2023年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 权继业 〔中国矿业大学 安全工程学院 安全09-1班 学号：16095887〕 ：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良、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, 除尘率到达90 %以上, 为工作面创造了良好、安全的生产环境。从与传统除尘方法比照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，确定了最适型外表活性剂及其浓度。 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，假设矿尘在空间到达较高的浓度，影响视野，操作时容易造成人身事故；假设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燃烧及环境污染。 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2023年，煤尘最高浓度范围198～3420 mg/m3，超过国家标准49.5～855倍。据卫生部的不完全统计，截至2023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2023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良研究 对于采煤机的综合防尘问题, 在全国都没有很好的解决方法。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良,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, 机组司机翻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。①工作面在回采期间, 大大降低了产尘率, 同一测点的降尘率到达9417 %, 为工作面创造了良好的安全生产环境。②该种方法简便可行, 本钱低, 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。③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, 有煤时喷雾能自动翻开, 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/ % 0.3 0.4 0.5 20 25 30 1 2 3 0.10 0.25 0.40 4 4 4 10 10 10 6.8 4.2 2.4 10 10 10 61.9 69.6 75.0 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, 降尘效果最正确, 降尘率到达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 2 3 4 50 75 100 4 4 4 10 10 10 6.8 4.4 1.5 良好 良好 良好 普通塑 料喷头 2 3 4 30 45 67 4 4 4 10 10 10 8.8 6.5 5.3 良好 良好 良好 通过上述试验说明, 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Φ42mm ,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3～4h , 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拟, 具有如下特点。①操作简单, 工人劳动强度小。②注水效果非常明显, 是长臂注水量的两倍以上。③能够实现全工作面均匀注水。④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说明，采取上述防尘技术措施可以取得显著降尘效果，但也存在一定的缺乏。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，污水和泥浆处理比拟困难；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, 得到较快开展。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, 那么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, 能大幅度降低水的外表张力, 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, 对呼吸性粉尘也可到达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，其外表就一定是光滑和均匀的，固体的外表却极不规那么。和块状固体相比，颗粒外表的结构、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，比外表积增大。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，这类粉尘的外表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 煤尘外表主要存在3类基团，即脂肪烃、芳香烃和含氧官能团。煤尘外表大量的脂肪烃、芳香烃等疏水性基团，是导致煤尘外表具有较强的疏水性的根本原因；而煤尘外表含有的羧基、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，导致煤尘的外表存在不同的官能团，官能团的极性不一样，这些基团的电离，导致煤尘外表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、外表活性剂性质 外表活性剂是一类即使在很低浓度时也能显著降低外表张力的物质，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，其分子结构均由两局部构成。 外表活性剂溶于水时，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，于是外表活性剂分子在液膜外表形成紧密排列的定向排列层，即界面吸附膜，使水的外表层分子与空气的接触状态发生变化，接触面积显著缩小，大幅度降低液膜的外表张力。这样伸向空气中的疏水基那么容易与粉尘颗粒发生接触，疏水基在水和尘粒之间连通，冲破尘粒外表吸附的空气膜，促进了液膜中的水对尘粒的