荊發(fā)軍

(山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司 王莊煤礦,山西 長(zhǎng)治 046000)

煤炭一直是我國(guó)的主要能源,但隨著煤礦機(jī)械化程度的提高,井下產(chǎn)生的煤塵污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重[1]。大量的煤塵污染不僅嚴(yán)重危害礦工的身心健康,還會(huì)引起煤塵爆炸等安全事故,對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成重大隱患[2]。此外,粉塵造成的溫濕度條件惡化也影響機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行。因此,研究煤塵的有效治理技術(shù),是保障煤礦高效安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。目前,水噴霧是最常用的煤礦井下防塵技術(shù)重要手段。但由于水分子與煤塵間相互作用微弱,水噴霧系統(tǒng)的防塵效果仍然存在局限性[3]。為提高煤塵的潤(rùn)濕脫附效果,使用表面活性劑水溶液進(jìn)行噴霧控制,成為一種新的技術(shù)思路。但是,表面活性劑噴霧技術(shù)相關(guān)的配方優(yōu)化、噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用效果評(píng)估等方面還需深入研究[4],以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在煤礦井下的規(guī)范化應(yīng)用,從而有效改善礦井環(huán)境,保障煤礦安全高效生產(chǎn)。

1 王莊煤礦7107工作面概況

隨著王莊煤礦井下采煤機(jī)械化程度的不斷提高,礦井工作面產(chǎn)生的粉塵量急劇增加,現(xiàn)有降塵技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足要求。大量粉塵污染不僅威脅著井下職工的身心健康,也給企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大隱患。為有效控制煤礦井下粉塵污染,保障職工健康和提升企業(yè)安全生產(chǎn)水平及進(jìn)一步驗(yàn)證該新型降塵技術(shù)的作用效果,在7107綜采工作面應(yīng)用了新型表面活性劑高效降塵技術(shù)。

7107工作面開(kāi)采的3號(hào)煤層是二疊紀(jì)山西組的陸相湖泊沉積,位于地層的中下部。位于實(shí)體煤和已開(kāi)采工作面的交界處。在該工作面范圍內(nèi),煤層夾矸最厚0.4 m,平均煤厚6.53 m,局部煤層變薄。工作面運(yùn)巷長(zhǎng)1 176 m,風(fēng)巷長(zhǎng)1 112 m,風(fēng)運(yùn)巷可采長(zhǎng)度均為1 050 m,切眼長(zhǎng)280 m.該工作面為下山回采,局部有起伏,煤層傾角在1°～13°之間;根據(jù)地面三維地震勘探和實(shí)際揭露情況分析,運(yùn)巷開(kāi)口往里24 m處揭露斷層F288H=2.0 m∠60°(不在回采范圍),工作面回采期間不受斷層、陷落柱及巖漿巖等地質(zhì)構(gòu)造影響。

為了有效控制煤礦粉塵,該工作面主要采用灑水降塵的方法。在運(yùn)巷距工作面50 m處、風(fēng)巷距工作面30 m處以及風(fēng)巷、措施巷、運(yùn)巷的回風(fēng)繞道口往里10 m處,分別安設(shè)凈化水幕。水幕見(jiàn)煤即開(kāi),無(wú)煤即停,水幕閥門(mén)設(shè)在行人側(cè)。在風(fēng)巷距工作面50 m處,安設(shè)兩道捕塵網(wǎng)配合凈化水幕使用,捕塵網(wǎng)安裝在凈化水幕外300 mm處,覆蓋全斷面。捕塵網(wǎng)和凈化水幕隨工作面的推進(jìn)即時(shí)移動(dòng)。

2 王莊煤礦煤塵工業(yè)分析及元素分析

本文以王莊煤礦3號(hào)煤樣為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行了工業(yè)和元素分析,以探究其特性。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T212-2001和GB/476-2001,對(duì)3號(hào)煤樣進(jìn)行工業(yè)和元素分析。首先,把煤樣破碎、篩分,取出小于200目的煤塵進(jìn)行分析[5],分析測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 煤的工業(yè)分析

表2 煤塵的元素分析

由表1、表2可以看出:王莊煤礦3號(hào)煤揮發(fā)分含量Vdaf在10%～37%之間,屬于煙煤;王莊煤礦3號(hào)煤中碳是煤中含量最髙的元素(77.38%),一般來(lái)說(shuō),隨著煤化程度的增加,含碳量也在增加。因此碳可以作為表征煤化程度的重要分類(lèi)指標(biāo)。煤中氫元素則具有較好的反應(yīng)能力,氧含量及氧的存在形態(tài)影響煤的性質(zhì)。隨著煤化程度的增高,氫和氧含量逐漸下降,煤分子結(jié)構(gòu)上極性的含氧官能團(tuán)的數(shù)量降低,吸附水分的能力降低[6]。在煤中氮元素是唯一一種完全以有機(jī)狀態(tài)存在的元素。3號(hào)煤中氮含量較少,煤塵的含氮量越高,潤(rùn)濕效果越好,故3號(hào)煤潤(rùn)濕效果差。

3 基于煤塵潤(rùn)濕性的表面活性劑優(yōu)選

為了研究不同表面活性劑對(duì)煤塵潤(rùn)濕性能的影響,本文選取了十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、壬基酚聚氧乙烯醚-6(TX-6)和烷基多糖苷(APG-0810)4種表面活性劑作為試劑。其中,APG是一種綠色的新型表面活性劑,它既有非離子表面活性劑的特點(diǎn),又有陰離子表面活性劑的特點(diǎn),能夠和其他表面活性劑很好地復(fù)配,而且容易降解,是一種適合煤塵潤(rùn)濕的表面活性劑[7]。為了測(cè)定APG和其他3種表面活性劑對(duì)王莊煤礦3號(hào)煤塵的潤(rùn)濕效果,把它們分別稀釋成不同的濃度,然后用接觸角測(cè)定儀來(lái)測(cè)量它們和煤塵之間的接觸角。接觸角是反映液體與固體之間相互作用的物理量,接觸角越小,說(shuō)明液體與固體之間的相互吸引力越大,液體對(duì)固體的潤(rùn)濕能力越強(qiáng)[8]。不同濃度4種表面活性劑溶液與3號(hào)煤塵作用的接觸角結(jié)果如圖1所示。

圖1 在王莊煤礦煤塵的表面活性劑溶液表面接觸角

根據(jù)圖1中的數(shù)據(jù),隨著表面活性劑溶液濃度的增加,煤塵表面接觸角整體呈現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。加入表面活性劑SDBS、CTAB、TX-6和APG后,溶液與煤塵表面的接觸角在表面活性劑濃度0%～0.3%之間快速下降,說(shuō)明表面活性劑的加入大大提高了溶液對(duì)煤塵的潤(rùn)濕性。當(dāng)SDBS、CTAB和TX-6溶液的濃度達(dá)到0.3%或0.4%時(shí),接觸角達(dá)到最小值;而APG溶液在濃度為0.15%或0.2%時(shí)接觸角最小。這說(shuō)明SDBS、CTAB和TX-6的最佳潤(rùn)濕濃度在0.3%～0.4%之間,APG的最佳潤(rùn)濕濃度在0.15%～0.2%之間。高濃度表面活性劑的繼續(xù)加入,對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的提高幅度很小。表3進(jìn)一步列出了4種表面活性劑的最佳潤(rùn)濕濃度范圍,為后續(xù)選取最佳表面活性劑和濃度提供了參考。

表3 最佳濃度

王莊煤礦煤塵的潤(rùn)濕性受不同溶劑的影響而變化。煤塵初始接觸角為69.5°,說(shuō)明其親水性較差。當(dāng)分別加入4種表面活性劑后,溶液能夠更好地滲透到煤塵表面,使接觸角降低,潤(rùn)濕性增強(qiáng)。其中,APG的效果最好,接觸角最小為31°,而CTAB的效果最差。這與煤塵的性質(zhì)和表面活性劑的作用機(jī)理有關(guān)[9]。

從上述分析可以看出,煤塵的潤(rùn)濕性不僅與煤塵本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān),還與表面活性劑的類(lèi)型和性能有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),非離子表面活性劑比陰離子和陽(yáng)離子型表面活性劑更能有效地降低煤塵的接觸角,提高其潤(rùn)濕性。這為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的理論依據(jù)。

4 表面活性劑溶液一體化制備系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)前文研究結(jié)果,基于新型表面活性劑的最佳濃度,選擇APG、SDBS兩種表面活性劑和APAM作為抑塵劑的組成成分,并通過(guò)正交試驗(yàn)法,分別考察了3種成分的濃度對(duì)煤塵抑塵效果的影響。綜合分析了各成分的影響程度和最佳濃度,得出了最佳濃度分別為APG0.17%、SDBS0.49%、APAM0.05%.噴霧噴嘴采用平扇水霧噴嘴結(jié)構(gòu),噴嘴均勻角6°,壓縮角25°,選擇6個(gè)噴嘴,單個(gè)噴嘴噴射參數(shù)擴(kuò)散角θ為26°,有效噴射長(zhǎng)度為1.5 m,噴霧壓力8.0 MPa,噴嘴直徑選用1.5 mm.基于上述參數(shù)分別開(kāi)展了未噴霧、清水噴霧、新型表面活性劑噴霧三種工況下現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

本文根據(jù)《煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范(AQ 1020-2006)》中關(guān)于評(píng)價(jià)粉塵防治技術(shù)效果的測(cè)塵方法[10],對(duì)煤礦井下噴霧降塵用活性劑溶液一體化降塵技術(shù)的防塵效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。在采煤機(jī)正常割煤條件下,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB5748-85和MT79-84確定了試驗(yàn)工作面的8個(gè)粉塵采樣點(diǎn),具體包括:采煤機(jī)司機(jī)處、采煤機(jī)回風(fēng)側(cè)距離工作面10 m、20 m、30 m、50 m處,以及回風(fēng)巷距離工作面端頭10 m、15 m、20 m處。測(cè)點(diǎn)均置于距底板1.5 m處,測(cè)點(diǎn)布置示意如圖2所示。

圖2 測(cè)塵點(diǎn)布置示意

參照國(guó)標(biāo)GBZ/T 192.1-2007《工作場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定》[11],使用CCHG1000型礦用防爆直讀測(cè)塵儀(圖3)對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)的全塵質(zhì)量濃度和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了3次重復(fù)測(cè)量,并取平均值。測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度結(jié)果如表4、表5所示。

圖3 CCHG1000礦用防爆直讀測(cè)塵儀

表4 不同噴霧降塵技術(shù)條件下全塵質(zhì)量濃度 mg/m3

表5 不同噴霧降塵技術(shù)條件下呼塵質(zhì)量濃度 mg/m3

為了評(píng)價(jià)噴霧降塵的效果,按照以下步驟進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn):

1) 在沒(méi)有開(kāi)啟任何噴霧設(shè)備的情況下,測(cè)量采煤機(jī)正常工作時(shí)下風(fēng)側(cè)司機(jī)工作地點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度,作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組。

2) 在開(kāi)啟采煤機(jī)內(nèi)外清水噴霧設(shè)備的情況下,測(cè)量采煤機(jī)工作時(shí)下風(fēng)側(cè)司機(jī)工作地點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度,作為實(shí)驗(yàn)的水噴霧組。

3) 在開(kāi)啟采煤機(jī)內(nèi)外活性水噴霧設(shè)備的情況下,使用不同種類(lèi)的復(fù)配表面活性劑溶液對(duì)工作面進(jìn)行噴霧處理,測(cè)量采煤機(jī)工作時(shí)下風(fēng)側(cè)司機(jī)工作地點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度,作為實(shí)驗(yàn)的活性劑組。

為了計(jì)算噴霧降塵的效果,使用以下公式來(lái)出噴霧降塵效率:

(1)

式中:η為噴霧降塵效率,%;C1為未采取噴霧降塵技術(shù)所搜集到的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3;C2為采取噴霧降塵技術(shù)后所采集到的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3.

為了便于對(duì)比分析水噴霧、活性劑噴霧的降塵效果,進(jìn)而驗(yàn)證活性劑噴霧所具有的優(yōu)越降塵性能,通過(guò)公式(1)對(duì)以上8個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同噴霧技術(shù)條件下的降塵效率進(jìn)行計(jì)算,得到各噴霧降塵技術(shù)在各測(cè)點(diǎn)的降塵效率,如表6所示。

表6 不同噴霧降塵技術(shù)條件下降塵效率 %

應(yīng)用新型表面活性劑的噴霧降塵技術(shù)后,采煤機(jī)司機(jī)處、采煤機(jī)回風(fēng)側(cè)10～50 m處和回風(fēng)巷距工作面端頭10～20 m處的平均降塵效率如圖4所示。

圖4 不同噴霧降塵技術(shù)條件

由表4、表5、表6和圖4可以看出:

1) 未采取噴霧降塵措施時(shí),7107綜采工作面粉塵質(zhì)量濃度較高,采煤機(jī)司機(jī)處全塵質(zhì)量濃度和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別高達(dá)256.40 mg/m3和100.20 mg/m3.應(yīng)用新型表面活性劑噴霧降塵技術(shù)后,工作面粉塵質(zhì)量濃度得到明顯抑制,尤其是呼吸性粉塵質(zhì)量濃度大幅下降。

2) 在相同水壓和噴霧條件下,含新型表面活性劑的噴霧降塵效果明顯優(yōu)于清水噴霧。在采煤機(jī)司機(jī)處、距工作面10～50 m采煤機(jī)回風(fēng)側(cè)和距工作面端頭10～20 m回風(fēng)巷等處,添加新型表面活性劑的平均全塵噴霧降塵效率分別達(dá)到80.77%、85.21%和81.91%,滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求;添加新型表面活性劑的平均呼吸性粉塵噴霧降塵效率分別達(dá)到76.15%、79.98%和74.03%;而清水噴霧的平均全塵降塵效率僅為62.97%、53.18%和52.28%,平均呼吸性粉塵降塵效率為59.93%、61.11%和56.05%.

3) 相比清水噴霧,添加新型表面活性劑的平均全塵噴霧降塵效率分別提高了17.8%、32.0%和29.6%,平均呼吸性粉塵噴霧降塵效率分別提高了16.2%、18.9%和18.0%.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以王莊煤礦7107工作面為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)煤樣工業(yè)分析和元素分析,研究不同類(lèi)型表面活性劑的最佳用量和配比,并在7107工作面對(duì)不同噴霧技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明:新型表面活性劑噴霧可使全塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別降低80%以上和70%以上,優(yōu)于清水噴霧。

研究驗(yàn)證了新型表面活性劑噴霧技術(shù)能顯著降低井下粉塵質(zhì)量濃度,保護(hù)了職工健康,具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。