水幕降塵技術(shù)在金屬礦井作業(yè)中的應(yīng)用與改進(jìn)

黃 強(qiáng)

（深圳市中金嶺南股份有限公司凡口鉛鋅礦，廣東 深圳 512325）

0 引言

水幕降塵技術(shù)[1]的本質(zhì)為濕式除塵，也就是說(shuō)水幕降塵技術(shù)的原理和單一液滴的捕集原理存在相通之處。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)分析液滴噴射霧化、塵粒的流動(dòng)情況以及二者之間的交互作業(yè)，可獲得極為關(guān)鍵的降塵除塵原理。簡(jiǎn)單來(lái)講，其可以被劃分為兩種：一是塵粒主動(dòng)和霧滴接觸發(fā)生沉降，二是塵粒非主動(dòng)和霧滴形成碰撞而發(fā)生沉降。以上兩種均可體現(xiàn)出顯著的降塵效果。

1 水幕降塵技術(shù)分析

1.1 水幕降塵裝置結(jié)構(gòu)

水幕除塵裝置[2-3]的結(jié)構(gòu)主要是門式結(jié)構(gòu)，由鋼架門框、紗網(wǎng)、噴液管以及流水槽組成。鋼架門框的形態(tài)為矩形框架。紗網(wǎng)的形態(tài)也為矩形，且四邊均被固定至鋼架門框上，如此便形成了紗窗式架構(gòu)，紗網(wǎng)緊繃，雙層設(shè)計(jì)，層間有一定的間距。在紗窗的右下角部位，還配置了一扇可供人出入的門，該門的架構(gòu)呈現(xiàn)依舊是紗窗結(jié)構(gòu)，且門的右側(cè)邊框和門框通過(guò)合頁(yè)可以旋轉(zhuǎn)，紗窗的邊框和門框的制造原料都是鋁合金材質(zhì)。水幕降塵裝置架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 水幕降塵裝置架構(gòu)示意

1.2 降塵劑

水幕降塵裝置中噴液管應(yīng)用的降塵液是煤炭生產(chǎn)期間通過(guò)污水處理廠凈化處理完成后的中水，并在中水內(nèi)添加適量的降塵劑。降塵劑屬于新型多性能的高分子聚合物，可以對(duì)礦井作業(yè)面生成的粉塵起到瞬間且高效的濕潤(rùn)效果，明顯加大粉塵自身的重量，進(jìn)而使粉塵呈下降狀態(tài)，降低空氣中的粉塵濃度。該方法和清水噴霧除塵存在差異性，由于體積較小的粉塵顆粒具備的靜電荷和水霧顆粒具備的電荷性質(zhì)存在差異性，二者便會(huì)產(chǎn)生相互排斥反應(yīng)。水霧和粉塵的質(zhì)量均較輕，沉降效果不佳。粉塵自身具有疏水性能，難以與水融合，導(dǎo)致水霧自身的降塵效果較弱。而降塵劑內(nèi)含有的聚合物，具備交聯(lián)度分子，并且呈網(wǎng)狀架構(gòu)，電荷密度大，離子間有著極強(qiáng)的親和力，能夠顯著消除水霧和粉塵之間的排斥感，使水霧顆粒迅速濕潤(rùn)粉塵顆粒表層，減少水的表層張力，促進(jìn)水霧和粉塵的急速吸附以及融合，提升水霧對(duì)粉塵的吸附捕捉效率，促進(jìn)其凝并，增加重力沉降速度，提高降塵效果。

選定降塵劑濃度時(shí)，需要針對(duì)礦井下的粉塵實(shí)際情況予以選擇，其質(zhì)量濃度范圍可從0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%和1.2%中選定，不同濃度的降塵效果見(jiàn)表1，不同濃度的降塵劑對(duì)水表面張力的影響見(jiàn)表2。

表1 不同降塵劑濃度的降塵效果

表2 降塵劑濃度和水表面張力間的關(guān)系

分析表1 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)降塵劑的質(zhì)量濃度處于0.6%時(shí)，其降塵效果明顯高于質(zhì)量濃度為0.5%的降塵劑，超出部分占比約為15%。隨著降塵劑濃度的逐漸增加，降塵效果也更加顯著。分析表2 內(nèi)容可知，隨著降塵劑濃度的增加，水表面張力的變化趨勢(shì)逐漸趨于平穩(wěn)。因此，為有效實(shí)現(xiàn)降塵目標(biāo)，可選擇質(zhì)量濃度為0.8%、0.9%和1.0%的降塵劑。

2 水幕降塵技術(shù)在金屬礦井作業(yè)中的應(yīng)用與改進(jìn)

2.1 水幕降塵技術(shù)的應(yīng)用——提高降塵效率

基于對(duì)水幕啟動(dòng)前后的全沉濃度以及呼塵濃度變化的檢測(cè)結(jié)果，能夠計(jì)算出水幕降塵效率，對(duì)降塵效果進(jìn)行預(yù)測(cè)[4]。以某金屬礦作業(yè)面為例，分別對(duì)某兩條水平掘進(jìn)巷道內(nèi)的粉塵濃度予以檢測(cè)，檢測(cè)裝置可應(yīng)用CCZ-1000 直讀式粉塵濃度檢測(cè)儀。在正式檢測(cè)的準(zhǔn)備階段，務(wù)必確保粉塵濃度在某段時(shí)間內(nèi)的自然沉降變化程度不強(qiáng)烈，且粉塵檢測(cè)位置也應(yīng)該設(shè)定于1.5 m 的人類呼吸帶高度。當(dāng)水幕裝置啟動(dòng)10 min后，便可進(jìn)行粉塵濃度檢測(cè)。為防止檢測(cè)位置出現(xiàn)結(jié)果誤差，要隨機(jī)選擇粉塵檢測(cè)位置，并考慮水幕噴嘴設(shè)備間距的差異，噴霧蔓延規(guī)模要較為均衡，還要對(duì)全部檢測(cè)位置進(jìn)行檢測(cè)，取全部檢測(cè)結(jié)果的均值，以此有效降低檢測(cè)結(jié)果的偏差值。某金屬礦掘進(jìn)工作面粉塵濃度檢測(cè)設(shè)置如圖2 所示，核心檢測(cè)位置與水幕系統(tǒng)的距離分別是3 m、8 m。取得檢測(cè)結(jié)果后，對(duì)全部參數(shù)予以整合處理，再把井下實(shí)測(cè)獲得的全塵、呼塵濃度參數(shù)繪制成表，詳見(jiàn)表3。

表3 粉塵檢測(cè)結(jié)果

圖2 粉塵檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

對(duì)自然通風(fēng)條件下的粉塵濃度與應(yīng)用水幕降塵技術(shù)后的粉塵濃度予以對(duì)比，其詳細(xì)的對(duì)比情況如圖3 所示。

圖3 應(yīng)用水幕降塵技術(shù)的前后粉塵濃度對(duì)比

由圖3 可知，在水幕系統(tǒng)未啟動(dòng)階段，分別對(duì)礦井中距離掘進(jìn)面25 m 以及30 m 位置的巷道側(cè)予以粉塵采樣，檢測(cè)結(jié)果為，全塵質(zhì)量濃度分別是341.6 mg/m3和270.5 mg/m3，呼吸性粉塵的質(zhì)量濃度分別是131.2 mg/m3和98.3 mg/m3。對(duì)應(yīng)用水幕降塵技術(shù)之后的粉塵予以采樣檢測(cè)，其全塵質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果分別是120.2 mg/m3以及98.8 mg/m3，呼吸性粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果分別是78.3 mg/m3以及54.5 mg/m3，計(jì)算可得，水幕降塵技術(shù)的全塵降塵效率為64%，針對(duì)呼塵的降塵效率為44%，水幕降塵技術(shù)在金屬礦的粉塵處理中效果顯著。

2.2 水幕降塵技術(shù)的改進(jìn)——水幕用水的凈化處理

水幕降塵技術(shù)的應(yīng)用，極易造成水資源浪費(fèi)以及金屬礦井內(nèi)環(huán)境條件惡化，如巷道積水將影響作業(yè)器械穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)生水中觸電事故。因此，為了有效解決和規(guī)避此類問(wèn)題，可將水幕降塵裝置噴射出的含有粉塵以及其他雜質(zhì)且降落至巷道底板的霧滴，收集到過(guò)濾池并進(jìn)行高效凈化。該凈化方法的原理是基于過(guò)濾網(wǎng)對(duì)水幕降落的粉塵進(jìn)行過(guò)濾，但過(guò)濾網(wǎng)很容易被各類雜質(zhì)阻塞，需要清潔和替換，導(dǎo)致后期的維修管理難度顯著增加?；诖耍裳邪l(fā)能夠顯著實(shí)現(xiàn)水幕凈水目標(biāo)的凈水設(shè)備，提升凈水效果，使水質(zhì)更加潔凈，確保凈化水幕高效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)安全和效益的最大化目標(biāo)。

傳統(tǒng)的水幕凈水方法是在凈水管道內(nèi)的全斷面安裝過(guò)濾網(wǎng)，其凈水效果不佳。如圖4 所示的凈水裝置可以在出水管內(nèi)安裝較小斷面的過(guò)濾網(wǎng)，不僅可節(jié)約過(guò)濾網(wǎng)的使用面積，還可以有效防止底部污水層雜質(zhì)的混入。當(dāng)水體通過(guò)進(jìn)水管進(jìn)入凈水裝置后，管徑變大，水流壓力也隨之降低，在凈化裝置中可以達(dá)到沉淀的效果，且多數(shù)雜質(zhì)沉積于裝置的最下層，此時(shí)，凈水裝置內(nèi)部便可分成下方污水層和上方凈水層。污水層內(nèi)雜質(zhì)較多的水體會(huì)從特定通道流出，而凈水層內(nèi)的水體便會(huì)從過(guò)濾網(wǎng)排進(jìn)出水管，再由出水管把凈化完成的水體引進(jìn)水幕系統(tǒng)。水體在該裝置的沉淀以及過(guò)濾兩道工序的處理下，所含的雜質(zhì)可被清除，達(dá)到水資源的節(jié)約使用。同時(shí)，也可保證金屬礦井下的作業(yè)安全。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)金屬礦井下粉塵嚴(yán)重的問(wèn)題，可采用水幕降塵技術(shù)，在降塵劑的輔助下，高效發(fā)揮其降塵效果?；谒唤祲m技術(shù)的礦下全塵降塵效率為64%，呼塵降塵效率為44%。此外，還可通過(guò)研發(fā)凈水裝置實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，進(jìn)一步提升降塵效果，且降塵的水霧不會(huì)對(duì)人類健康造成危害，確保礦井下作業(yè)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和作業(yè)人員的人身安全。