平煤八矿综掘面粉尘理化特性分析及其防治方法

陈建忠 王稳飞 张军伟

（1.中国平煤神马控股集团有限公司，河南 平顶山 467000；2.平顶山天安煤业股份有限公司八矿，河南 平顶山 467000）

开采煤炭的机械化程度近年来在不断提高，生产过程中包括采煤和运输等多个环节所产生的粉尘也随之显著增加。若不采取任何处理措施，综采面的粉尘浓度最高能达到3000 mg/m3以上[1-4]，综掘面粉尘浓度可能超过 1000 mg/m3，而呼吸性粉尘浓度可达 400 mg/m3以上[5-7]。井下粉尘可能导致环境污染，引发尘爆，对工人身体健康和矿用机械的使用寿命造成危害[8-12]。国家规定井下全尘和呼吸性粉尘浓度不得超过4 mg/m3、 2.5 mg/m3。 目前常规防尘措施无法满足规定要求。因此，研究用于提高煤矿井下粉尘防治能力的技术方法，具有非常重要的意义。

1 概况

平煤八矿绝对瓦斯涌出量1.5 m3/min，相对瓦斯涌出量14.1 m3/t。己15-21050 综采工作面机巷位于二水平己一采区中部，东起二水平己一、一水平己五采区边界，西至采区下山，采用EBZ-200 掘进机按方位角118°11′17″沿己15 煤层顶板施工至切眼位置，设计长1 606.3 m，井下标高-860～ -770 m，煤层平均厚度3.6 m，平均煤层倾角12°。己15-21050 机巷支护断面规格为宽×高=5.2 m×3.2 m 的斜梯形断面，采用锚网索＋W 钢带支护。该煤层煤体硬度高，综掘机截割过程中粉尘量较大。同时，该煤层属于高瓦斯煤层，掘进过程中通风量比较大，致使现有水雾无法有效包裹截割头，造成大量粉尘逸散。逸散的粉尘严重污染了井下环境，不利于井下工作人员的身心健康。

2 综掘面产尘特性

1）掘进机截割头在破煤掘进时，高速转动的截割头破碎煤层，产生大量粉尘，煤尘在转动的截割机的作用下，不断漂浮扩散，飞扬在巷道中。这种产尘方式是造成掘进工作面粉尘浓度大的最主要原因，该处产尘量占整个掘进面产尘量的80%以上。

2）在对掘进面进行支护时，用锚杆钻机进行打钻作业，钻机钻头高速转动截割煤体，使煤体破碎，伴随煤尘产生。

3）掘进机破碎的煤块会通过胶带运输机多次转载运输到二水平己一皮带下山，在运输过程中，因摩擦和振动，使得原本相对静止的煤尘会重新飞扬起来。尤其是在有高度落差的转载点处，碎煤从高点落下过程中部分煤尘飞扬起来，落下后，煤堆受到震荡，激起煤尘。己15-21050 掘进工作面有两处高度落差的转载点，飞扬大量的煤尘，污染掘进工作面的空气。

3 粉尘理化特性研究

现场通过CCZ-20 型粉尘采样器对己15-21050机巷综掘面粉尘进行采样测试，通过全自动工业分析仪、接触角测试仪和红外光谱仪分别测试分析煤尘的工业指标参数、接触角和官能团，进一步对己15-21050 机巷综掘面粉尘的湿润性进行分析，研究其理化特性。

煤的工业分析是在规定的条件下，基本上可以分成四种组分，包括固定碳、挥发分、水分以及灰分。固定碳是指在煤中不挥发的有机物质，挥发分是指在煤中能够挥发的有机物质，水分是指煤中的水分，灰分是指煤中不可燃物质。

经煤样工业分析，己15-21050 机巷综掘面采集的尘样中水分含量仅为1.17%、灰分含量为12.47%、挥发分含量为18.84%、固定碳含量为67.52%。根据ASTM 标准（见表1），该煤种属于低挥发分烟煤。煤样中固定碳和挥发分含量较高，具有较差的湿润性。

表1 ASTM 标准

固体界面到液体内部与空气交界的切线所形成的夹角叫接触角。因固体-液体，液体-气体，固体-气体三个界面张力共同作用而达到平衡，故可推导出以下方程式：

上公式包括了液体与气体的表面张力γLG、固体与气体的界面张力γSG，固体与液体的界面张力γSL，以及液体在固体表面的杨氏接触角θ。杨氏方程被用来解释固体在液体表面的接触角θ与固体-液体、液体-气体、固体-气体界面张力之间的关系。接触角θ常被用来度量矿物表面的亲疏水性，还被用来标志煤表面的润湿性，而煤表面的润湿性对煤矿降尘有重要意义。

接触角测定采用JGW-360B 型接触角测量仪。测量前，用球磨机研磨本工作面所采煤样，得到煤粉样品；使用压片机，压力设置为20 MPa，将500 mg 煤粉持续压5 min，制成圆盘状实验样品；将待测样品放置于饱和食盐水中，静置48 h；取出样品，将样品静置于接触角测量仪平台上；在待测样品上滴上指定的润湿液；等待接触平衡时保存图像，并利用液滴法测得测试样品的接触角。

通过接触角实验测试得出：己15-21050 机巷综掘面所采尘样接触角为75.14°，进一步验证了该掘进面煤质的强疏水性。 接触角测试图如图1。

图1 接触角测试图

煤尘表面的含氧官能团类型和数量对煤的化学性质产生重要影响，含氧官能团是最为关键的表面基团之一。研究指出，以含氧官能团形式存在的有机氧对煤的性质具有最显著的影响。这些含氧官能团主要涵盖碳氧单键、羰基和羧基。煤粉在细碎过程中不断暴露新的表面，从而增加了比表面积和表面自由能，同时也引发了化学结构的变化。此外，粉尘表面疏水性官能团（芳香烃、脂肪烃等）的含量越大，煤尘越难以被湿润沉降。因此，为探究己15-21050 机巷综掘面粉尘湿润性能，本文采用红外光谱仪对现场所取煤样进行了测试。

利用Nicolet 6700 型红外光谱测试系统对己15-21050 机巷综掘面所采煤样进行测试。首先在反应池中取适量KBr 粉末，平铺在其表面，采集光谱作为基准背景。然后取出KBr 粉末，将待测样品放入漫反射样品池中并平整，启动光谱采集系统进行测试。

测试范围设置为4000～600 cm-1，分辨率为4 cm-1，背景采集为空白KBr 片。对煤样扫描次数为64 次。扫描结果通过软件基线校准、平滑处理后，为了便于分峰拟合及面积计算更准确，将谱图分成4 组，分别为波数900～650 cm-1、1800～1000 cm-1、3000～2800 cm-1、3700～3000 cm-1。采用二阶导数和傅里叶退卷积的方法拟合分离对应区间的谱图，分别对这四个区域的红外光谱进行分峰拟合，如图2。分别计算了疏水性官能团（芳香环、脂肪烃等）、亲水性官能团（羟基、羧基等）的百分比，详见表2。

图2 煤尘红外分峰拟合

表2 煤尘主要官能团占比

如图2 及表2 所示，通过对各个区间的红外光谱进行分峰拟合，得到了己15-21050 机巷综掘面粉尘的主要官能团的占比情况。其中疏水性官能团占比达到了58.37%，这说明己15-21050 机巷综掘面的粉尘具有非常强的疏水性，普通的喷雾难以使粉尘湿润沉降，导致该工作面粉尘污染严重，难以治理。

4 己15-21050 机巷综掘面除尘技术

通过对己15-21050 机巷综掘面产尘源的分析，掘进机截割头和转载点处产尘量大，针对现有喷雾喷射距离短、易于受风流影响发生飘散的问题，本文采用气水喷雾装置利用压风喷射来提高喷射距离，同时增强了溶液雾化能力。气水喷雾是一种新型的喷雾方式，它利用压力水和压缩空气作为双动力，利用特殊设计的气液两相流喷嘴将水雾化成微细水滴。具体过程是，先让气从喷嘴尾部进入，水从喷嘴旁边进入，在混合室内气水碰撞，形成第一次水滴破碎，然后从喷嘴口喷出，进入共振腔产生超声波，再次破碎水滴。气液两相流喷雾技术具有以下特点：1）水雾粒径小，沉降呼吸性粉尘效果较好；2）相比普通喷雾系统，耗水量大幅降低，节省成本和资源； 3）气液两相流喷雾系统的安装相对简单，能充分利用煤矿下气水管路；4）维护和保养方便，寿命更长，所形成的雾场能有效覆盖截割头。

同时，对转载点也采取了负压抽吸喷雾装置，增强了溶液雾化性能。针对现有水喷雾湿润煤尘能力差的问题，与中国矿业大学合作研发了基于磁化与表面活性剂协同增效作用的活性磁化水降尘溶液。活性磁化水是一种水基降尘介质，通过在磁场环境中使含有少量活性添加剂的溶液以特定速度穿过制备而成。其降尘机理在于改善水的湿润性能，活性添加剂通过自身携带的亲水基和亲油基，以化学手段调整水的湿润性质。

活性磁化水降尘技术具体实施流程图如图3，主要由活性添加剂的供给装置、溶液混合装置、磁化装置及高效雾化装置等构成。

图3 新型活性磁化水喷雾系统现场布置

首先，活性剂添加系统通过调节系统的进水阀门及定量泵转速并结合玻璃转子流量计来调节活性添加剂与水的配比，保持活性添加剂的浓度始终维持在0.03%；接着，活性剂溶液经过过滤器过滤，通过磁化装置制备，得到降尘所需的活性磁化水；最后，通过分流器将水一部分输送到转载点喷雾，另一部分与压风一起汇集到气水喷雾装置，形成良好的喷雾场对不同尘源进行水雾覆盖，达到高效降尘的目的。

5 己15-21050 机巷综掘面现场应用

为了验证活性磁化水喷雾降尘技术对己15-21050 机巷综掘面的降尘效果，在该综掘工作面布置3 个测点（1 号测点位于掘进机司机处，2 号测点位于掘进机后方10 m 处，3 号测点位于掘进机后方20 m 处）。通过CCZ-20 型粉尘采样器对其进行采样称重测量，分别监测无措施、使用该工作面原有降尘措施和研发的活性磁化水降尘系统前后的粉尘浓度。通过公式（2）计算降尘效率。原有措施及新技术降尘效率对比如图4。

图4 原有措施及新技术降尘效率对比

式中：η为降尘效率，%；c、c1分别为降尘前后粉尘浓度，mg/m3。

通过对3 个测点进行采样测试，得出采用新型活性磁化水喷雾降尘效率有了明显提高的结论。相对于原有喷雾，呼吸性粉尘、总粉尘降尘效率分别提高了35%、30%以上，整体平均降尘效率达到了86.45%、81.39%，显著改善了井下工作环境，为综掘面从业人员，尤其是掘进机司机的身心健康提供了有力的保障。

6 结论

1）研究了平煤八矿己15-21050 机巷综掘面的产尘特性，通过实地调查结合相关资料得出综掘面主要产尘点为掘进机截割头处和转载点处。其中掘进机截割头处的产尘量占综掘工作面总产尘量的80%以上。

2）研究了己15-21050 机巷综掘面煤尘的理化特性，通过煤的工业分析、接触角试验以及红外光谱测试，测试结果表明该煤种挥发分和固定碳含量较高，同时疏水性官能团占比达到了58.37%，证明己15-21050 机巷综掘面粉尘的湿润性较差，普通的矿用水难以湿润煤尘。

3）针对己15-21050 机巷综掘面的产尘特性以及煤尘的较差的湿润性，构建了新型活性磁化水喷雾系统。现场应用表明，该新型喷雾降尘技术能显著改善综掘面工作环境，对总粉尘、呼吸尘降尘效率分别达到86.45%、81.39%。