高性能降尘泡沫的制备及应用研究

王和堂，王德明，陈 贵,，任万兴

(1.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.淮北矿业股份有限公司朱仙庄煤矿，安徽 宿州 234111)

矿尘是煤矿生产中面临的主要自然灾害和职业危害之一,其危害主要表现为引发煤尘爆炸和矿工尘肺病。目前，煤矿普遍采用的水喷雾方法对呼吸性粉尘的降尘率低、耗水量大且喷嘴容易堵塞、故障率高，导致煤矿井下粉尘防治效果较差，作业场所的粉尘浓度频繁超标[1-3]。因此，研发并应用高效防尘材料具有十分重要的意义。

泡沫降尘作为一种新兴防尘技术，兼具水喷雾和化学抑尘的优点，同时具有拦截、湿润、黏附、沉降粉尘的优良作用，尤其是对呼吸性粉尘具有很强的捕获能力，降尘效率高且耗水量小[1,4-5]。但由于缺乏操作简便、安全可靠的泡沫制备方法与应用工艺，致使该技术的发展受到较大制约[6]。基于此，本文在课题组研制出降尘用发泡剂、发泡器和泡沫喷头的基础上，在实验室构建了泡沫制备试验系统，进行了降尘泡沫的制备试验与测试，并在煤矿井下掘进工作面进行了应用。

1 试验系统

如图1所示，降尘泡沫制备试验系统由储水池、螺杆泵(提供压力水，流量0～5m3/h、压力1.2MPa)电磁流量计(实时测试水量，测量范围0.5～12m3/h)、螺杆式空压机(提供高纯压缩空气，排气量150m3/h、压力0.5MPa)、气体涡街流量计(实时测试气体流量，测量范围35～300m3/h)、发泡剂容器、微型质量流量计(实时测试发泡剂的质量流量，测量范围0～40kg/h)、发泡剂自动添加装置、泡沫发生器(发泡器)、泡沫喷头及喷头架、压力表、调节阀和若干连接管件组成，其中发泡剂添加装置、泡沫发生器、泡沫喷头和喷头架均为中国矿业大学通风与防灭火研究所矿尘防治课题组自行研制。通过精密流量计和压力表，可实时获取试验系统中水、气的流动参数；该试验系统可较大范围地调节压力水与压缩空气的流量和压力，较好地模拟煤矿现场使用条件。

2 制备试验

2.1 制备原理与流程

首先将储水池中的清水抽入试验管路中，当管路中的水流经发泡剂添加装置时，添加装置依靠流水流自身的流动功将发泡剂自动、连续地添加至水管路中，发泡剂与压力水混合后，形成均匀的泡沫液，泡沫液流入发泡器后，经过发泡器内文丘里管喉部时流速增大，形成射流、卷吸而将空压机产生的压缩空气由文丘里管扩散段的小孔均匀进入，泡沫液-压缩空气经过发泡器内的扰流器和多个障碍板时发生强紊流而充分混合，迅速发泡生成降尘泡沫，降尘泡沫在压力驱动下由高压胶管输送至喷头架，经安装于喷头架上的若干个专用泡沫喷头喷出。

2.2 试验结果及分析

采用上述试验系统，通过螺杆泵和调节阀1改变供水流量，通过调节阀2改变供气量，通过发泡剂添加装置的针型阀调节发泡剂的吸入量，经过反复调试，最终制备出高质量降尘泡沫。

在制备出高性能泡沫的前提下，多次测量制备过程所需的压力水和压缩空气的体积流量、发泡剂质量流量等数据，并计算发泡剂的添加比例和泡沫的发泡倍数，如表1所列。

表1 降尘泡沫制备实验数据及计算值

结合表1中数据，并进行重复测试，得到降尘泡沫制备的主要技术参数如下：①供水流量(耗水量)1.5～3.0m3/h，压力0.4MPa以上；②供气流量(耗气量)50～130m3/h，压力0.35MPa以上；③发泡剂添加比例0.5%～1%(质量比)；④发泡倍数40～50倍。

3 应用实例

朱仙庄煤矿目前设计生产能力245万t/a，是淮北矿区的主力生产矿井之一。该矿正在掘进的北翼皮带机运输大巷和810采区总回风下山均为全岩巷道，净断面积均为15.84m2，属典型的大断面岩石巷道，大功率综掘机在截割岩石过程中产生大量高浓度粉尘，初始产尘浓度最高达1200mg/m3以上，且粉尘分散度高(5μm以下的呼吸性岩尘所占比重大)，实施掘进机内外喷雾降尘效果较差，降尘效率仅为25%左右，大量呼吸性岩尘弥散于工作面，对工人的身体健康构成严重危害。为了高效防治掘进工作面粉尘，朱仙庄矿应用了泡沫降尘新技术，通过在掘进机上安装构建结构紧凑的泡沫制备系统(由工作面压风管路、压水管路、发泡剂箱及发泡剂添加装置、泡沫发生器、泡沫输送及分配管路、泡沫喷头及其固定架组成)，制备出的大流量高黏性泡沫经布设于掘进机截割机构周围的若干只专用泡沫喷头喷射而出，有效包裹、覆盖综掘机截割部尘源并快速黏附、沉降尘源附近空气中的浮尘。

该制备方法与工艺以掘进工作面现有的压风、压水为动力，无需外加动力设备添加发泡剂和产生泡沫，在煤矿井下应用时只需将压风、压水管路进入泡沫制备系统即可，操作简单、稳定可靠、本质安全，且充分利用了泡沫自身的压缩与膨胀特性，制备出的降尘泡沫既不易破裂，也不会雾化，喷射距离远、扩散范围大，可实现对掘进机截割产尘的高效捕捉，具有很强的实用性。

应用结果表明，在掘进机司机位和机组后回风侧5m处，泡沫对总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率达到85%和80%以上，约为掘进机内外喷雾降尘的3～4倍，大幅度降低了掘进迎头的粉尘浓度，能见度显著提升，明显改善了掘进工作面的作业环境；此外，井下制备降尘泡沫所需水量为2.0～2.5m3/h，仅相当于掘进机内外喷雾耗水量的30%～40%，大大节约了防尘用水量，解决了因积水过多而导致的环境恶化和综掘机下陷问题，保障了巷道的正常乃至快速掘进。

4 结论

以实验室自主建设的降尘泡沫制备试验系统为研发平台，提出了一种操作简单、本质安全、高效可靠的泡沫制备方法与应用工艺，非常适用于煤矿井下复杂环境条件下的粉尘治理；通过反复试验与测试，制备出了高性能降尘泡沫，并得到了泡沫制备的主要技术参数；在朱仙庄矿综掘工作面的应用实践表明，高性能降尘泡沫对粉尘具有很强的拦截、包裹、湿润、黏附能力，克服了喷雾降尘技术的不足，实现了对掘进工作面总粉尘和呼吸性粉尘的的高效防治，显著提升了作业场所的能见度，为保障工人的身体健康和巷道的快速掘进提供了一项新的关键技术手段。

[1]中国煤炭工业劳动保护科学技术学会.矿井粉尘防治技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[2]李德文,马骏,刘何清.煤矿粉尘及职业病防治技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[3]李晓豁.截割粉尘成因与控制方法研究[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[4]Kissell F N.Handbook for Dust Control in Mining[M].Washington D.C:U.S.Department of Human Health Services,2003.

[5]F.W.Parrett.Foam suppressants-an alternative for dust control[J].Industrial Minerals,1986(2):52-53.

[6]王和堂,王德明,任万兴,等.煤矿泡沫除尘技术研究现状及发展趋势[J].金属矿山,2009,402(12):131-134.