陳建忠 王穩(wěn)飛 張軍偉

（1.中國平煤神馬控股集團有限公司，河南 平頂山 467000；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦，河南 平頂山 467000）

開采煤炭的機械化程度近年來在不斷提高，生產過程中包括采煤和運輸等多個環(huán)節(jié)所產生的粉塵也隨之顯著增加。若不采取任何處理措施，綜采面的粉塵濃度最高能達到3000 mg/m3以上[1-4]，綜掘面粉塵濃度可能超過 1000 mg/m3，而呼吸性粉塵濃度可達 400 mg/m3以上[5-7]。井下粉塵可能導致環(huán)境污染，引發(fā)塵爆，對工人身體健康和礦用機械的使用壽命造成危害[8-12]。國家規(guī)定井下全塵和呼吸性粉塵濃度不得超過4 mg/m3、 2.5 mg/m3。 目前常規(guī)防塵措施無法滿足規(guī)定要求。因此，研究用于提高煤礦井下粉塵防治能力的技術方法，具有非常重要的意義。

1 概況

平煤八礦絕對瓦斯涌出量1.5 m3/min，相對瓦斯涌出量14.1 m3/t。己15-21050 綜采工作面機巷位于二水平己一采區(qū)中部，東起二水平己一、一水平己五采區(qū)邊界，西至采區(qū)下山，采用EBZ-200 掘進機按方位角118°11′17″沿己15 煤層頂板施工至切眼位置，設計長1 606.3 m，井下標高-860～ -770 m，煤層平均厚度3.6 m，平均煤層傾角12°。己15-21050 機巷支護斷面規(guī)格為寬×高=5.2 m×3.2 m 的斜梯形斷面，采用錨網索＋W 鋼帶支護。該煤層煤體硬度高，綜掘機截割過程中粉塵量較大。同時，該煤層屬于高瓦斯煤層，掘進過程中通風量比較大，致使現有水霧無法有效包裹截割頭，造成大量粉塵逸散。逸散的粉塵嚴重污染了井下環(huán)境，不利于井下工作人員的身心健康。

2 綜掘面產塵特性

1）掘進機截割頭在破煤掘進時，高速轉動的截割頭破碎煤層，產生大量粉塵，煤塵在轉動的截割機的作用下，不斷漂浮擴散，飛揚在巷道中。這種產塵方式是造成掘進工作面粉塵濃度大的最主要原因，該處產塵量占整個掘進面產塵量的80%以上。

2）在對掘進面進行支護時，用錨桿鉆機進行打鉆作業(yè)，鉆機鉆頭高速轉動截割煤體，使煤體破碎，伴隨煤塵產生。

3）掘進機破碎的煤塊會通過膠帶運輸機多次轉載運輸到二水平己一皮帶下山，在運輸過程中，因摩擦和振動，使得原本相對靜止的煤塵會重新飛揚起來。尤其是在有高度落差的轉載點處，碎煤從高點落下過程中部分煤塵飛揚起來，落下后，煤堆受到震蕩，激起煤塵。己15-21050 掘進工作面有兩處高度落差的轉載點，飛揚大量的煤塵，污染掘進工作面的空氣。

3 粉塵理化特性研究

現場通過CCZ-20 型粉塵采樣器對己15-21050機巷綜掘面粉塵進行采樣測試，通過全自動工業(yè)分析儀、接觸角測試儀和紅外光譜儀分別測試分析煤塵的工業(yè)指標參數、接觸角和官能團，進一步對己15-21050 機巷綜掘面粉塵的濕潤性進行分析，研究其理化特性。

煤的工業(yè)分析是在規(guī)定的條件下，基本上可以分成四種組分，包括固定碳、揮發(fā)分、水分以及灰分。固定碳是指在煤中不揮發(fā)的有機物質，揮發(fā)分是指在煤中能夠揮發(fā)的有機物質，水分是指煤中的水分，灰分是指煤中不可燃物質。

經煤樣工業(yè)分析，己15-21050 機巷綜掘面采集的塵樣中水分含量僅為1.17%、灰分含量為12.47%、揮發(fā)分含量為18.84%、固定碳含量為67.52%。根據ASTM 標準（見表1），該煤種屬于低揮發(fā)分煙煤。煤樣中固定碳和揮發(fā)分含量較高，具有較差的濕潤性。

表1 ASTM 標準

固體界面到液體內部與空氣交界的切線所形成的夾角叫接觸角。因固體-液體，液體-氣體，固體-氣體三個界面張力共同作用而達到平衡，故可推導出以下方程式：

上公式包括了液體與氣體的表面張力γLG、固體與氣體的界面張力γSG，固體與液體的界面張力γSL，以及液體在固體表面的楊氏接觸角θ。楊氏方程被用來解釋固體在液體表面的接觸角θ與固體-液體、液體-氣體、固體-氣體界面張力之間的關系。接觸角θ常被用來度量礦物表面的親疏水性，還被用來標志煤表面的潤濕性，而煤表面的潤濕性對煤礦降塵有重要意義。

接觸角測定采用JGW-360B 型接觸角測量儀。測量前，用球磨機研磨本工作面所采煤樣，得到煤粉樣品；使用壓片機，壓力設置為20 MPa，將500 mg 煤粉持續(xù)壓5 min，制成圓盤狀實驗樣品；將待測樣品放置于飽和食鹽水中，靜置48 h；取出樣品，將樣品靜置于接觸角測量儀平臺上；在待測樣品上滴上指定的潤濕液；等待接觸平衡時保存圖像，并利用液滴法測得測試樣品的接觸角。

通過接觸角實驗測試得出：己15-21050 機巷綜掘面所采塵樣接觸角為75.14°，進一步驗證了該掘進面煤質的強疏水性。 接觸角測試圖如圖1。

圖1 接觸角測試圖

煤塵表面的含氧官能團類型和數量對煤的化學性質產生重要影響，含氧官能團是最為關鍵的表面基團之一。研究指出，以含氧官能團形式存在的有機氧對煤的性質具有最顯著的影響。這些含氧官能團主要涵蓋碳氧單鍵、羰基和羧基。煤粉在細碎過程中不斷暴露新的表面，從而增加了比表面積和表面自由能，同時也引發(fā)了化學結構的變化。此外，粉塵表面疏水性官能團（芳香烴、脂肪烴等）的含量越大，煤塵越難以被濕潤沉降。因此，為探究己15-21050 機巷綜掘面粉塵濕潤性能，本文采用紅外光譜儀對現場所取煤樣進行了測試。

利用Nicolet 6700 型紅外光譜測試系統(tǒng)對己15-21050 機巷綜掘面所采煤樣進行測試。首先在反應池中取適量KBr 粉末，平鋪在其表面，采集光譜作為基準背景。然后取出KBr 粉末，將待測樣品放入漫反射樣品池中并平整，啟動光譜采集系統(tǒng)進行測試。

測試范圍設置為4000～600 cm-1，分辨率為4 cm-1，背景采集為空白KBr 片。對煤樣掃描次數為64 次。掃描結果通過軟件基線校準、平滑處理后，為了便于分峰擬合及面積計算更準確，將譜圖分成4 組，分別為波數900～650 cm-1、1800～1000 cm-1、3000～2800 cm-1、3700～3000 cm-1。采用二階導數和傅里葉退卷積的方法擬合分離對應區(qū)間的譜圖，分別對這四個區(qū)域的紅外光譜進行分峰擬合，如圖2。分別計算了疏水性官能團（芳香環(huán)、脂肪烴等）、親水性官能團（羥基、羧基等）的百分比，詳見表2。

圖2 煤塵紅外分峰擬合

表2 煤塵主要官能團占比

如圖2 及表2 所示，通過對各個區(qū)間的紅外光譜進行分峰擬合，得到了己15-21050 機巷綜掘面粉塵的主要官能團的占比情況。其中疏水性官能團占比達到了58.37%，這說明己15-21050 機巷綜掘面的粉塵具有非常強的疏水性，普通的噴霧難以使粉塵濕潤沉降，導致該工作面粉塵污染嚴重，難以治理。

4 己15-21050 機巷綜掘面除塵技術

通過對己15-21050 機巷綜掘面產塵源的分析，掘進機截割頭和轉載點處產塵量大，針對現有噴霧噴射距離短、易于受風流影響發(fā)生飄散的問題，本文采用氣水噴霧裝置利用壓風噴射來提高噴射距離，同時增強了溶液霧化能力。氣水噴霧是一種新型的噴霧方式，它利用壓力水和壓縮空氣作為雙動力，利用特殊設計的氣液兩相流噴嘴將水霧化成微細水滴。具體過程是，先讓氣從噴嘴尾部進入，水從噴嘴旁邊進入，在混合室內氣水碰撞，形成第一次水滴破碎，然后從噴嘴口噴出，進入共振腔產生超聲波，再次破碎水滴。氣液兩相流噴霧技術具有以下特點：1）水霧粒徑小，沉降呼吸性粉塵效果較好；2）相比普通噴霧系統(tǒng)，耗水量大幅降低，節(jié)省成本和資源； 3）氣液兩相流噴霧系統(tǒng)的安裝相對簡單，能充分利用煤礦下氣水管路；4）維護和保養(yǎng)方便，壽命更長，所形成的霧場能有效覆蓋截割頭。

同時，對轉載點也采取了負壓抽吸噴霧裝置，增強了溶液霧化性能。針對現有水噴霧濕潤煤塵能力差的問題，與中國礦業(yè)大學合作研發(fā)了基于磁化與表面活性劑協(xié)同增效作用的活性磁化水降塵溶液?；钚源呕且环N水基降塵介質，通過在磁場環(huán)境中使含有少量活性添加劑的溶液以特定速度穿過制備而成。其降塵機理在于改善水的濕潤性能，活性添加劑通過自身攜帶的親水基和親油基，以化學手段調整水的濕潤性質。

活性磁化水降塵技術具體實施流程圖如圖3，主要由活性添加劑的供給裝置、溶液混合裝置、磁化裝置及高效霧化裝置等構成。

圖3 新型活性磁化水噴霧系統(tǒng)現場布置

首先，活性劑添加系統(tǒng)通過調節(jié)系統(tǒng)的進水閥門及定量泵轉速并結合玻璃轉子流量計來調節(jié)活性添加劑與水的配比，保持活性添加劑的濃度始終維持在0.03%；接著，活性劑溶液經過過濾器過濾，通過磁化裝置制備，得到降塵所需的活性磁化水；最后，通過分流器將水一部分輸送到轉載點噴霧，另一部分與壓風一起匯集到氣水噴霧裝置，形成良好的噴霧場對不同塵源進行水霧覆蓋，達到高效降塵的目的。

5 己15-21050 機巷綜掘面現場應用

為了驗證活性磁化水噴霧降塵技術對己15-21050 機巷綜掘面的降塵效果，在該綜掘工作面布置3 個測點（1 號測點位于掘進機司機處，2 號測點位于掘進機后方10 m 處，3 號測點位于掘進機后方20 m 處）。通過CCZ-20 型粉塵采樣器對其進行采樣稱重測量，分別監(jiān)測無措施、使用該工作面原有降塵措施和研發(fā)的活性磁化水降塵系統(tǒng)前后的粉塵濃度。通過公式（2）計算降塵效率。原有措施及新技術降塵效率對比如圖4。

圖4 原有措施及新技術降塵效率對比

式中：η為降塵效率，%；c、c1分別為降塵前后粉塵濃度，mg/m3。

通過對3 個測點進行采樣測試，得出采用新型活性磁化水噴霧降塵效率有了明顯提高的結論。相對于原有噴霧，呼吸性粉塵、總粉塵降塵效率分別提高了35%、30%以上，整體平均降塵效率達到了86.45%、81.39%，顯著改善了井下工作環(huán)境，為綜掘面從業(yè)人員，尤其是掘進機司機的身心健康提供了有力的保障。

6 結論

1）研究了平煤八礦己15-21050 機巷綜掘面的產塵特性，通過實地調查結合相關資料得出綜掘面主要產塵點為掘進機截割頭處和轉載點處。其中掘進機截割頭處的產塵量占綜掘工作面總產塵量的80%以上。

2）研究了己15-21050 機巷綜掘面煤塵的理化特性，通過煤的工業(yè)分析、接觸角試驗以及紅外光譜測試，測試結果表明該煤種揮發(fā)分和固定碳含量較高，同時疏水性官能團占比達到了58.37%，證明己15-21050 機巷綜掘面粉塵的濕潤性較差，普通的礦用水難以濕潤煤塵。

3）針對己15-21050 機巷綜掘面的產塵特性以及煤塵的較差的濕潤性，構建了新型活性磁化水噴霧系統(tǒng)?，F場應用表明，該新型噴霧降塵技術能顯著改善綜掘面工作環(huán)境，對總粉塵、呼吸塵降塵效率分別達到86.45%、81.39%。