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[摘 要]煤矿掘进工作面施工过程中采用综掘机截割部喷射泡沫进行降尘，生产使用过程中发泡剂与配水量比值太大造成泡沫剂浪费、发泡剂与配水量比值过小又不能有效地降低综掘机截割部产生的煤尘，且配水量过大容易造成煤炭稀释成流状，形成稀货，不利于煤炭运输且影响煤质。针对发泡剂与配水量合理配比这一问题，对综掘工作面使用的LK-02型发泡剂进行参数优化。通过现场试验表明：当配水量与LK-02型发泡剂的比值范围为40～60倍时对全尘的降尘效率可达75%，对呼吸性粉尘浓度的降尘效果可达73%，且不会造成煤炭稀释成流状。
[关键词]综掘；泡沫降尘；参数优化
中图分类号：S451 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）02-0318-02
在煤矿的生产，如巷道掘进、炮采、综采、运输等过程中，均可产生大量粉尘，而工作面粉尘浓度最高，工人在高浓度粉尘环境里工作，易发生尘肺病，其次粉尘浓度过高，易引起粉尘爆炸等煤矿安全事故[1-3]。据测定掘进机割煤时，粉尘浓度高达310～430mg/m3，而掘进工作面由于工艺状况复杂、空间有限，在割煤、破碎过程中产生的粉尘不易控制，常规的喷雾洒水除尘简单易行，但对呼吸性粉尘的除尘效率约15%～35%，而泡沫除尘具有结构简单、成本低、耗水量少、对呼吸性粉尘除尘效率高等特点，而且还具有隔绝性能好、接触面积大、湿润速度快和粘附性能好等特性，能够有效降低粉尘浓度，防治煤矿粉尘危害[4-5]。
1 工程概况
在综掘机截割部仅采取喷雾洒水进行降尘，未采取其他除尘措施，8h内综掘机后方15m处煤尘积聚厚度最高达10mm以上，全尘浓度最高为291.8mg/m3，呼吸性粉塵浓度最高为184.7mg/m3。综掘机后方可见度不超过3m。在综掘机后方10m处进行粉尘浓度测定，平均全尘浓度达到265.4mg/m3，平均呼吸性粉尘浓度为161.6mg/m3。
2 降尘机理分析
2.1 尘源分析
2.1.1 截割产生的粉尘
综掘机截割部在割煤及割岩过程中，截齿与煤岩体接触摩擦，产生大量粉尘；在煤岩体分界面上存在结构弱面，附近的煤岩体易于破碎，在截割过程中，更易产生粉尘；破碎的煤岩体在掉落过程中，破裂面携带的微小粉尘飘到空气中。
2.1.2 运输产生的粉尘
破落的煤岩块掉落过程中，夹杂的部分粉尘未来及飘扬，被覆盖在破碎的煤岩块内部。掉落在地上的破碎煤岩块通过综掘机的铲板，不断输送至刮板输送机中，在输送过程中，被散落的煤岩块覆盖着的部分粉尘在外力影响下会重新飘扬；刮板输送机与皮带转载点，受风流作用的影响，使得吸附在煤岩块表面的粉尘被吹扬到空气中。
2.1.3 风筒扬起的粉尘
从风筒出来的风流为湍流，风速分布极不规律，在截齿摩擦及煤岩块掉落过程中，在风流的作用下，粉尘飘扬到空中；破落煤岩块夹杂的部分粉尘同样在风流的扰动影响下，被带到空气中，增加粉尘浓度。
2.2 泡沫特性
泡沫能有效捕捉空气中飘扬的粉尘，必须满足下列特性[6-7]：
2.2.1 泡沫密集性好，当泡沫喷洒散落的煤岩块上，形成无空隙的泡沫体覆盖尘源；
2.2.2 成泡性好，可以形成大量的泡沫粒子群，增大泡沫的表面积；
2.2.3 有效降低水的表面张力，增加了粉尘被湿润的速度及程度；
2.2.4 泡沫稳定性好，风流中的粉尘与泡沫相撞时，泡沫不易破碎；
2.2.5 泡沫带异性电荷，可以高效捕捉风流中的带电粉尘；
2.2.6 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且不易脱落。
2.3 泡沫降尘机理
泡沫的特性决定了泡沫特殊的降尘机理[7-9]：
2.3.1 泡沫形成过程中，由于加入了活性物质，使得固-液界面上的表面张力大幅度降低，提高了泡沫的润湿性能，改变粉尘的疏水性为亲水性，使粉尘易于吸附在泡沫表面，当泡沫颗粒所受浮力小于自身重力时，粉尘颗粒发生沉降；
2.3.2 经喷射系统出来的泡沫，一部分被喷洒到散落的煤岩块上，对整个尘源进行“覆盖”；另一部分泡沫液喷洒空气中时，形成大量的泡沫粒子群，增大了泡沫的表面积，对部分粉尘进行包裹。
2.3.3 粉尘经过一系列碰撞、飘扬、扩散等作用后与泡沫群相遇，被泡沫黏附。由于泡沫不断黏附粉尘颗粒，使得泡沫质量不断增加，并受重力作用，形成许多包裹粉尘的泡沫颗粒落到地面。
2.3.4 喷射到空气中的泡沫粒子群带有异性电荷，与空气中的带电粉尘颗粒相遇时，异性相吸，粉尘被泡沫表面吸附，增大的泡沫颗粒的重量，最终沉降落地。
3 泡沫降尘系统组成
3.1 除尘发泡剂
矿尘一般具有较强的疏水性，发泡剂只能具有强润湿性才能够有效湿润煤尘达到除尘降尘的目的。在除尘过程中，泡沫一方面需要覆盖尘源，只有具有一定的发泡倍数才能够产生足够的泡沫覆盖尘源；另一方面对于逃逸到空气中的粉尘需要大量的泡沫与之碰撞，提高粉尘的捕获率，所以发泡剂必须具有较强的湿润性。
3.2 发泡装置
发泡装置包括储液箱、微型文丘里管、控制盘和发泡器四部分。储液箱用于盛放发泡剂，储液箱的容积应该足够容纳一个班组消耗的发泡剂；微型文丘里管利用压缩空气产生负压，将发泡剂和水添加到发泡器中，不再需要专门的发泡剂添加装置，简化了设备；控制盘上固定有水流量计、空气压力表、液流量计及各种微调阀门和发泡装置的总控阀门，各种微调阀门用于调节水、液、气的流量以形成最佳状态的泡沫，总控阀门控制整个发泡装置的开闭；发泡器将文丘里管送入的水、液、气混合发泡，产生除尘用泡沫。发泡装置结构原理如图1所示。 3.3 喷射装置
喷射装置包括喷头和支架两部分。喷头的构造决定了泡沫流的形状和覆盖面积，喷头的角度决定了泡沫流与掘进机截割头的相对位置。在现场应用中，喷射装置一般安装在截割头后方左右位置，掘进机掘进时该位置往往暴露于无支护区，经常有顶板岩块掉落在喷射装置上，因此喷射装置必须坚固，具备一定的抗破坏能力；喷头固定在支架上，因此喷头的不同喷射角度需要通过调节支架来实现，这就要求支架角度可调节。
4 泡沫降尘参数优化研究
针对发泡剂与配水量合理配比这一问题，对综掘工作面使用的LK-02型发泡剂进行参数优化，采用不同配比的发泡剂配比研究其对粉尘的降尘效率效果以及对煤炭的稀释作用两方面来研究确定合理的参数配比。
通过图2、图3可以看出：当配水量与泡沫剂的配比在0～40倍之间时，由于配水量少，形成的泡沫不能完全覆盖、湿润工作面煤體，因此降尘效果较差；当配水量与泡沫剂的配比在40～80倍之间时，可使全尘浓度降低达75%，平均降低73.1%；对呼吸性粉尘的降低效率可达73%，平均降低效率为72.6%。但考虑到配水量过大会造成煤炭的稀释，不利于煤炭的运输，从表1中可以看出当配比为70以上时就会使煤炭形成流状的稀货，不利于煤炭的运输。因此综合考虑以上两方面因素将配比值在40～60倍之间确定为合理的配比值，既有利于降低空气中的粉尘，有不会造成煤炭的稀释。
5 结论
5.1 当配水量与泡沫剂的配比在0～40倍之间时，由于配水量少，形成的泡沫不能完全覆盖、湿润工作面煤体，因此降尘效果较差。
5.2 当配水量与泡沫剂的配比大于60倍时，由于配水量过大，易造成工作面煤炭稀释形成流状的稀货，不利于煤炭的运输。
5.3 既有利于降低空气中的粉尘，有不会造成煤炭的稀释的合理的配水量与泡沫剂的配比范围在40～60倍之间。
参考文献
[1] 张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007： 268-283.
[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] 赵栋.矿井综合防尘措施[J].矿业安全与环保，2003（6）.
[4] 时训先，蒋仲安，褚燕燕.煤矿综采工作面防尘技术研究现状及趋势[J].中国安全生产科学技术，2005（2）.
[5] 蒋仲安，李怀宇.泡沫除尘技术的研究与应用[J].中国安全科学学报，1997，7（3）： 53-56.
[6] 谭鹤翔.泡沫除尘[J].煤矿安全，1987（2）：44-51.
[7] 任万兴.煤矿井下泡沫除尘理论与技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2009.
[8] 黄本斌，王德明，时国庆.泡沫除尘机理的理论研究[J].工业安全与环保，2008， 34（5）：13-15.
[9] 奚志林，王德明，陆伟.泡沫除尘机理研究[J].煤矿安全，2006，376（3）：1-4.
[关键词]综掘；泡沫降尘；参数优化
中图分类号：S451 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）02-0318-02
在煤矿的生产，如巷道掘进、炮采、综采、运输等过程中，均可产生大量粉尘，而工作面粉尘浓度最高，工人在高浓度粉尘环境里工作，易发生尘肺病，其次粉尘浓度过高，易引起粉尘爆炸等煤矿安全事故[1-3]。据测定掘进机割煤时，粉尘浓度高达310～430mg/m3，而掘进工作面由于工艺状况复杂、空间有限，在割煤、破碎过程中产生的粉尘不易控制，常规的喷雾洒水除尘简单易行，但对呼吸性粉尘的除尘效率约15%～35%，而泡沫除尘具有结构简单、成本低、耗水量少、对呼吸性粉尘除尘效率高等特点，而且还具有隔绝性能好、接触面积大、湿润速度快和粘附性能好等特性，能够有效降低粉尘浓度，防治煤矿粉尘危害[4-5]。
1 工程概况
在综掘机截割部仅采取喷雾洒水进行降尘，未采取其他除尘措施，8h内综掘机后方15m处煤尘积聚厚度最高达10mm以上，全尘浓度最高为291.8mg/m3，呼吸性粉塵浓度最高为184.7mg/m3。综掘机后方可见度不超过3m。在综掘机后方10m处进行粉尘浓度测定，平均全尘浓度达到265.4mg/m3，平均呼吸性粉尘浓度为161.6mg/m3。
2 降尘机理分析
2.1 尘源分析
2.1.1 截割产生的粉尘
综掘机截割部在割煤及割岩过程中，截齿与煤岩体接触摩擦，产生大量粉尘；在煤岩体分界面上存在结构弱面，附近的煤岩体易于破碎，在截割过程中，更易产生粉尘；破碎的煤岩体在掉落过程中，破裂面携带的微小粉尘飘到空气中。
2.1.2 运输产生的粉尘
破落的煤岩块掉落过程中，夹杂的部分粉尘未来及飘扬，被覆盖在破碎的煤岩块内部。掉落在地上的破碎煤岩块通过综掘机的铲板，不断输送至刮板输送机中，在输送过程中，被散落的煤岩块覆盖着的部分粉尘在外力影响下会重新飘扬；刮板输送机与皮带转载点，受风流作用的影响，使得吸附在煤岩块表面的粉尘被吹扬到空气中。
2.1.3 风筒扬起的粉尘
从风筒出来的风流为湍流，风速分布极不规律，在截齿摩擦及煤岩块掉落过程中，在风流的作用下，粉尘飘扬到空中；破落煤岩块夹杂的部分粉尘同样在风流的扰动影响下，被带到空气中，增加粉尘浓度。
2.2 泡沫特性
泡沫能有效捕捉空气中飘扬的粉尘，必须满足下列特性[6-7]：
2.2.1 泡沫密集性好，当泡沫喷洒散落的煤岩块上，形成无空隙的泡沫体覆盖尘源；
2.2.2 成泡性好，可以形成大量的泡沫粒子群，增大泡沫的表面积；
2.2.3 有效降低水的表面张力，增加了粉尘被湿润的速度及程度；
2.2.4 泡沫稳定性好，风流中的粉尘与泡沫相撞时，泡沫不易破碎；
2.2.5 泡沫带异性电荷，可以高效捕捉风流中的带电粉尘；
2.2.6 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且不易脱落。
2.3 泡沫降尘机理
泡沫的特性决定了泡沫特殊的降尘机理[7-9]：
2.3.1 泡沫形成过程中，由于加入了活性物质，使得固-液界面上的表面张力大幅度降低，提高了泡沫的润湿性能，改变粉尘的疏水性为亲水性，使粉尘易于吸附在泡沫表面，当泡沫颗粒所受浮力小于自身重力时，粉尘颗粒发生沉降；
2.3.2 经喷射系统出来的泡沫，一部分被喷洒到散落的煤岩块上，对整个尘源进行“覆盖”；另一部分泡沫液喷洒空气中时，形成大量的泡沫粒子群，增大了泡沫的表面积，对部分粉尘进行包裹。
2.3.3 粉尘经过一系列碰撞、飘扬、扩散等作用后与泡沫群相遇，被泡沫黏附。由于泡沫不断黏附粉尘颗粒，使得泡沫质量不断增加，并受重力作用，形成许多包裹粉尘的泡沫颗粒落到地面。
2.3.4 喷射到空气中的泡沫粒子群带有异性电荷，与空气中的带电粉尘颗粒相遇时，异性相吸，粉尘被泡沫表面吸附，增大的泡沫颗粒的重量，最终沉降落地。
3 泡沫降尘系统组成
3.1 除尘发泡剂
矿尘一般具有较强的疏水性，发泡剂只能具有强润湿性才能够有效湿润煤尘达到除尘降尘的目的。在除尘过程中，泡沫一方面需要覆盖尘源，只有具有一定的发泡倍数才能够产生足够的泡沫覆盖尘源；另一方面对于逃逸到空气中的粉尘需要大量的泡沫与之碰撞，提高粉尘的捕获率，所以发泡剂必须具有较强的湿润性。
3.2 发泡装置
发泡装置包括储液箱、微型文丘里管、控制盘和发泡器四部分。储液箱用于盛放发泡剂，储液箱的容积应该足够容纳一个班组消耗的发泡剂；微型文丘里管利用压缩空气产生负压，将发泡剂和水添加到发泡器中，不再需要专门的发泡剂添加装置，简化了设备；控制盘上固定有水流量计、空气压力表、液流量计及各种微调阀门和发泡装置的总控阀门，各种微调阀门用于调节水、液、气的流量以形成最佳状态的泡沫，总控阀门控制整个发泡装置的开闭；发泡器将文丘里管送入的水、液、气混合发泡，产生除尘用泡沫。发泡装置结构原理如图1所示。 3.3 喷射装置
喷射装置包括喷头和支架两部分。喷头的构造决定了泡沫流的形状和覆盖面积，喷头的角度决定了泡沫流与掘进机截割头的相对位置。在现场应用中，喷射装置一般安装在截割头后方左右位置，掘进机掘进时该位置往往暴露于无支护区，经常有顶板岩块掉落在喷射装置上，因此喷射装置必须坚固，具备一定的抗破坏能力；喷头固定在支架上，因此喷头的不同喷射角度需要通过调节支架来实现，这就要求支架角度可调节。
4 泡沫降尘参数优化研究
针对发泡剂与配水量合理配比这一问题，对综掘工作面使用的LK-02型发泡剂进行参数优化，采用不同配比的发泡剂配比研究其对粉尘的降尘效率效果以及对煤炭的稀释作用两方面来研究确定合理的参数配比。
通过图2、图3可以看出：当配水量与泡沫剂的配比在0～40倍之间时，由于配水量少，形成的泡沫不能完全覆盖、湿润工作面煤體，因此降尘效果较差；当配水量与泡沫剂的配比在40～80倍之间时，可使全尘浓度降低达75%，平均降低73.1%；对呼吸性粉尘的降低效率可达73%，平均降低效率为72.6%。但考虑到配水量过大会造成煤炭的稀释，不利于煤炭的运输，从表1中可以看出当配比为70以上时就会使煤炭形成流状的稀货，不利于煤炭的运输。因此综合考虑以上两方面因素将配比值在40～60倍之间确定为合理的配比值，既有利于降低空气中的粉尘，有不会造成煤炭的稀释。
5 结论
5.1 当配水量与泡沫剂的配比在0～40倍之间时，由于配水量少，形成的泡沫不能完全覆盖、湿润工作面煤体，因此降尘效果较差。
5.2 当配水量与泡沫剂的配比大于60倍时，由于配水量过大，易造成工作面煤炭稀释形成流状的稀货，不利于煤炭的运输。
5.3 既有利于降低空气中的粉尘，有不会造成煤炭的稀释的合理的配水量与泡沫剂的配比范围在40～60倍之间。
参考文献
[1] 张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007： 268-283.
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[9] 奚志林，王德明，陆伟.泡沫除尘机理研究[J].煤矿安全，2006，376（3）：1-4.