泡沫降尘新技术在官地矿掘进工作面的应用实践

戴永禄，杨树军

(1.山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司，山西 太原 030022，2.西山煤电(集团)有限责任公司官地煤矿，山西 太原 030022)

粉尘特别是呼吸性粉尘对工人健康具有极大危害，长期吸入呼吸性粉尘可导致肺部组织弥漫性纤维化，最终造成尘肺病[1]。2010年在全国煤矿职业安全健康经验交流会上报道：“全国煤矿有265万接尘人员，每年有5.7万人患上尘肺病，因尘肺病死亡的则有6000余人，是安全生产事故死亡人数的两倍”[2]。同时粉尘又具有爆炸性，严重影响煤矿的安全生产，是煤矿主要灾害之一。

目前，煤矿井下采用防治矿尘的主要技术措施有：煤层注水、喷雾降尘、通风排尘、除尘器除尘等，但各种技术都存在其缺点[3]。官地矿工作面目前降尘手段仅仅是掘进机的内外喷雾，且内喷雾已全部失效，外喷雾降尘效果又相当差，而且由于喷头口径太小，井下所用除尘水又含有岩粉等颗粒杂质，很容易堵塞喷头；再加上掘进机滚筒在工作时，在高浓度产尘情况下，岩粉极易覆盖在机头上，也容易在喷头上沉积，造成喷头堵塞。同时，又由于该掘进面底板遇水后硬度会降低，造成掘进机下陷，现场作业人员并不愿意使用内外喷雾。虽然有相关措施要求迎头必须设置水幕帘，但由于掘进速度较快，职工意识不强烈，造成水幕并未实施，即使有实施，由于雾化效果太差，并未取得预期的降尘效果。

近年来中国矿业大学系统研究了泡沫降尘技术，分析了泡沫捕尘机理与理论模型，研制了降尘泡沫发泡器及泡沫专用发泡剂，提出了降尘新工艺，最终研制了一种适宜煤矿掘进工作面粉尘防治的泡沫降尘系统，取得了显著的进展[4-7]，西山煤电集团于2011年8月起开始在官地矿进行了该技术的工业性试验，有效降低了综掘面的粉尘浓度，净化了作业环境，提升了工人作业效率，得到了一线职工的一致好评。

1 泡沫降尘机理

泡沫之所以能捕集空气中飞扬的粉尘，除了与泡沫所具有的良好特性相关外，还与泡沫与粉尘的相互作用密切相关，这些作用主要有截留、惯性碰撞、扩散、黏附、重力沉降等效应，如图1所示。

图1 泡沫降尘的各种效应

研究发现，对于不同粒径下的粉尘，泡沫降尘的机理是各不相同的[8]。当粉尘粒径在大于100μm，并且速度不高的情况下，重力沉降效应起主要作用；当粉尘粒径在大于10μm，小于50μm，并且速度很高(v>1cm/s)的情况下，截留和惯性碰撞效应其起到了主要作用；对于粒径小于10μm的微小粉尘，其主要的降尘机理是扩散效应；而在降尘的整个过程中，黏附效应始终存在。

事实上，泡沫降尘的最终实现并不是某一降尘机理单独作用的结果，尽管有时在降尘的特定阶段，某个降尘机理起了主要作用，但是整个降尘过程必然是由两个或多个降尘机理协同完成的。这也就是为何利用泡沫能够容易除去粉尘，达到很高的降尘效率的重要原因。

2 高性能泡沫的制备流程

泡沫降尘技术是一个非常复杂的系统工程，要想达到良好的降尘效果，泡沫降尘系统是关键，它是泡沫制备的系统工具，决定了降尘的应用效果和降尘效率的高低。泡沫降尘系统主要由发泡剂添加部分、泡沫发生部分、控制与管路输送部分及泡沫喷射部分组成。其工艺流程如图2所示。首先，井下水在压力作用下进入水管路，在添加器的作用下，将发泡剂添加到水管路中，发泡剂与有压水混合后，形成均匀的发泡液，进入发泡器，在发泡器中，发泡液与压缩风流相遇，通过射流、卷吸和紊流等作用，气液迅速混合成高性能泡沫，经喷头喷洒至掘进面产尘点，进行降尘。

图2 实验室制备泡沫的流程

其中，发泡器是泡沫降尘系统中的核心部件。该部分充分利用了射流产生负压原理及文丘里管在喉部高速低压的特点，使空气和发泡液在喉部高速紊态流动，为了增加气液的接触面积，在文丘里管的扩散阶段设置了一定数量的气孔；文丘里管扩散段内部设置扰流器，能将高速液体流束分散开，由于射流作用在扰流器旋转斜面上形成湍流涡流，使气体能够更容易的进入液体，达到气-液充分混合；在扰流器的后部设置若干档板，高速紊乱的气液混合液和部分泡沫在此阶段被进一步混合，产生更多的适合降尘的均匀泡沫群。

3 泡沫降尘工艺的确定

泡沫降尘的关键之一是使泡沫对尘源进行有效包裹。要想高效的抑制粉尘的扩散，必须在粉尘开始扩散之前使其受到有效的抑制，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，即泡沫的作用范围必须覆盖尘源附近有可能向外扩散粉尘的区域。粉尘产生瞬间的运动轨迹直接影响着泡沫降尘技术工艺的选择，图3所示为纵轴式截割掘进机工作时粉尘的瞬间运动轨迹，在不考虑风流影响的情况下，煤岩破碎产生的粉尘大部分沿着截齿运动轨迹的切线方向被带出来。

图4为综掘机掘进期间泡沫喷头对粉尘的包裹工艺，工艺利用喷头良好的扩散性能达到降尘的目的，该工艺操作简单、稳定可靠、能够适应井下狭小的空间。

掘进机泡沫降尘立体化“包裹”，这种全方位立体化的的泡沫捕尘工艺是根据粉尘的扩散轨迹而设计的，该方法可使泡沫有效的覆盖粉尘，阻断其扩散通道，使粉尘在产生地点附近就被捕捉。

图3 掘进时粉尘的瞬间运动轨迹

图4 掘进期间喷头“包裹”工艺的设

4 泡沫降尘技术现场应用

4.1 综掘工作面概况

22608副巷属中六采区2#煤层，煤层瓦斯绝对涌出量0.60m3/min，煤层煤尘爆炸指数16.69%；煤层自燃倾向为不易自燃。巷道采用矩形断面，巷宽4.6m，高为3m，断面标准面积13.8m2。循环进度2m，最大控顶距2.4m，最小控顶距0.4m。若顶板不完整、破碎时循环进度1.0m，最大控顶距1.4m，最小控顶距0.4m。顶板采用锚杆、锚索、槽钢钢带、钢筋网联合支护。中六采区22608副巷综掘工作面采用上海创力矿山设备有限公司生产的EBZ132纵轴式掘进机割、装、运煤，并配合皮带、溜子出煤，跟顶跟底掘进，保证巷道高度不低于3m，巷道高度大于3.5m时，跟顶留底煤掘进的施工方法。

该工作面目前主要除尘方法包括通风排尘、掘进机喷雾降尘和除尘风机除尘。实际应用过程中，以上方法都存在着一些不足，如表1所示。

4.2 泡沫降尘系统在掘进面的布置

掘进工作面空间狭小，作业工序又较多，因此要求降尘系统的安装既要能保证系统稳定可靠运行，又要不能影响工人的作业。需要安装的设备主要有：发泡一体化装置、泡沫分配器、喷头支架、喷头等。其中喷头支架的安装机构是用来固定喷头支架，其上设置供喷头滑动的螺栓槽，便于试验过程中方便的调节喷头角度和覆盖范围。

泡沫降尘系统在中六采区22608副巷掘进工作面的布置情况如图5所示。降尘所用水为原降尘用水的一部分，气为压风的一部分。风水一体阀门的两个接口分别与水管和风管连接，发泡剂添加装置和发泡剂箱底部相连，依靠水管中水流的动力把发泡剂添加至水管中，风水一体阀门出口端的压风管接到发泡器上，连接管路都用直径为19mm的高压胶管，发泡器、发泡剂添加装置和发泡剂箱连成一体固定在掘进机台面上，生成的泡沫采用直径为50mm的胶管输送至泡沫分配器的入口，装有泡沫喷头的喷头支架由直径为19mm的胶管和分配器的出口端连接，最后由喷头喷洒至产尘点，抑制矿尘的扩散。

由于整个掘进工作面的产尘点主要在掘进机的截齿处，所以泡沫喷头的作用范围应该是切割滚筒的四周。由于泡沫会因重力作用向下运动，掘进机截割头下侧不易布置喷头，泡沫喷头的布置重点是掘进机截割头的上部和两翼，因此在上部和两翼共布置了5个喷头。喷头所喷出泡沫的扩散形式分别为：上部喷头呈水平扇形分布喷出，左右两翼的四个喷头呈倾斜扇形喷出，喷头扩散角度均为45°。喷头布置好以后，把水管和风管连接到发泡器上，最后把发泡器和泡沫喷头接通。根据设计的方案和多次井下现场实地勘察和测算，最终将泡沫降尘系统安装完毕。

为了适应在EBZ132掘进机上的使用条件，设计了环式支架，另外喷头在支架上安装时需将其槽口方向与支架的中线重合，以使泡沫喷出后能更好的构成包裹空间，如图6所示。

泡沫降尘技术实施的前提是制备高质量的泡沫，而在应用地点制备泡沫必须具备水源和压风。水源需要具有一定流量和压力，一般情况下可用井下降尘用水或者消防水，一般要求流量为1m3/h，压力0.2～0.7MPa。压风管路一般要求流量为40～80m3/h，压力0.2～0.7MPa。

4.3 效果分析

泡沫降尘系统在中六采区22608副巷掘进工作面安装完毕后，进行了系列应用试验。

试验现场在司机处布置了粉尘浓度测点，使用重庆煤科院生产的CCGZ-1000型直读式粉尘仪分别测得了无任何防尘措施、开启外喷雾降尘、开启泡沫降尘时全尘及呼吸性粉尘浓度各6组数据，取其平均值并进行对比分析，如图7、图8所示。

表1 官地矿掘进面常用除尘技术比较

图5 系统的安装与布置示意图

图6 喷头支架示意图

图7 外喷雾与泡沫降尘对全尘的效率对比

图8 外喷雾与泡沫降尘对呼吸性粉尘的效率对比

现场测试结果表明：外喷雾降尘虽然可对迎头粉尘浓度进行一定程度的降低，但整体效率仍较低，全尘和呼吸性粉尘效率仅有37.62%和38.46%，迎头粉尘依然相当严峻，能见度不足1m，职工作业环境大大受到了限制，而且采用外喷雾降尘用水量较大，约3m3/h，大量的积水恶化作业面环境，严重情况下甚至造成掘进机的下沉。

而采用泡沫降尘时，全尘及呼吸性粉尘浓度分别为由790mg/m3和360mg/m3迅速降至141.2mg/m3和54.6mg/m3，降尘效率高达为82.13%和84.82%，降尘效率是外喷雾2.18倍和2.2倍，能见度也迅速提升，工人可以清晰看到迎头，保障了安全开采。而且，产生的泡沫能够很好的覆盖滚筒周围空间，抑制粉尘的产生和扩散，并能黏附壁面之上，从而达到提前润湿壁面的效果。

同时，由于泡沫降尘采用的是风动式发泡的方式，耗水量相当少，仅为1m3/h，大大改善了一线职工的作业环境，更为关键的是该套装备操作简便，使用方便，得到了职工的一致好评。

5 结论

1)在泡沫捕尘模型的基础上，从碰撞、湿润、覆盖和黏附的角度研究了泡沫的降尘机理，分析出了针对不同的粉尘粒径，泡沫所起的作用不同，但泡沫降尘的最终实现并不是某一降尘机理单独作用的结果，而是由多种降尘机理协同完成的，因而，泡沫降尘效率较其他降尘手段高的多。

2)提出泡沫降尘新应用工艺，利用井下现有的压力水和压缩风流为源动力，通过发泡剂与有压水混合后，形成均匀的发泡液，在发泡器内利用流体静压和速压相互转化，实现发泡液与压缩风流的混合，并通过系列的射流、卷吸和紊流等作用，达到气液两相成泡，产生高性能泡沫，最后通过在尘源周围布置泡沫喷头，在工作面空间和条件合适的地点制备泡沫，然后输送至喷头，利用喷头良好的扩散性能达到降尘的目的，本工艺操作简单、稳定可靠、特别能够适应井下狭小的空间。

3)通过现场勘察和研究，确定了符合现场实际的应用工艺，最后在综掘面现场构建了泡沫降尘系统并进行了工业性试验。测试结果表明，在司机侧，使用泡沫降尘时全尘及呼吸性粉尘浓度分别为141.2mg/m3和54.6mg/m3，降尘效率分别为82.13%和84.82%，降尘效率是外喷雾2.18倍和2.2倍，且外喷雾存在用水量大，恶化作业面环境的弊端。使用泡沫降尘显著降低了粉尘浓度，为工人身心健康和企业安全生产提供了保障，具有良好的经济效益和社会效益。

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