裝置對皮帶轉(zhuǎn)載點和溜煤眼轉(zhuǎn)載點的除塵效率分別為80.4%、81.8%,實現(xiàn)了礦井運輸粉塵的高效控除。