石花軍

(國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)神公司 上榆泉煤礦，山西 忻州 034000)

0 引言

由于煤礦井下機(jī)械化程度的不斷提高，綜掘工作面掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)，污染作業(yè)環(huán)境，嚴(yán)重威脅進(jìn)行工人的身心健康[1,2]。因此，采取有效的粉塵控制措施，降低掘進(jìn)工作面割煤時(shí)粉塵產(chǎn)生是非常有必要的[3]。綜掘工作面粉塵最主要的來(lái)源是掘進(jìn)機(jī)割煤，其主要的防塵措施是掘進(jìn)機(jī)的內(nèi)外噴霧降塵，但由于常規(guī)的噴嘴存在易堵導(dǎo)致的霧化效果不佳及噴霧覆蓋范圍小等問(wèn)題，掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧的降塵效果并不理想，特別是對(duì)呼吸性粉塵的降塵效率較低[4,5]。文章根據(jù)掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)有噴霧降塵措施存在的問(wèn)題，對(duì)外噴霧噴嘴的霧滴粒徑、噴射距離及霧化角等噴霧性能參數(shù)及安裝方式和位置等進(jìn)行研究改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了一套新型的帷幕狀氣水噴霧降塵裝置，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究確定了其最佳工作參數(shù)[6,7]。

1 氣水噴嘴特性研究

1.1 氣水噴嘴的結(jié)構(gòu)及原理

如圖1所示，不同于傳統(tǒng)的壓力型噴嘴，氣水噴嘴具有壓縮空氣和壓力水兩股動(dòng)力源，分別由進(jìn)氣和進(jìn)水兩端進(jìn)入氣水混合室，水流在高速氣體噴射作用下破碎成包含大量微小氣泡的氣泡兩相流，然后經(jīng)噴嘴出口高速噴出，氣泡兩相流體積快速膨脹，同時(shí)在流體噴射誘導(dǎo)的作用下周?chē)諝獠粩嗑砣耄混F化成許多微細(xì)的霧粒[8,9]。

相比于傳統(tǒng)的壓力型噴嘴，在壓縮空氣動(dòng)力源的作用下，氣水噴嘴霧滴粒徑較小，霧滴分布均勻且耗水量小可更好地的降低工作面呼吸性粉塵的濃度[10]。

圖1 氣水噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 氣水噴嘴性能參數(shù)的研究

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，影響氣水噴嘴霧化效果的主要因素有氣體流量、水流量以及氣水噴霧結(jié)構(gòu)參數(shù)等。通過(guò)設(shè)計(jì)如圖2所示的氣水噴霧實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)定氣水噴嘴在不同條件下的霧滴粒徑、噴射距離及霧化角等霧化特性參數(shù)。整個(gè)裝置由供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、排霧裝置及噴嘴實(shí)驗(yàn)臺(tái)4部分組成。實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，采用空氣和水作為工作介質(zhì)，氣水噴嘴出口孔徑為2 mm。通過(guò)空壓機(jī)提供壓縮空氣，壓力范圍為0～1.0 MP，利用QL-380A型水泵提供壓力水，壓力范圍為0～6.0 MP。 在噴嘴進(jìn)氣端和進(jìn)水端分別用高壓管連接好壓力表和流量計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣壓和水壓控制噴嘴的氣流量、水流量。采用JL-3000型全自動(dòng)噴霧激光粒度儀對(duì)噴嘴霧滴粒徑分散度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量范圍為0.5～1300，霧化角和噴霧過(guò)程通過(guò)高速攝像機(jī)進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)得到氣水噴嘴在不同氣體流量和水流量條件下噴嘴霧滴平均粒徑和噴射距離的關(guān)系曲線如圖3、圖4所示：

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

由圖3可知：(1)當(dāng)氣水噴嘴水流量不變時(shí)，氣體流量越大霧滴平均粒徑越小，但隨著氣流量的不斷增大，霧滴粒徑減小的趨勢(shì)在逐漸減小，氣體流量大于160×10-5m3/s時(shí)，霧滴粒徑下降不明顯；主要原因是當(dāng)霧滴粒徑降低到一定程度后，其破碎效果達(dá)到極限，同時(shí)氣流越大卷吸作用越大，導(dǎo)致霧滴的二次團(tuán)聚。(2)當(dāng)噴嘴氣體流量不變時(shí)，隨著水流量的增大噴嘴霧滴平均粒徑也越大，導(dǎo)致霧化效果越差。

圖3 噴嘴霧滴平均粒徑隨氣水流量的變化曲線

由圖4可知：(1)當(dāng)氣水噴嘴水流量不變時(shí)，氣體流量越大噴嘴霧滴的噴射距離越小，主要是因?yàn)闅怏w流量越大霧滴顆粒越小，其慣性作用越小，導(dǎo)致噴射距離變短；(2)當(dāng)噴嘴氣體流量不變時(shí)，水流量越大，噴嘴噴射距離越遠(yuǎn)，其原因也是跟霧滴的粒徑相關(guān)。

圖4 噴嘴噴射距離隨氣水流量的變化曲線

通過(guò)攝像機(jī)拍攝記錄水流量為3×10-5m3/s條件下，氣體流量分別為(40、80、120、160、200)×10-5m3/s時(shí)不同氣水流量情況下噴嘴的霧化角如圖5所示。由圖5可知：(1)當(dāng)氣水噴嘴水流量不變時(shí)，氣體流量越大噴嘴霧化效果越好，同時(shí)也驗(yàn)證了霧滴粒徑分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(2)當(dāng)氣水噴嘴水流量一定時(shí)，噴嘴的霧化角隨氣體流量的增加先不斷變大，當(dāng)氣體流量增大到一定程度，霧化角變化趨勢(shì)減小，霧化角變化范圍保持在60°～90°之間。

圖5 不同工況條件下噴嘴霧化角效果圖

通過(guò)霧滴粒徑分析儀測(cè)得水流量為3×10-5m3/s時(shí)， 氣體流量分別為(80、120、160)×10-5m3/s情況下霧滴的粒徑分布如圖6(a)(b)(c)所示，可知當(dāng)氣水噴嘴水流量不變時(shí)，隨氣體流量的增大噴嘴霧滴粒徑分布中小粒徑霧滴所占比重不斷增多，且霧滴平均粒徑也在不斷地變小。

圖6 不同工況條件下霧滴粒徑分布圖

圖6 不同工況條件下霧滴粒徑分布圖(續(xù))

2 氣水噴霧降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

在實(shí)際應(yīng)用中，氣水噴霧降塵系統(tǒng)的布置圖如圖7所示，分別在氣水噴嘴的氣水端接入供氣和供水管路，為方便調(diào)節(jié)最佳工況點(diǎn)還需接入相應(yīng)的壓力表和流量計(jì)。由于井下水質(zhì)比較差，且氣水噴嘴出口較小，為了防止噴嘴堵塞，防塵用水需要在管路上安裝水質(zhì)過(guò)濾器，再供給噴嘴。

圖7 氣水噴霧降塵系統(tǒng)的布置圖

2.2 氣水噴霧裝置的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)外噴霧主要采用壓力型噴嘴，在炮頭搖臂的端部上側(cè)成一字布置，導(dǎo)致噴嘴霧化效果差，且覆蓋范圍較小。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)外噴霧降塵系統(tǒng)的噴嘴結(jié)構(gòu)、布置方式及霧流噴射方向等進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了新型帷幕狀氣水噴霧裝置替代掘進(jìn)機(jī)原有外噴霧，氣水噴霧裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示。整個(gè)氣水噴霧模塊成半圓形，可以安裝在掘進(jìn)機(jī)割臂上，噴嘴整體與水平成一定夾角弧形布置，同時(shí)在掘進(jìn)頭方向有不同的夾角。模塊噴霧時(shí)，能多角度發(fā)散式成帷幕狀全范圍覆蓋掘進(jìn)頭割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵。

圖8 氣水噴霧裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.3 噴霧模塊參數(shù)的確定

根據(jù)掘進(jìn)工作面粉塵的粒徑分布情況和氣水噴霧裝置在掘進(jìn)機(jī)的安裝位置及現(xiàn)場(chǎng)粉塵產(chǎn)生的范圍，確定氣水噴霧的霧滴粒徑和噴射距離，選擇合適的氣體流量和水流量。由于掘進(jìn)工作粉塵平均粒徑小于10 μm，要想達(dá)到理想的降塵效果，霧滴粒徑越接近粉塵粒徑，降塵效果越佳；根據(jù)噴霧模塊的安裝位置，噴射距離要求在4 m以上。通過(guò)上述對(duì)單個(gè)噴嘴霧化效果的實(shí)驗(yàn)分析，要滿足掘進(jìn)工作面霧滴粒徑和噴射距離要求，要求水流量在(5～7)×10-5m3/s，氣流量為(100～150)×10-5m3/s。 為使氣水噴霧裝置能更好地在井下應(yīng)用，先在地面進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)調(diào)節(jié)水壓確保水量不小于5×10-5m3/s的情況下，調(diào)節(jié)氣流量范圍，在達(dá)到有效的噴射范圍和霧化效果前提下，使氣體流量盡可能小。試驗(yàn)確定最佳參數(shù)為水流量為5×10-5m3/s，氣體流量為120×10-5m3/s，就能達(dá)到如圖9所示的霧化效果，且噴射距離大于4 m，且氣壓水壓都在井下實(shí)際范圍之內(nèi)。

圖9 氣水噴霧裝置最佳參數(shù)霧化效果圖

3 氣水噴霧在綜掘工作面的應(yīng)用

3.1 噴霧裝置在掘進(jìn)機(jī)上的安裝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的帷幕狀氣水噴霧裝置安裝在掘進(jìn)機(jī)截割臂的端部，噴霧模塊及固定支架?chē)@機(jī)體環(huán)形布置，形成對(duì)截割頭的全范圍覆蓋，如圖10所示。氣水噴霧裝置進(jìn)氣端接巷道的壓風(fēng)管路，進(jìn)水端接入掘進(jìn)機(jī)外噴霧高壓水管。

圖10 氣水噴霧裝置在掘進(jìn)機(jī)上的安裝圖

3.2 噴霧降塵效果的分析

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)工作面割煤時(shí)進(jìn)行采樣，粉塵濃度的測(cè)定采用濾膜稱重法。為比較掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)新型的帷幕狀氣水噴霧降塵裝置與原有外噴霧的降塵效果，分別測(cè)定在安裝氣水噴霧裝置前后掘進(jìn)工作面人行道呼吸帶高度呼吸性粉塵濃度分布如圖11所示。

圖11 安裝氣水噴霧裝置前后呼塵濃度分布

由圖11可知： (1)掘進(jìn)機(jī)安裝帷幕狀氣水噴霧裝置后提高噴嘴的霧化效果及覆蓋范圍，大幅度降低了工作面粉塵濃度；(2) 安裝氣水噴霧后掘進(jìn)工作面呼塵平均降塵效率達(dá)70%以上，氣水噴霧對(duì)呼吸性粉塵有較好的沉降作用。

4 結(jié)論

(1) 在分析氣水噴嘴霧化機(jī)理及噴霧降塵的主要影響因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了霧滴平均粒徑、噴射距離及擴(kuò)散角隨氣水流量之間的關(guān)系；氣體流量越大及水流量越小時(shí)，霧滴的平均粒徑及噴射距離越小，同時(shí)噴嘴的擴(kuò)散角越大。

(2) 根據(jù)掘進(jìn)工作面實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出了安裝在掘進(jìn)機(jī)上的氣水噴霧模塊，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，確定了最佳的工作參數(shù)范圍。

(3) 在掘進(jìn)機(jī)上安裝帷幕狀氣水噴霧裝置，能大幅度降低掘進(jìn)面割煤時(shí)粉塵的產(chǎn)生及呼塵的擴(kuò)散。

(4) 氣水噴嘴有較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)適用性，可以在其他塵源較集中且呼吸性粉塵比重較高的作業(yè)場(chǎng)所推廣使用。