泡沫抑尘技术在综掘工作面的应用

文/张书国

随着《职业危害防治法》的实施，煤矿的粉尘防治工作被提到了前所未有的高度。但是，由于粉尘危害的长期性和隐蔽性，造成一些煤矿对粉尘的危害认识不足，加之全国各地的防治水平发展不平衡，长期以来，我国对煤矿粉尘危害的治理仍不容乐观。大多数煤矿井下作业场所的粉尘浓度远未达到国家卫生标准。即使一些生产条件好的煤矿，其综采、综掘工作面的粉尘浓度仍较高，尘肺病的发病率仍在逐年上升，煤尘爆炸事故仍有发生，与世界主要产煤国家相比，存在着明显的差距。

从泡沫抑尘技术的原理及在邢台矿综掘工作面的实际应用情况看，泡沫抑尘技术是一种推广前景广阔的粉尘防治新技术，对减少矿井职业危害，创造良好的作业环境具有重要作用。

一、泡沫抑尘技术的原理

泡沫抑尘是采用封闭孔隙的泡沫体覆盖尘源，使得刚产生的粉尘迅速得到湿润和沉积，其抑尘过程是利用表面活性物与水混合后，用发泡装置射向尘源。

泡沫之所以能捕集到粉尘，主要是靠惯性碰撞、截留、扩散、黏附、重力沉降等多种机理综合作用的结果。对于大颗粒粉尘在低速条件下，截留和重力起主要作用，而对于微细粉尘，扩散、静电力等因素起主要作用。由于生成的泡沫体积很大，能大大增加尘粒与泡沫表面的相互作用几率，延长相互作用的过程，由此不仅易于隔绝尘源，而且易于润湿最小的粉尘粒。

1.惯性碰撞效应

建立模型是假设尘粒没有质量，只有体积，而在惯性碰撞时正好相反。因此在惯性碰撞中，假设有质量为mp的粒子沿流线运动绕流时，由于惯性作用而偏离流线，与泡沫相撞而被捕集。

2.截留效应

截留机理认为，粒子有大小而无质量或粒径小于5μm时，不同大小的粒子都跟着气体的流线而流动。当流动的气体对着泡沫流动时，气流将在泡沫的上游折转而绕泡沫流过。如果在某一流线上的粒子中心正好能接触到泡沫，则该粒子被截留。

3.扩散效应

微细尘粒在气流中受到热运动的气体分子撞击后，并不均衡地跟随流线，而是在气体中作布朗运动。由于这种不规则的热运动，在紧靠泡沫附近，微细尘粒可能与泡沫相碰撞而被捕集，称为扩散效应。随着粉尘颗粒减小，流速减慢，温度增加，尘粒的热运动加速，从而与泡沫的碰撞概率也就增加，扩散效应增强。

4.黏附效应

泡沫外表面具有黏附粉尘的功能，当具有一定速度的泡沫向粉尘运动，粉尘经过碰撞、截留和扩散等一系列作用后到达泡沫表面，被泡沫所黏附。

二、泡沫抑尘技术在邢台矿的实际应用

泡沫抑尘技术先后在邢台矿7905工作面溜子道、7111工作面运料巷和7620轨道上山等地点进行了试验应用。以具有代表性的7905工作面为例，该面位于邢台矿西南部，设计为走向长壁综采工作面，走向长度670m，煤层厚度6.2m，采用分层开采，上分层巷道为矩形断面，规格为宽×高=4m×3m，锚网支护，煤层倾角25°，瓦斯绝对涌出量0.8m3/t。

为了证实泡沫抑尘技术的应用效果，对喷雾灭尘、除尘风机和泡沫抑尘三种抑（除）尘方式进行了比较试验，分别测得工作面后方5m处的粉尘浓度。

1.影响泡沫抑尘效果的主要因素

影响泡沫抑尘效果的主要因素有粉尘粒径和速度，泡沫的湿润性、黏附性、直径大小等。可以通过改进泡沫表面活性剂的特性、增加发泡倍数、增大发泡量等方法来提高泡沫抑尘效率。工作面粉尘浓度除了与掘进机工作参数和煤岩的性质有关外，还与切割方法、截割煤岩深度、破碎程度、工作面风流速度等多种因素有关，因此，在采用泡沫抑尘的同时可以通过改善其他因素的条件来增加抑尘效率，例如试验中发现应用附壁风筒改变风流速度能有效提高抑尘效果。

2.泡沫抑尘技术的实际应用效果

通过现场试验，泡沫抑尘技术可以在掘进工作面煤壁喷上一层泡沫，使掘进机的截割头始终在泡沫中工作，产生的煤尘在第一时间被泡沫包围，随煤流外运，避免煤尘漂浮，进入回风流中。试验结果表明，采用泡沫抑尘技术，抑尘效果是喷雾灭尘的13.5倍，是采用除尘风机的3.9倍，抑尘效果理想。

现场试验表明，泡沫抑尘技术具有操作简单的特点，只需将泡沫发生器用磁铁吸附在掘进机上，接通压风和水即可，使用时按量加入泡沫液，不用外接电源，比除尘风机减少了供电负荷，可以在高瓦斯掘进工作面使用，不用再铺设除尘风筒，更加安全可靠。产生的泡沫无毒无副作用，在随煤流外运过程中，快速破裂，不会对人体和煤质产生任何影响。掘进机司机视线清晰，工作状况得到很大改善。

通过计算，在正常施工条件下，采用泡沫抑尘每掘进1m煤巷（12m2），需要增加除尘费用约20元，与除尘风机的费用基本相当。随着操作技能不断熟练，其费用可能有所降低。

泡沫抑尘减少矿井职业危害，创造良好作业环境

三、泡沫抑尘技术的推广应用前景

目前，我国采掘工作面的粉尘占矿井总产尘量的80%以上，对职工的身心健康造成严重危害，超过了国家规定的卫生标准，存在导致尘肺病的重大隐患。

传统的喷雾降尘，用水量大，工作面非常潮湿，环境恶化，在降尘的过程中，容易使职工患上风湿疾病。除尘风机除尘，受到巷道断面和煤层瓦斯涌出量的限制，不能在第一时间消灭煤尘。

因此煤矿迫切需求一种高效经济的抑尘手段，而泡沫抑尘能够大大提高机械化采掘工作面的抑尘效率，节约水源，为采掘工作面创造良好的工作环境，提高井下作业人员的工作效率，同时降低采掘一线职工患职业病的概率，是一种理想的抑尘方法，能够有效解决我国煤炭行业粉尘灾害严重且治理困难的问题，适合在煤炭行业大范围推广。