矿井综合防尘新技术及其进展.doc

矿井综合防尘新技术及其进展作者：权继业（中国矿业大学 安全工程学院 安全09-1班 学号：16095887）摘要：由于采煤机械化程度提高带来的煤尘增加和具有煤尘爆炸性的特点, 通过对采煤机组外喷雾装置的改进、采煤工作面运煤转载点的水幕制作、工作面溜子道进行电磁和运煤一体化控制、泡沫液对粉尘湿润性研究, 以及根据不同煤层、媒质确定不同的注水方法等综合防尘除尘实验, 除尘率达到90 %以上, 为工作面创造了良好、安全的生产环境。从与传统除尘方法对比的角度分析了泡沫除尘的优越性，通过设计较为合理且方便操作的实验过程，初步掌握了不同粒径粉尘的沉降规律，确定了最适型表面活性剂及其浓度。关键字：煤尘; 工作面; 粉尘浓度; 泡沫液；喷雾装置随着煤炭资源需求量的增大和煤矿机械化程度的提高，在煤矿生产过程中，如采煤、巷道掘进、运输等几乎各个环节中都会产生大量的粉尘，而这些粉尘对煤矿正常生产及工人的生命安全健康带来巨大的危害。长期从事采掘和粉尘作业环境的职工容易患职业病尘肺病；在采、掘等粉尘作业环境中，若矿尘在空间达到较高的浓度，影响视野，操作时容易造成人身事故；若矿井中粉尘浓度在爆炸极限范围内容易引起煤尘爆炸，爆炸产生的冲击波还有可能引起二次爆炸，产生有毒有害气体，释放大量能量造成大程度的破坏和焚烧及环境污染。据国家煤矿安全监察局、中华全国总工会、中国职业安全健康协会的一项联合调研显示，多数煤矿井下粉尘浓度严重超标，自1983年至2008年，煤尘最高浓度范围1983420 mg/m3，超过国家标准49.5855倍。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，且以每年新增1到 2 万例的速度增长。全国每年因尘肺病造成的直接经济损失达80亿元，间接损失达300亿至400亿元。据不完全统计，自2000年以来全国发生特大煤尘爆炸的事故有15起，造成960多人死亡，而我国具有煤尘爆炸危险性的矿井普遍存在，在全国煤矿中，国有重点煤矿有532处矿井的煤尘具有爆炸危险性，占87.4%。因此，降低煤矿粉尘浓度，贯彻“安全第一,预防为主,综合治理”的安全生产方针，树立“粉尘超标也是事故”的新理念，坚持预防为主、源头治理，从根本上保障煤矿职工生命安全与健康迫在眉睫。开展煤矿除尘技术的研究，对遏制矿尘危害，保障矿井安全生产具有十分重要的意义。 1 . 对采煤机组外喷雾装置的改进研究 对于采煤机的综合防尘问题, 在全国都没有很好的解决办法。因此, 针对目前采煤机普遍存在着内外喷雾不能正常、有效地降低在割煤时粉尘浓度问题, 我们经过在实践中的不断摸索, 将原来的普通机组外喷雾装置, 经过反复不断的试验和改进,为采煤机组研制安装了“移动式风水炮弹”。即:将高压水和高压风通过软胶管接到采煤工作面, 把自制的喷雾装置安设到采煤机端头位置, 使所喷的水雾能覆盖整个滚筒。将喷雾装置制作成“蜂窝状”, 在靠近滚筒和煤壁的方向“蜂眼”适当多一些, 风的压力不低于016MPa , 水的压力不低于4MPa 。这样, 当机组割煤时, 机组司机打开高压水和压力风的阀门, 经过充分混合, 形成强大的风水混合物, 将机组割煤时产生的煤尘进行有效捕获。 通过实施“气水喷雾装置”, 治理轻放回采工作面的粉尘, 收到了如下效果。工作面在回采期间, 大大降低了产尘率, 同一测点的降尘率达到9417 %, 为工作面创造了良好的安全生产环境。该种方法简便可行, 成本低, 具有很好的应用和推广价值。目前, 我矿在回采工作面已全面推广使用。保护了职工的身体健康, 减少了职业危害,为职工创造了良好的工作环境和空间。不仅起到了降尘的作用, 而且还冲淡了煤壁积存的瓦斯和滚筒割煤时的温度, 杜绝了瓦斯、煤尘事故的发生, 取得明显的经济和社会效益。2 . 采煤工作面运煤转载点水幕试验研究 (1) 工作面溜子道实现了电磁和运煤一体化控制 根据轻放工作面生产时, 煤量大、产尘率高的特点, 在回采工作面皮带机道各个转载点, 安装了电磁控制器喷雾装置, 当工作面开始生产皮带转动时, 只要喷雾装置的接触点与皮带面接触, 喷雾就开始依据皮带转动的快慢, 进行洒水降尘。同时,当喷雾出现故障不能使用时, 皮带也就不能正常运转, 实现了皮带运转与喷雾洒水一体化。通过电磁和运煤一体化控制, 使转载点的喷雾得到良好控制, 有煤时喷雾能自动打开, 有效地进行捕尘; 没有煤时, 喷雾自动关闭, 很好解决了有煤时不喷雾造成煤尘飞扬, 没煤时喷雾造成巷道积水问题。与此同时, 通过对粉尘浓度的现场测定, 确定了喷头距转载点的高度和喷头的倾斜角度与喷头数量之间的关系, 以及喷头洒水捕获粉尘的浓度所产生的不同效果。见表1 。表1 回采工作面转载点喷雾降尘效果测定表喷头距转载点高度/ m喷头架与垂直方向倾斜角/ 喷头个数/ 个雾化转载点的面积/ m2喷雾水压/ MPa测尘时间/ min粉尘测定浓度/ mg/ m3国家标准/ mg/ m3提高降尘率/ %0.30.40.52025301230.100.250.404441010106.84.22.410101061.969.675.0 通过表1 可以看出, 当喷头架距皮带落煤点015m , 且与垂直方向夹角为30喷头数量为4 个时, 降尘效果最佳, 降尘率达到75 %。(2) 合理选择水幕喷头在净化水幕喷头合理选用上, 选用了两种不同类型的喷头进行试验, 一组为铜质农用喷头, 一组为普通塑料喷头, 经过实际测定, 找出了适合工作面巷道降尘的有效方法。具体测定结果见表2 。表2 使用不同类型的喷头对降尘效果的影响喷头类型喷头个数雾化巷道断面积/ %水压/ MPa测尘时间/ min测尘浓度/ mg/ m3使用效果铜质农用喷头23450751004441010106.84.41.5良好良好良好普通塑料喷头2343045674441010108.86.55.3良好良好良好 通过上述试验表明, 铜质喷头使用长久, 喷雾降尘效果好。3 确定不同的注水方法试验研究 根据煤层的性质, 一般都采取长臂注水的方法。在对大煤煤层实施长臂注水时, 由于煤层较松软, 易塌孔, 很难形成长臂注水钻孔, 效果不理想, 针对这种情况, 试用了短臂注水方法。每天早班, 采区安排专门人员打短臂注水钻孔, 沿工作面每隔5m 布置一个注水孔, 孔径为42mm ,孔深为215m。通风区, 每天早班安排专人进行注水工作, 封孔方法采用封孔器进行封孔, 有专门的注水泵进行动压注水, 水压为5MPa , 注水时间为34h , 每个孔注水15min 。通过一段时间的试验,取得明显效果, 探索出一条新的煤体注水途径。在大煤煤层, 通过对172102 工作面长、短臂注水效果测定, 我们可以看出, 针对大煤煤层的特殊条件, 短臂注水与长臂注水相比较, 具有如下特点。操作简单, 工人劳动强度小。注水效果非常明显, 是长臂注水量的两倍以上。能够实现全工作面均匀注水。由于煤层得到充分湿润, 煤层裂隙增大, 使瓦斯得到充分释放, 有利于减少瓦斯事故发生。4. 泡沫液对粉尘湿润性研究4.1煤矿粉尘防治新技术采煤工作面是煤矿井下作业人员和电气机械设备高度集中的工作场所，也是连续产尘强度较大的作业场所，造成如此高的粉尘浓度主要原因有采煤机的切割和装载、周期性移架、运输机的载运和转载等。为了降低粉尘浓度，目前掘进工作面采用的减尘措施主要有煤层注水、采空区灌水、湿式打眼、水封爆破、捕尘罩等，降尘措施有采掘机内外喷雾、放炮喷雾、装岩洒水、净化水幕等，除尘器除尘，通风除尘与个体防护等。煤矿综合防尘的实践表明，采取上述防尘技术措施可以取得显著降尘效果，但也存在一定的不足。喷雾除尘的喷头容易堵塞, 对呼吸性粉尘除尘效率低；除尘器除尘有用的物料不能干法回收，不适用于除去黏性粉尘和水硬性粉尘，污水和泥浆处理比较困难；通风除尘只是将粉尘稀释，将粉尘从一个地方转移到另一个地方，呼吸性粉尘将长时间漂流在空气中, 并没有从根本上解决粉尘，且需要选定最优排尘风速，注意尽量减少再次扬尘等。利用这些技术，要进一步提高降尘效率，将粉尘浓度降低到符合相关的安全卫生标准，却变得十分困难。针对这一现状，世界各国已开始研究应用物理化学方法降低矿井粉尘的新技术措施，泡沫除尘因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, 得到较快发展。泡沫除尘是用无空隙的泡沫覆盖尘源，因泡沫的体积和面积很大，能增加雾液与尘粒的接触面和附着力，尤其是对呼吸性粉尘的捕捉能力突出，使粉尘得以润湿、沉积，失去飞扬能力，提高了水雾的除尘效果。泡沫除尘具有降尘效率高、耗水量小等显著优点，与传统除尘技术相比，泡沫除尘不但克服了除尘器体积庞大、噪音大的缺点，兼有普通喷雾和化学抑尘的优点, 而且还具有以下特点。当泡沫喷洒到岩石或料堆上时, 造成无空隙的泡沫体覆盖尘源, 从根本上抑制粉尘的产生；当泡沫液喷洒到含尘空气中时, 则形成大量的泡沫粒子群, 其总体积和总面积增大, 增加了与尘粒的碰撞效率；泡沫的液膜含有发泡剂, 能大幅度降低水的表面张力, 发泡剂分子在水溶液和粉尘颗粒接触的界面上吸附, 迅速改变粉尘的湿润性能, 增加了粉尘被湿润的速度；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, 从而也增加了泡沫和粉尘的粘附效率，在湿润以后能够把粉尘黏附成块状，从而防治了粉尘的二次扬尘。泡沫对一般粉尘的除尘效率可高达90% 以上, 对呼吸性粉尘也可达到85%以上, 大大高于喷雾除尘4.2湿润机理1、粉尘粒子的特性1）物理性质固体和液体不同，液体只要处于静止，其表面就一定是光滑和均匀的，固体的表面却极不规则。和块状固体相比，颗粒表面的结构、构造复杂化的程度更突出。破碎、研磨形成的矿尘量和尘粒形状在很大程度上由母料的性质决定。煤炭随着碳化程度的提高，破碎后产生的小粒径粉尘的比例在不断的增加，粉尘的分散度在不断的增大，比表面积增大。颗粒较大的粉尘容易被除尘设备捕获和湿润，而对矿井职工最具危害的呼吸性粉尘粒径和质量都非常小，这类粉尘的表面化学性质对其湿润性和被捕获性都有着重要的影响。2）化学性质煤尘表面主要存在3类基团，即脂肪烃、芳香烃和含氧官能团。煤尘表面大量的脂肪烃、芳香烃等疏水性基团，是导致煤尘表面具有较强的疏水性的根本原因；而煤尘表面含有的羧基、羟基、羰基等含氧官能团，使煤尘具有一定的亲水性。煤经过采煤机的破碎产生粉尘的过程中，煤复杂的分子结构中较长的分子链会断裂，导致煤尘的表面存在不同的官能团，官能团的极性不一样，这些基团的电离，导致煤尘表面的带电并表现出不同的荷电性质，而煤尘的荷电性质又影响着煤尘的湿润性能。2、表面活性剂性质表面活性剂是一类即使在很低浓度时也能显著降低表面张力的物质，根据其在水溶液中能否解离及解离后所带电荷分为非离子型、阴离子型、阳离子型和两性离子型等，其分子结构均由两部分构成。表面活性剂溶于水时，其分子完全被水分子包围，其亲油基与水相斥而离开水伸向空中，于是表面活性剂分子在液膜表面形成紧密排列的定向排列层，即界面吸附膜，使水的表面层分子与空气的接触状态发生变化，接触面积显著缩小，大幅度降低液膜的表面张力。这样伸向空气中的疏水基则容易与粉尘颗粒发生接触，疏水基在水和尘粒之间连通，冲破尘粒表面吸附的空气膜，促进了液膜中的水对尘粒的润湿、凝结面积。3、捕尘机理1）惯性碰撞含尘气流在运动过程中如果遇到液滴会改变气流方向，绕过物体进行流动。气流运动轨迹由直线变为曲线，粒径较大的尘粒具有较大的惯性，脱离气流的流线保持直线运动，如果尘粒从脱离流线到停止运动所移动的距离大于尘粒脱离流线的点到液滴的距离，则尘粒就会和液滴碰撞，从而被捕集。2）直接拦截在流体绕流流过捕尘体时，若尘粒半径大于或等于该流线与捕尘体表面之间的最小距离，则颗粒便可被直接拦截。3）扩散效应粒径较小的尘粒，惯性碰撞数很小，扩散成为重要的捕集因素。在气体分子的撞击下，尘粒就像气体分子一样做复杂的布朗运动，在运动过程中，尘粒与液滴接触而被捕集。4）粘附效应当具有一定速度的泡沫向粉尘运动，经过碰撞、截留和扩散等一系列作用后到达泡沫表面, 被泡沫所黏附。由于泡沫质量的不断增加, 并在重力的作用下, 一部分泡沫直接落到地面上, 而另一部分由于泡沫上表面液膜逐渐变薄直至破裂, 最终形成许多包裹粉尘的泡沫小碎片降落到地面。泡沫之所以能捕集到粉尘, 主要是靠截留、惯性碰撞、扩散、黏附、重力沉降等多种机理综合作用的结果。4.3、粉尘湿润特性与机理粉尘的湿润过程可以从宏观和微观两个角度进行分析，从宏观角度来说，润湿是一种流体从团体表面置换另一种流体的过程。从微观的角度来看，润湿固体的流体，在置换原来在固体表面上的流体后，本身与固体表面是在分子水平上的接触，它们之间无被置换相的分子。而流体对固体的湿润程度要取决于液体分子对固体表面作用力的大小，而对同一粉尘而言，液体分子对尘粒表面的作用力又与液体的力学性质即表面张力大小有关，表面张力越小的液体越容易被湿润。表面活性剂能显著地降低水的表面张力，是因为表面活性剂的主要成份是由具有亲水性的极性基团和具有疏水性的非极性基团所组成的有机化合物如图1所示，当表面活性剂溶于水中后，会在水的表面发生吸附。亲水基团由于受到极性很强的水分子的吸引，有进入水里的趋势。而非极性的疏水基团由于其疏水作用，有进入非极性的气相里的趋势。极性基湿润剂分子具有非极性的亲油基和极性的亲水基，表面活性剂溶于水时，其分子完全被水分子包围，根据极性相似相吸的原理，亲水基一端被水分子吸引，其亲油基（疏水基）与水相斥而离开水伸向空中，于是表面活性剂分子在液膜表面形成紧密排列的定向排列层，即界面吸附膜，使水的表面层分子与空气的接触状态发生变化，接触面积显著缩小，大幅度降低液膜的表面张力；这样伸向空气中的憎水基则容易与粉尘颗粒发生接触，疏水基在水和尘粒之间架起“通桥”，冲破尘粒表面吸附的空气膜，促进了液膜中的水对尘粒的润湿、凝结面积。泡沫与尘粒的作用过程如图2所示。图1常见的表面活性剂分子结构图2泡沫与粉尘颗粒的作用过程5 效果及展望 1、 做好综合防尘工作, 不仅给井下生产创造良好的工作环境, 为降低和消除煤矿工人的职业病, 提高煤矿工人的生活质量尤为重要, 同时也为集团公司创造了间接的经济效益。据有关资料介绍, 一个尘肺病患者, 一年需要的治疗费用在1500 万元左右, 按现在的工资标准计算, 1 年支付其工资在1 万元左右, 比较严重的患者需要的费用更高。而且, 随着矿井机械化水平的不断提高, 尘肺病的发病率也随之增加。这样, 1 个尘肺病患者, 每年需要的费用达215 万元以上。所以, 尘肺病患者给煤矿带来的经济负担就可想而知了。由于粉尘的危害, 连续多年来, 集团公司尘肺病造成的死亡人数是企业职工的510 倍, 仅2001 年就有105 人死于尘肺病, 一年就给企业造成300 万元的负担。 2、采、掘工作面实现综合防尘自动化, 虽然看起来一次性投资较大, 但防尘设施可以长期使用, 同时, 减少了工时。例如: 我们在172102 回采工作面使用普通喷雾装置时, 在工作面溜子道每个生产班需要3 个人进行喷雾装置的维修和看护,维修班需要1 人; 这样每天用于防尘的人员需要7个工时; 而在工作面溜子道安装电磁控制自动喷雾装置后, 每天只需要3 个人进行维修和看护, 1 天减少4 个工时, 每个工时按40 元计算, 1 天节约工资160 元, 1 个月节约工资4800 元, 1 年节约工资5184 万元。这只是例举172102 一个工作面, 在全集团公司采掘工作面全面实施自动喷雾装置, 可以创造出可观的经济效益。3、 搞好矿井的综合防尘工作, 不但降低尘肺病的发病率, 而且最大限度地降低瓦斯、煤尘事故的发生机率, 确保矿井的安全生产, 这个无形的社会效益是任何东西也换不来的, 它所产生的社会效益具有重大和深远的意义。4、目前，随着人们逐渐意识到粉尘的危害性和危险性，针对粉尘的研究和讨论也越来越深入，除尘和补尘的方法也得到了