劉通海

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司安全監(jiān)管五人小組，山西 大同 037003）

1 概況

四老溝煤礦井田東西走向，傾角在3°～12°之間。預(yù)采區(qū)內(nèi)地層為寬緩背斜構(gòu)造，背斜軸位于盤區(qū)巷西部，區(qū)內(nèi)煤層上部有火成巖，呈巖床式順層侵入，巖性為煌斑巖，厚度在0.72～4.0 m，對(duì)煤層造成一定的破壞。東翼皮帶大巷地面位置位于東風(fēng)井東330～2860 m，巖巷地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層為單斜構(gòu)造，煤巖層傾角5°～11°，巷道施工方向煤巖層傾角3°～7°。東翼皮帶大巷綜掘工作面噴霧水幕降塵和FBCD5.5-2×18.5 除塵風(fēng)機(jī)降塵以及正壓呼吸面罩等方式。由于井下環(huán)境惡劣，水幕系統(tǒng)問(wèn)題頻發(fā)，而風(fēng)機(jī)降塵為局部通風(fēng)，存在粉塵聚集現(xiàn)象，且存在安全隱患，總體降塵除塵效果不佳?；诖诉M(jìn)行無(wú)火花型氣水射流通風(fēng)除塵器研究，替代原有通風(fēng)除塵器，提升降塵除塵效果。

2 氣水射流通風(fēng)除塵器工作機(jī)理

氣水射流除塵裝置實(shí)質(zhì)上是一種液氣射流泵，泵內(nèi)氣液運(yùn)動(dòng)可以分為氣水相對(duì)運(yùn)動(dòng)段、液滴運(yùn)動(dòng)段以及泡沫流運(yùn)動(dòng)段三個(gè)過(guò)程[1-2]。氣水相對(duì)運(yùn)動(dòng)段附近氣體與射流液體的邊界發(fā)生粘滯效應(yīng)，具有一定壓力的射流液體將氣體從吸入室?guī)氲胶砉埽⒃诤砉軆?nèi)氣液兩相持續(xù)影響，分別產(chǎn)生脈動(dòng)和表面波。在液滴運(yùn)動(dòng)段液相表面波的振幅不斷增加，在增大到臨近射流半徑時(shí)，射流體在表面波的作用下會(huì)形成尺寸均勻的液滴形態(tài)，氣相捕捉液滴并促使液滴不斷碰撞，吸收碰撞能量后，氣相會(huì)被加速與壓縮。在該運(yùn)動(dòng)階段，液相不再連續(xù)，氣相獲得液相能量。泡沫流運(yùn)動(dòng)段中的不連續(xù)液滴在氣相高速運(yùn)動(dòng)中將其粉碎成微小的氣泡，失去能量的液滴再一次聚合成連續(xù)的液體，將微小氣泡吸收后形成泡沫，通過(guò)擴(kuò)散管時(shí)，在動(dòng)能轉(zhuǎn)化的壓能作用下，進(jìn)一步將氣液泡沫壓縮[3]。氣水射流通風(fēng)除塵器主要結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 氣水射流除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

含塵氣體在射流經(jīng)過(guò)漸縮管形成的壓差作用下進(jìn)入到除塵裝置內(nèi)，粉塵與射流在霧化作用下發(fā)生碰撞，粉塵與氣水射流之間進(jìn)行充分的碰撞、集聚和凝結(jié)，降低粉塵運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)氣水射流在霧化作用下形成的霧化水氣也會(huì)將粉塵包裹，增加粉塵顆粒的重量和粘滯作用；隨著三相進(jìn)入擴(kuò)散管，在橫截面積增大的環(huán)境下，三相的運(yùn)動(dòng)速度降低，且擴(kuò)散管中前端三相流的運(yùn)動(dòng)速度大于后端，不同的速度差會(huì)使粉塵與液滴產(chǎn)生二次沖撞，與粉塵結(jié)合后凝合成比重更大的含塵液滴，受旋流作用影響，比重較大的粉塵在擴(kuò)散管內(nèi)進(jìn)行部分沉降，裝置除塵過(guò)程包含了重力沉降、慣性碰撞、截流、擴(kuò)散等不同作用力的影響[4]。降塵原理示意圖如圖2。

圖2 降塵原理示意圖

3 氣水射流通風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

為了探究除塵器最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)配置，根據(jù)試驗(yàn)方法和內(nèi)容搭建參數(shù)試驗(yàn)平臺(tái)。如圖3，主要包括有壓供氣系統(tǒng)、常壓供水系統(tǒng)、防逆流系統(tǒng)、風(fēng)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及氣水射流通風(fēng)除塵器各結(jié)構(gòu)部件。

圖3 氣水射流通風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3.2 過(guò)程參數(shù)確定方法

（1）吸風(fēng)量關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)確定

對(duì)裝置風(fēng)速的測(cè)定方法是在吸入室入口增設(shè)CFJ25 型風(fēng)速表，測(cè)得風(fēng)速后與進(jìn)風(fēng)口截面面積相乘計(jì)算吸風(fēng)量。吸入室入口截面中心的風(fēng)速最大，靠近管壁處的風(fēng)速較低。為了準(zhǔn)確確定風(fēng)速，采用等截面分環(huán)法確定截面處的平均風(fēng)速，即將截面分為幾個(gè)面積相等的圓環(huán)，分別在圓環(huán)的中心線上設(shè)置測(cè)點(diǎn)，最后通過(guò)數(shù)學(xué)方法根據(jù)各圓環(huán)中心風(fēng)速計(jì)算平均風(fēng)速[5]。按照表1 來(lái)選擇測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

表1 不同吸入室入口截面積與測(cè)點(diǎn)數(shù)量對(duì)應(yīng)表

風(fēng)速表測(cè)得的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速的關(guān)系通過(guò)以下公式計(jì)算，得出各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際風(fēng)速后，將算術(shù)平均值作為截面風(fēng)速。

v實(shí)=1.107v測(cè)+ 0.132

式中：v實(shí)為測(cè)點(diǎn)實(shí)際風(fēng)速，m/s；v測(cè)為測(cè)點(diǎn)風(fēng)速表風(fēng)速，m/s。

（2）粉塵濃度測(cè)定

粉塵濃度測(cè)定通過(guò)FCC-25 型防爆粉塵采樣儀在采樣點(diǎn)進(jìn)行含塵空氣吸收，采樣儀中的濾膜將氣體中的粉塵過(guò)濾保留，在采樣周期階段完成采樣后，對(duì)比濾膜前后重量計(jì)算吸收空氣中的粉塵重量，通過(guò)過(guò)濾空氣的總量來(lái)確定含塵空氣中的粉塵濃度。選用的FCC-25 型防爆粉塵采樣儀濾膜為直徑25 mm 的圓形平板膜，為了降低空氣中水分對(duì)粉塵濃度測(cè)量的影響，在過(guò)濾粉塵前后濾膜稱重前都要進(jìn)行烘干處理[6]。

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

通過(guò)對(duì)不同尺寸氣水射流通風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)的軟件模擬和仿真，針對(duì)四老溝煤礦東翼皮帶大巷特點(diǎn)確定的設(shè)計(jì)參數(shù)分別為：（1）氣水射流通風(fēng)除塵器工作時(shí)，水壓為0.7 MPa，空壓機(jī)提供風(fēng)壓為1.0 MPa，獲得最佳的氣液比穩(wěn)定在24:1，即處理24 m3的含塵帶壓氣體需要1 m3的常壓水進(jìn)行粉塵稀釋排放；（2）根據(jù)文丘里射流管實(shí)驗(yàn)，對(duì)比直徑為400 mm 和550 mm 吸入室吸風(fēng)量，得出直徑為550 mm吸入室吸風(fēng)量效率高于直徑為400 mm 吸入室吸風(fēng)量17.6%，故吸入室設(shè)計(jì)尺寸選擇550 mm；（3）模擬顯示射流管后置的彈簧風(fēng)筒長(zhǎng)度在5 m 左右時(shí)，除塵器的吸風(fēng)量效率最佳；（4）風(fēng)筒后的除霧器與風(fēng)筒間距在300 mm 時(shí)既不會(huì)對(duì)除塵器吸風(fēng)量造成影響，又能夠有效降低除霧器起霧，模擬數(shù)值結(jié)果最佳。

4 氣水射流通風(fēng)除塵器應(yīng)用效果

在東翼皮帶大巷搭建了工業(yè)性試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由氣水射流除塵器、彈簧風(fēng)筒和絲網(wǎng)式除霧器等部分構(gòu)成，安裝在掘進(jìn)機(jī)的頂部，跟隨掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通風(fēng)除塵。除塵器吸入室的直徑為550 mm，進(jìn)水管路選擇直徑為25 mm 軟管。除塵器擴(kuò)散管連接直徑為650 mm、長(zhǎng)度為5 m 的彈簧風(fēng)筒，再接鋼絲網(wǎng)構(gòu)成的除霧器。其中，彈簧風(fēng)筒與除霧器的最近端面間距選擇300 mm，整體安裝在掘進(jìn)機(jī)上方，確保前高后低，即除霧器端向下傾斜10°左右，防止整套試驗(yàn)系統(tǒng)中凝聚含塵水。具體試驗(yàn)系統(tǒng)布局如圖4。

圖4 東翼皮帶大巷工業(yè)性試驗(yàn)系統(tǒng)搭建示意圖（mm）

工業(yè)性試驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試完成后進(jìn)行通風(fēng)除塵效果測(cè)試，對(duì)采樣點(diǎn)粉塵濃度的測(cè)量時(shí)間全部選擇在掘進(jìn)機(jī)截割上部煤層時(shí)，此時(shí)掘進(jìn)機(jī)上部空間的原始粉塵濃度最高。對(duì)巖巷原始粉塵濃度和經(jīng)過(guò)除塵器后的粉塵濃度的測(cè)量周期和采樣流量是不同的，由于原始粉塵濃度高，測(cè)量周期為3 min，采樣流量選擇15 L/min；經(jīng)過(guò)除塵后粉塵濃度降低，故測(cè)量周期為5 min，采樣流量選擇20 L/min。系統(tǒng)吸風(fēng)量的測(cè)量采用礦用風(fēng)速表測(cè)量風(fēng)速后，根據(jù)吸風(fēng)截面積計(jì)算風(fēng)量。各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 工業(yè)性試驗(yàn)系統(tǒng)各指標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)前后除塵系統(tǒng)未開啟與開啟狀態(tài)下通風(fēng)量與粉塵濃度監(jiān)測(cè)可以看出，原始巖巷通風(fēng)量較低，掘進(jìn)機(jī)前后通風(fēng)量平均值為65.8 m3/min，開啟除塵系統(tǒng)后，整體通風(fēng)量平均達(dá)到135.9 m3/min，通風(fēng)量增加一倍以上，通風(fēng)效果明顯。原始粉塵濃度在1110 mg/m3左右，濃度高，對(duì)作業(yè)人員呼吸危害性大。由于除塵設(shè)備安裝在掘進(jìn)機(jī)上方，因此在除塵系統(tǒng)開啟后，對(duì)掘進(jìn)機(jī)前方粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)雖與原始粉塵濃度相比有所降低，但還未進(jìn)行有效除塵，監(jiān)測(cè)粉塵濃度為735.6 mg/m3。通過(guò)除塵系統(tǒng)作用后，司機(jī)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)和掘進(jìn)機(jī)后方的粉塵濃度明顯降低，除塵效率分別達(dá)到了74.8%和86.7%，表明除塵系統(tǒng)能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)前方的大部分粉塵吸收。在射流管與風(fēng)筒內(nèi)碰撞吸附以及沉降作用的共同影響下，粉塵與水形成了塵水混合物從排水管排除，降塵效果明顯有效。通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)作下的除霧器除霧效果非常明顯，在整個(gè)掘進(jìn)除塵階段，巖巷未出現(xiàn)明顯起霧現(xiàn)象，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)四老溝煤礦當(dāng)前采用噴霧水幕和電除塵配合除塵系統(tǒng)降塵效果不明顯，且系統(tǒng)復(fù)雜容易出現(xiàn)運(yùn)行故障的情況，研究氣水射流通風(fēng)除塵器系統(tǒng)替代當(dāng)前通風(fēng)除塵系統(tǒng)。

（1）氣水射流除塵裝置實(shí)質(zhì)上是一種液氣射流泵，屬于流體輸送機(jī)械和混合反應(yīng)設(shè)備，泵內(nèi)氣液運(yùn)動(dòng)可以分為氣水相對(duì)運(yùn)動(dòng)段、液滴運(yùn)動(dòng)段以及泡沫流運(yùn)動(dòng)段三個(gè)過(guò)程，裝置除塵過(guò)程包含了重力沉降、慣性碰撞、截流、擴(kuò)散等不同作用力的影響。

（2）針對(duì)四老溝煤礦東翼皮帶大巷特點(diǎn)確定氣水射流通風(fēng)除塵器氣液比24:1，吸入室直徑550 mm，彈簧風(fēng)筒長(zhǎng)度5 m，除霧器與風(fēng)筒間距300 mm。

（3）東翼皮帶大巷搭建氣水射流通風(fēng)除塵器工業(yè)性試驗(yàn)系統(tǒng)，氣水射流除塵器通過(guò)碰撞吸附以及沉降作用將粉塵與水形成塵水混合物從排水管排除，除塵效率達(dá)到86.7%；絲網(wǎng)式除霧器在系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)作下保證了整個(gè)掘進(jìn)除塵階段巖巷未出現(xiàn)明顯起霧現(xiàn)象，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。