盘江精煤股份有限公司通风部 贵州盘县 553533
摘要:针对掘进工作面粉尘灾害严重的现状，在系统分析泡沫抑尘技术特点的基础上，提出了一种综掘工作面泡沫抑尘应用工艺，并应用于山脚树矿南采区21129回风巷掘进工作面。现场应用结果表明：在综掘机后部的回风侧4米，泡沫对全尘的降尘效率达到74.43％，为水雾降尘的2.44倍；对呼吸性粉尘的降尘效率达到69％，为水雾的2.77倍，防尘效果显著，有效治理了掘进面粉尘灾害，并且有效的提高了工作效率。
关键字 综掘面；泡沫；粉尘；降尘效率
1.引言
煤尘是我国矿井的主要自然灾害之一。工人长期吸入粉尘，尤其是呼吸性粉尘将会给工人的身心健康带来严重危害。近年来随着机械化采煤的普及，煤产尘强度也随之加大，给煤矿安全生产带来潜在威胁。据卫生部的不完全统计,截至2007年底，全国煤矿尘肺病患者达30万人，占全国尘肺病患者50%左右，仅国有重点煤矿每年新增尘肺病患者近1万例，平均每年死亡2500人以上；部分地方国有煤矿和乡镇煤矿至今尚未建立报告制度，受害工人数目尚不清楚。尘肺病给煤矿工人及其家庭带来了极大的痛苦和灾难，也给企业和国家造成了巨大的经济损失，据统计煤炭行业每年因尘肺病造成直接经济损失数十亿元[1]。除此之外，粉尘的还是产生爆炸的主要灾害源，据有关统计资料，从2000年以来，我国煤矿发生特大煤尘爆炸事故共12次，造成782人死亡[2]。
为了防治煤矿粉尘，国内外广泛采用的有煤层注水、喷雾降尘、利用除尘器除尘、通风除尘、化学抑尘等[3、6]，这些除尘技术虽然对降低粉尘浓度起到了重要作用，但也都存在着各种各样的缺点，如采用煤层注水技术，设备复杂、耗水量大，恶化井下工作环境；采用喷雾除尘，使用过程中喷头容易堵塞，对呼吸性粉尘除尘效率低；采用除尘器除尘，设备自身结构复杂、体积庞大、处理风量有限，不适宜井下狭小的工作面。泡沫抑尘作为一种新技术能够有效克服以上缺点，在提高除尘效率方面具有较大潜力，尤其是对呼吸性粉尘的捕捉
2.泡沫抑尘技术的特点
抑尘用的泡沫由空气、水和发泡剂三种物质经过物理发泡而成。发泡剂加入到水中，降低水的表面张力，通过发泡器生成大量细腻均匀的泡沫喷洒到尘源上或空气中，与现有的除尘技术相比，泡沫抑尘技术不但兼有一般喷雾和化学抑尘的优点，而且还具有以下特点[7、8]: ① 当泡沫喷洒到产尘处，会形成无空隙的泡沫体罩住尘源，可有效阻止粉尘向外界扩散；② 当泡沫液喷洒到含尘空气中，大量的泡沫群总体积和总表面积增大，大大增加了与尘粒的碰撞几率；③ 泡沫的液膜中含有高效发泡的表面活性剂（发泡剂），能大幅度降低水的表面张力，迅速改变粉尘的湿润性能，增加了粉尘被湿润的速度；④ 泡沫具有很好的粘性，粉尘一旦和泡沫接触将会迅速被泡沫黏附，增加了泡沫和粉尘的黏附效率。
3 泡沫抑尘技术的应用工艺及技术参数
如图1所示，泡沫抑尘所采用的水源和风源为井下防尘水和压风，水管和压风管路分别和抑尘设备上的接头连接，在抑尘设备中加入一定量的泡沫添加剂，抑尘设备中安装有正压比例混合器和发泡装置，泡沫添加剂按照一定比例将经过比例混合器被加入到清水管路中，混合成泡沫液，泡沫液经过发泡器时引入压风空气，空气和泡沫液在发泡器中相互作用，通过机械搅拌混合发泡，产生大量均匀细腻的泡沫群。泡沫体经过泡沫分配器进行分配，输送到各产尘点，最后由泡沫喷头喷出，造成无间隙的泡沫体覆盖尘源，抑制粉尘产生并沉降已产生的粉尘。
4 现场应用
盘江集团山脚树煤矿位于盘县断江镇中心区域，1966年开始建设，1973年投产，设计生产能力30万t/a，经过几次改扩建，目前矿井的生产能力为200万吨。山脚树矿是在国家“大三线”建设的背景下规划建设的，20世纪70年代采煤机械化程度很低，80年代以后采煤机械化程度逐渐提高，进入90年代采煤机械化程度达到100%。随着机械化程度的逐步提高，粉尘浓度急剧增加，严重影响了工人的身心健康和煤矿安全生产。21129回风巷掘进工作面原来采用掘进机内外喷雾、净化水幕等防尘措施，但效果不理想。根据山脚树矿安全生产的实际需要，泡沫抑尘技术的应用地点选在南采区21129回风巷掘进工作面。
4.1掘进工作面产尘机理分析
产尘是煤炭破碎过程的固有特性，掘进机掘进巷道的过程即是一个产尘过程。掘进工作面粉尘主要是由掘进机截齿截割煤体致使煤岩破碎所产生的粉尘组成，占掘进工作面粉尘的80%以上[9]。掘进机截齿截割煤体时，在截齿周围产生很高的接触应力，随着负荷的增加，煤体逐渐破碎，形成密实的煤粉核，束缚在截齿周围；当截齿载荷达到临界值时，煤体裂纹失稳扩张使大碎块从自由面崩落，便解除了煤粉核约束状态，煤粉核释放能量，形成大量飞扬的粉尘。
山脚树南采区21129回风巷净宽4.6m，净中高2.9m，净断面为10.4m2，总工程量 870m，配备三一重工EBZ160C型综掘机纵轴式掘进机一台。掘进机截割方式决定了粉尘的产生规律，也间接决定了工作面粉尘分布，直接影响着泡沫抑尘工艺的选择。图2为纵轴式掘进机截割煤岩煤粉核释放瞬间粉尘的运动轨迹。在不考虑风流影响的情况下，煤岩破碎产生的粉尘大部分随着截割头旋转的方向被带出来，并环绕在截割头周围。
图3 泡沫抑尘系统安装示意图
要达到高效防治粉尘的目的，必须在粉尘扩散的初期将其捕获，将粉尘控制在产尘点，也就是说必须在粉尘变为浮游状态前把泡沫施加到产尘点，用大量的泡沫覆盖尘源，抑制粉尘的产生，阻断粉尘向外扩散的通道，故泡沫喷头的安装至关重要。课题组新研发的泡沫喷头具有开口大、不易堵塞、喷射的泡沫呈扇形喷射、扩散角度大等特点。喷头的喷射效果如图4所示，喷出的泡沫在截割头周围形成一个密闭的泡沫幕，能够有效覆盖并包裹掘进机截割头，湿润粉尘并将其粘附沉降，截断粉尘的扩散通道，使粉尘在滚筒附近就被捕捉并沉降。
图4 泡沫喷头的喷洒效果
4.3应用效果
21129回风巷掘进工作面自从应用泡沫抑尘技术以后，取得了显著的防尘效果和经济效益。在综掘机后部的回风侧4米处设置测尘点，采用CCZ-1000型直读式测尘仪进行测试。图5和6是采用泡沫和喷雾两种除尘方法对全尘与呼吸性粉尘的降尘效率对比柱状图，由图可知，泡沫对全尘的降尘效率是水雾的2.44倍，而对呼吸性粉尘泡沫的降尘效率是水雾的2.77倍。该技术有效的降低了井下掘进工作面的粉尘浓度，净化了工作场所的卫生条件，保障了矿工的身心健康。另外，良好的防尘效果，有助于综掘机的司机能看清切割滚筒，保证了割煤的连续性，而且有利于巷道成形和中心控制。采用该技术后用水量大幅度减少，避免了综掘机的下陷，有利于提高掘进机的工作效率。因此，该技术的应用不但能够显著的改善井下作业地点的环境，降低工人尘肺病的发生概率，而且能够明显提高掘进速度和巷道的成形质量，取得显著的经济效益。
图6 水雾和泡沫对呼吸性粉尘的降尘效率对比
５．总结
（1）泡沫除尘不但兼有一般喷雾和化学抑尘的优点，而且还具有隔绝性能好、接触面积大、湿润速度快和黏附性能好的特点，能够有效防治煤矿粉尘危害。
（2）分析了纵轴式掘进机切割煤岩的产尘机理，构建了综掘工作面泡沫抑尘的应用系统，形成了泡沫抑尘技术在综掘面的应用工艺，即利用泡沫的无间隙覆盖特性，淹没截割头周围空间，减少产尘量；再利用泡沫幕隔断粉尘的扩散通道，捕获并沉降已产生的粉尘。
（3）泡沫抑尘技术在井下掘进工作面进行了应用，泡沫对全尘的降尘效率是常规水雾降尘的2.44倍；对呼吸性粉尘的降尘效率是水雾的2.77倍，非常有效的治理掘进工作面粉尘灾害，工人的作业环境得到了彻底改善，同时能够提高掘进速度和掘进机的工作效率，有显著的经济效益。
参考文献：
[1] 范维澄.能源化工行业安全形式分析与关键技术[M].合肥:中国科技大学出版社,2002：109-117.
[2] 濮洪九.煤炭工业多种经营持续发展战略和对策[C].21世纪中国煤炭工业第五次全国会员代表大会暨学术研讨会论文集,5:2001.9:7-12.
[3] 樊晶光，杨力.我国粉尘职业危害防治进展[J].职业卫生.2004,5：20～23.
[4] 彭小兰，吴超.化学抑尘剂新进展研究[J].中国安全生产科学技术.2005,5:44～45.
[5] 薄以匀，吕琳等.我国粉尘职业危害现状[J].安全.1998，19(1)，4～7.
[6] 李华炜. 煤矿呼吸性粉尘及其综合控制[J].中国安全科学学报.2005，15（7）：67~69.
[7] 蒋仲安,李怀宇.泡沫除尘技术的研究与应用[J].中国安全科学学报.1997,7(3):53～56.
[8] 任万兴,王德明,巫斌伟等.矿井泡沫除尘技术[J].煤炭科学技术.2009,11（11）:30～36.
[9] 杨胜强.粉尘防治理论及技术[M].中国矿业大学出版社.2007.
作者：王君，男，汉族，工程师，盘江精煤股份公司通风部副主任
论文作者:王,君
论文发表刊物:《防护工程》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/10
标签：粉尘论文; 泡沫论文; 工作面论文; 技术论文; 效率论文; 水雾论文; 煤矿论文; 《防护工程》2017年第23期论文;