區(qū)域受控循環(huán)通風(fēng)過程中的高壓噴霧降塵

李錦峰 謝賢平 章能勝 紀(jì)承子 王彥波

(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院)

礦山在原有通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，有效增加系統(tǒng)進風(fēng)量往往是比較困難的［1］。對于在建礦山而言，通過改變主扇的一些通風(fēng)技術(shù)參數(shù)或?qū)υ邢到y(tǒng)進行一些技術(shù)改造，可以解決一部分通風(fēng)問題。但是，在綜合考慮技術(shù)可行、經(jīng)濟合理等方面的因素后發(fā)現(xiàn)，單方面地考慮增加系統(tǒng)進風(fēng)量，會導(dǎo)致系統(tǒng)通風(fēng)阻力增大，大大提高通風(fēng)成本。對于一個礦山的某些局部區(qū)域而言，需探求新的通風(fēng)技術(shù)［2］，受控循環(huán)通風(fēng)就是在這種情況下提出來的。就非煤礦山而言，應(yīng)用該項技術(shù)必須注意這樣一個原則:循環(huán)風(fēng)流的引入不能使系統(tǒng)內(nèi)的粉塵濃度超標(biāo)，否則不能直接引用，須經(jīng)有效凈化后才能引用［3］。探求高效、合理、經(jīng)濟的粉塵凈化措施是應(yīng)用該項技術(shù)的研究重點。

1 受控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)粉塵的危害性

井下作業(yè)環(huán)境艱苦，光線較差，粉塵表現(xiàn)出極大的危害性，主要有以下幾個方面:

(1)危害作業(yè)人員的健康，引起職業(yè)病。主要是可能造成塵肺病，這不但嚴(yán)重威脅礦山工作者的生命健康與安全，還給國家與礦山企業(yè)未來發(fā)展帶來不良的社會影響和巨大的經(jīng)濟損失。井下粉塵問題已經(jīng)引起了世界范圍的關(guān)注，特別是使用受控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)的回采工作面。

(2)粉塵循環(huán)加劇工作面能見度較低的問題，造成意外事故。井下工作面本來能見度就很低，如果工作場所使用受控循環(huán)通風(fēng)可能引起粉塵的二次污染，進一步降低工作場所的能見度。如果不加以控制，可能會增加事故的發(fā)生，造成人員的意外傷亡、設(shè)備的意外損害。同時長時間地在能見度很低的環(huán)境下工作，會傷害勞動者眼睛，引起視力疲勞，造成眼部疾病。

(3)某些粉塵在一定濃度條件下會發(fā)生爆炸事故。爆炸造成的次生災(zāi)害也是不可小視的，特別是在煤礦，其爆炸的后果就是人員傷亡或是設(shè)備設(shè)施的破壞，這無疑會給企業(yè)帶來巨大的損失。

(4)粉塵可能會加速機械磨損，縮短機械壽命，特別是有些礦山使用精密儀器。

因此，受控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)防塵系統(tǒng)的設(shè)計與研究是十分必要的［4］。

2 受控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)粉塵濃度變化

2.1 循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)粉塵的粒徑分布

一般礦山生產(chǎn)活動產(chǎn)生的礦塵叫作粉塵，通常情況下，按照粉塵粒徑的大小將其分為:①粗塵，粒徑＞40μm;②細塵，粒徑為10～40μm;③微塵，粒徑為0.5～10μm;④超微塵，粒徑小于0.5μm。

2.2 循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)降塵主體的研究

粉塵粒徑的大小直接影響其物理特性，也是研究防塵措施需要考慮的重點。一般情況下，粒徑為10μm以上的粉塵因其具有自身沉降的特性，故而在產(chǎn)塵點附近很快就會自然沉降對作業(yè)環(huán)境影響較小，況且粒徑大于10μm的粉塵即使進入人體，也會被人體的鼻咽所阻留，減少其對人體的危害。而粒徑小于10μm的粉塵，其在人體內(nèi)具有較高的穿透能力，且粒徑越小，穿透能力越強。國際上把能夠吸入且穿透和沉降在末端細支氣管的懸浮粉塵定義為“可吸入粉塵”，即呼吸性粉塵，一般其臨界粒徑就是10μm［5］。所以本研究主要探討針對粒徑為10μm以下粉塵的降塵措施。

2.3 各巷道的粉塵濃度變化研究

如圖1所示，以后退式回采工作面為例，探討采用受控循環(huán)通風(fēng)前后工作面粉塵的濃度變化。該系統(tǒng)由用風(fēng)地點、進風(fēng)巷、回風(fēng)巷、循環(huán)風(fēng)機和循環(huán)聯(lián)道構(gòu)成。進風(fēng)巷新鮮風(fēng)量為Q1;循環(huán)聯(lián)道風(fēng)量為Q4;用風(fēng)地點風(fēng)量為Q2，Q2是循環(huán)聯(lián)道風(fēng)量與新鮮風(fēng)量之和;Q3一般與Q2相等;Q5為Q3與Q4之差，與Q1相等［1］。

圖1 退式回采受控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)布置

假設(shè)進風(fēng)巷、混合進風(fēng)巷、用風(fēng)地點回風(fēng)巷、循環(huán)聯(lián)道、系統(tǒng)回風(fēng)巷粉塵濃度分別為d1、d2、d3、d4、d5，用qd1表示進風(fēng)巷粉塵量，qd表示工作面產(chǎn)塵量，凈化器凈化效率為η，有

有

常規(guī)通風(fēng)時，循環(huán)聯(lián)道中無風(fēng)流通過，Q4=0，此時

有循環(huán)風(fēng)時，用風(fēng)地點回風(fēng)流在循環(huán)風(fēng)機作用下，部分被引入與新鮮風(fēng)流混合，循環(huán)通風(fēng)過程中，循環(huán)率F表示循環(huán)聯(lián)道內(nèi)引入污風(fēng)多少的比例:

按風(fēng)量平衡定律，各巷道風(fēng)量之間的關(guān)系為

第1次循環(huán)時，有

第2次循環(huán)時，有

第n次循環(huán)時，有

上述公式表明，系統(tǒng)內(nèi)粉塵濃度與新鮮風(fēng)流的粉塵濃度、新鮮風(fēng)量值、工作面的產(chǎn)塵量、降塵效率和循環(huán)系數(shù)等因素有關(guān)。

假設(shè)工作面單位時間內(nèi)生成的粉塵量為q'd，工作面粉塵的初始濃度為d0，經(jīng)過凈化器凈化處理后循環(huán)風(fēng)的粉塵濃度為d4，工作面空間體積為V，m3，紊流擴散系數(shù)為E，則在d t時間內(nèi)工作面產(chǎn)生污染物的量為q'dd t，工作面回風(fēng)流帶走的污染物量為

在同一時間內(nèi)，循環(huán)風(fēng)流帶進工作面的污染物量為Q4d4d t，系統(tǒng)新鮮風(fēng)帶入工作面的污染物量為Q1d1d t，工作面空間污染物量的變化為V d d3，則

又因為Q4=FQ3，所以，式(9)變?yōu)?/p>

此方程為開路循環(huán)凈化過程的微分方程式，也可以寫成

當(dāng)工作面污染物為連續(xù)產(chǎn)生，循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)中有凈化器，如鑿巖、連續(xù)放礦、連續(xù)出礦，污染物濃度可以看成一個穩(wěn)定狀態(tài)，d d3/d t=0，代入式(12)簡化可得

通過上式分析可得，在應(yīng)用受控循環(huán)通風(fēng)的區(qū)域，合理地選取循環(huán)率和凈化效率是循環(huán)通風(fēng)節(jié)能的關(guān)鍵。而在礦山通風(fēng)節(jié)能方面可以適當(dāng)提高凈化效率，以達到降低風(fēng)機能耗的目的。

3 高壓噴霧降塵系統(tǒng)設(shè)計分析

呼吸性粉塵是礦山粉塵治理的主要對象，對于采用受控循環(huán)通風(fēng)的礦山，對其治理尤為重要，這是因為通常礦山在濕式作業(yè)的條件下，10μm以下的粉塵占80%以上［6］。

3.1 高壓噴霧降塵系統(tǒng)的優(yōu)勢

(1)降塵效率高。應(yīng)用壓力型噴霧措施進行循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)的降塵處理，其效果的好壞取決于對噴霧霧粒及粉塵物理特性的研究。礦山井下空氣中的粉塵粒徑以10μm以下居多，而對于該粒徑的粉塵，需要用相應(yīng)粒徑的噴霧來進行有效匹配沉降。高壓噴霧具有荷電霧粒多、霧流渦流強度大、霧粒分布均勻等優(yōu)點，對礦山井下呼吸性粉塵可以取得80%～90%降塵率的效果。

(2)投資低、管理方便。應(yīng)用傳統(tǒng)的機械除塵對井下空氣進行凈化，往往需要購置一些除塵凈化設(shè)備，這種方式雖然可以取得較好的降塵效率，但是運行過程中需要進行經(jīng)常性維護與管理，相比之下，高壓噴霧系統(tǒng)所耗用的資金卻少得多。

(3)可以進行區(qū)域降溫。采用高壓噴霧降塵系統(tǒng)，系統(tǒng)本身的功能是對區(qū)域受控循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)進行降塵，但由于噴霧本身的特性，可以通過合理控制噴霧水溫來對循環(huán)風(fēng)的溫度進行控制，最終達到控制循環(huán)區(qū)溫度的目的。

(4)噴霧劑可調(diào)。在現(xiàn)場使用高壓噴霧降塵系統(tǒng)的過程中，噴霧劑通常使用的是清潔用水，而對于一些特殊的粉塵，可以根據(jù)其本身物理特性，通過調(diào)節(jié)噴霧劑的特性與其進行合理匹配，從而達到提高降塵效率的目的。

(5)安全可靠。金屬非金屬地下礦山基本不存在瓦斯威脅，也很少有井下粉塵爆炸危險。利用高壓噴霧降塵系統(tǒng)可以從根本上解決區(qū)域范圍內(nèi)粉塵濃度的問題，既節(jié)約時間，又節(jié)約資金，對礦井生產(chǎn)、安全也十分有利［7］。

3.2 高壓噴霧參數(shù)對降塵系統(tǒng)的影響

高壓噴霧降塵系統(tǒng)參數(shù)主要包括噴霧水壓力、噴嘴直徑、噴嘴間距、噴嘴方向等，這些參數(shù)間的合理匹配是達到理想降塵效率的關(guān)鍵。

3.2.1 水壓對噴霧降塵的影響

具有一定壓力的水經(jīng)過噴嘴時，在其內(nèi)部噴芯攪動作用下使水流運動方向成發(fā)散狀態(tài)，由于攪動具有較大的相對速度，使水流的液滴不斷破裂，形成水霧。從能量角度來看，較高的水壓能使霧流具有較大的速度。

對于高壓噴霧系統(tǒng)而言，噴霧壓力決定了霧流形式。以螺旋槽芯的噴嘴為例，當(dāng)壓力在2.5～3.5MPa時，霧流呈現(xiàn)實心圓錐形，隨著噴霧壓力增大，霧流圓錐形區(qū)域縮短變成圓柱形，進一步提高噴霧壓力會增加圓柱段長度，并伴隨有強烈的渦流運動。由于粉塵在霧流內(nèi)通過的路程長，從而提高了降塵效果。同時高壓霧粒的電荷大也是其降塵效率高的原因。

3.2.2 噴嘴壓力、直徑與霧滴直徑的匹配關(guān)系

霧粒大小決定了降塵效果。資料表明，一般情況下霧粒為80～100μm對呼吸性粉塵具有較好的降塵效果。而霧粒大小又由噴嘴直徑和噴霧壓力共同決定，其關(guān)系存在一個經(jīng)驗公式，見文獻［8］。

通過噴嘴壓力、噴嘴直徑、噴霧粒徑間的匹配關(guān)系研究表明:采用1.0 mm直徑噴嘴在迎風(fēng)向下45°、水壓力為7.5～10 MPa間恒壓噴霧時，霧粒的顆粒度為100μm左右，為最佳降塵霧粒直徑，所以最佳水壓力為7.5～10 MPa［9］。

3.2.3 噴嘴選型與布置

研究表明，噴嘴的霧化質(zhì)量主要取決于其轉(zhuǎn)化原理和結(jié)構(gòu)［10］。本研究采用旋轉(zhuǎn)壓力式噴嘴。其具有以下優(yōu)點:噴嘴零部件維修簡單，拆裝方便，且不易堵塞;霧化效果好，霧滴尺寸分布比較均勻;制造成本低;噴霧角的大小可以調(diào)節(jié)［11］。

噴嘴間距就是噴嘴與噴嘴間的距離(即單位長度或單位面積上要布置的噴嘴數(shù)量)。噴嘴間距越小，則單位長度或單位面積上要布置的噴嘴就越多，噴霧覆蓋率也就越大，降塵效果也就越好，工程投資也就越大。試驗研究表明，間距0.5 m可以取得較好的除塵效果［12］。

4 結(jié)論

(1)通過分析循環(huán)風(fēng)對工作面粉塵濃度的影響可以得到:在采用受控循環(huán)通風(fēng)的系統(tǒng)中，系統(tǒng)穩(wěn)定后，用風(fēng)地點回風(fēng)流中粉塵濃度的大小與循環(huán)系數(shù)無關(guān)，決定于循環(huán)內(nèi)工作面粉塵產(chǎn)生量、新鮮進風(fēng)量及新鮮進風(fēng)的風(fēng)質(zhì)。而混合進風(fēng)道粉塵濃度大于常規(guī)時的濃度，決定于循環(huán)系數(shù);系統(tǒng)內(nèi)粉塵濃度與新鮮風(fēng)流的粉塵濃度、新鮮風(fēng)量值、工作面的產(chǎn)塵量、降塵效率和循環(huán)系數(shù)等因素有關(guān)。

(2)應(yīng)用受控循環(huán)通風(fēng)的區(qū)域，合理地選取循環(huán)率和凈化效率是循環(huán)通風(fēng)節(jié)能的關(guān)鍵。通?？梢赃m當(dāng)提高凈化效率，以達到降低風(fēng)機能耗的目的。

(3)研究表明:高壓噴霧系統(tǒng)噴嘴迎風(fēng)向下45°、噴嘴直徑1.0 mm、噴水水壓7.5 MPa、噴嘴間距0.5 m的布置形式可以使循環(huán)風(fēng)中的呼吸性粉塵沉降率達到90%，此降塵率可以保障循環(huán)風(fēng)安全運行。同時該種布置方式耗水量適中，對于礦山用水困難的區(qū)域較為適用。

(4)合理控制噴霧用水水溫，能夠?qū)ρh(huán)系統(tǒng)起到降溫作用，這有利于改善礦山井下區(qū)域作業(yè)條件。

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