組合壓氣低壓水吸風(fēng)噴霧射流防控綜掘割巖粉塵研究

孔德增，馬中飛，周永康，劉新園，李 虎

江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

人們吸入巖塵導(dǎo)致塵肺病的風(fēng)險比煤塵更大，綜掘割巖的全塵、呼吸性粉塵產(chǎn)塵是最嚴重作業(yè)之一，對人體危害極大，且存在割巖瓦斯和火花隱患等安全隱患，因此，綜掘割巖防塵是礦山防塵的重點之一[1]。在綜掘割巖防塵方面，在掘進機內(nèi)外噴霧的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外主要對高壓噴霧、電動葉輪式除塵風(fēng)機配合附壁風(fēng)筒、單噴嘴風(fēng)水噴霧、擋塵風(fēng)簾、化學(xué)降塵劑、泡沫降塵、風(fēng)幕集塵結(jié)合葉輪式除塵風(fēng)機、長壓短抽通風(fēng)降塵技術(shù)改進、綜掘機內(nèi)外噴霧改進、壓力水旋轉(zhuǎn)霧化降塵、直射出風(fēng)和斜向分風(fēng)結(jié)合等[2-14]進行了研究，對防控綜掘割巖粉塵起到一定作用。但由于種種原因，其實際防控效果不盡如人意，如傳統(tǒng)應(yīng)用廣泛的掘進機單噴嘴內(nèi)外噴霧霧化效果差；高壓噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對水質(zhì)要求很高，因此，現(xiàn)場粉塵質(zhì)量濃度 (特別是呼吸性粉塵) 嚴重超標(biāo)，迫切需要研究結(jié)構(gòu)簡單、現(xiàn)場應(yīng)用方便、安全可靠、成本低廉、效果顯著的粉塵防治技術(shù)[15-16]，為此筆者對組合壓氣低壓水吸風(fēng)噴霧射流防控綜掘割巖粉塵進行了試驗研究。

1 組合壓氣低壓水吸風(fēng)噴霧射流作用原理

壓氣水噴霧射流氣水幕是指壓氣與低壓水混合，經(jīng)壓氣水射流噴嘴噴出形成的氣水幕。壓氣水噴嘴結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，由連接部、六角棱、半球外殼和 6 個梭形孔組成，連接部、六角棱內(nèi)部為流體過渡段，流體過渡段從入口的圓柱體漸變?yōu)榘肭蝮w，半球外殼的外形呈半球體外表面，6 個梭形孔均布于半球外殼上，其梭形孔的外表面為梭形，內(nèi)表面為橢圓形，長軸等于半球面半徑，短軸長 1～4 mm，內(nèi)外表面倒角為 15°～35°，水氣流依次經(jīng)過圓柱體、半球體，從 6 個梭形孔噴出。

圖1 壓氣水噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of pressurized water nozzle

壓氣和自然水在混合器混合后，由于壓風(fēng)對水產(chǎn)生切割分離作用，使得壓氣與水通過第一次慣性碰撞、切割分離后霧化成氣水混合物；經(jīng)過噴嘴導(dǎo)水芯時，壓氣水產(chǎn)生離心力，通過噴口高速噴出時，與靜止的空氣存在速度不連續(xù)的間斷面，間斷面受到不可避免的干擾，失去穩(wěn)定而產(chǎn)生渦旋，渦旋卷吸周圍的空氣進入射流，同時不斷移動、變形、分裂，產(chǎn)生紊動，這樣，由于噴嘴出口處射流邊界層的紊動擴散及黏滯作用，水射流與含塵空氣產(chǎn)生動量交換，其壓氣水混合物被剪切分散形成細小液滴而進行二次霧化射流并形成氣水幕。

壓氣水吸風(fēng)噴霧器由壓氣水射流噴嘴和外部增設(shè)射流管 (含吸入室、喉管、擴散管) 組成，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 壓氣水吸風(fēng)噴霧器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural sketch of pressurized water air suction sprayer

氣水射流噴嘴位于射流管中心，具有獨特的通風(fēng)功能。壓氣水通過壓氣水射流噴嘴快速噴出后在射流管內(nèi)形成二次霧化射流，該射流與管內(nèi)空氣發(fā)生動量交換而產(chǎn)生負壓，將吸入室及外界的氣體卷吸到喉管；射流到達喉管時，因喉管斷面最小，速度增至最高，使得氣壓降至低于吸入室及外界的氣壓，促使吸入室內(nèi)及外界含塵空氣向喉管流動；射流在喉管中運動時，氣水射流和空氣呈多相混合運動，它們進行能量和質(zhì)量的傳遞，壓力水速度減小，被吸空氣速度增大，結(jié)果又使外界及吸入室的含塵氣體增加；最后，射流水在擴散管運動時，含塵水氣速度已經(jīng)基本一致，由于擴散管斷面呈增大趨勢，水氣速度減小，使得水氣混合物的部分動能轉(zhuǎn)化成壓能，又增加了抽吸和壓縮的效果。由于上述獨特的通風(fēng)功能，壓氣水噴霧二次霧化射流同時與被吸氣體再次水氣碰撞而形成三次氣水混合射流。因此，霧化效果更好，抽吸的空氣量大，通風(fēng)作用更強，氣水幕氣流更穩(wěn)定、霧滴更細。

如圖 3 所示，綜掘組合壓氣低壓水吸風(fēng)噴霧系統(tǒng)由多個壓氣水噴嘴、多個壓氣水吸風(fēng)噴霧器、壓氣水混合分配器、閥門、高壓軟管等組成。壓氣水噴嘴、壓氣水吸風(fēng)噴霧器并排間隔布置在伸縮臂后部的上半圓周表面，壓氣與低壓水通過壓氣水混合器和分配器進入吸風(fēng)噴嘴器后，抽吸較多的后部空氣進入射流后形成穩(wěn)定、細霧滴的多次氣水混合射流，卷吸后部及周圍的含塵空氣進入氣水混合射流，增加了多次氣水混合射流的總體空氣參與量并保證氣水幕穩(wěn)定性，從而在滾筒上半圓周圍形成由多個壓氣水噴霧射流氣水幕和壓氣水吸風(fēng)噴霧射流氣水幕組成的無間隙、環(huán)形吸風(fēng)氣水幕，攔截、濕潤、控制掘進機截割的產(chǎn)塵，并將余塵抽吸到水幕中濕潤降塵，同時還能有效地驅(qū)散截割處瓦斯，其壓氣水細水霧的還具備高效滅火作用，消除截割煤巖可能產(chǎn)生的火花，起到降塵、降瓦斯和消除火源的“三位一體”效果。

圖3 壓氣水噴嘴與壓氣水吸風(fēng)噴霧器布置示意Fig.3 Layout sketch of pressurized water nozzle and pressurized water air suction sprayer

2 試驗地點與試驗系統(tǒng)

2.1 試驗工作面概況

工業(yè)性試驗在渦北煤礦 85 采區(qū)運輸石門及上山巖巷綜掘工作面進行。該掘進面采用 EBZ-260B 型掘進機進行銑削式切割。

EBZ-260B 型掘進機原有噴霧系統(tǒng)包括內(nèi)外噴霧和高壓文丘里噴霧裝置，整體霧化效果較差。其中，內(nèi)噴霧在每個截齒處設(shè)有圓孔噴嘴，因旋轉(zhuǎn)水密封漏水而無法使用；外噴霧為由截割電動機出來的冷卻水通過環(huán)繞在截割部伸縮臂后部的十多個普通噴嘴進行半環(huán)形噴霧，其所需流量和壓力與供水系統(tǒng)的流量和壓力不匹配，設(shè)計噴霧水壓為 1.0 MPa，所需水量為 100 L/min，而提供的供水壓力 ＜ 1.0 MPa，供水流量遠小于所需耗水量，故外噴霧效果甚微；高壓文丘里噴霧裝置由 BPW40/8J 型機載噴霧泵和 2 個安設(shè)在機身兩側(cè)的文丘里噴霧器組成，作用范圍小，僅為截割頭局部產(chǎn)塵點，且機載噴霧泵故障率較高，使用不正常。

施工范圍內(nèi)主要巖性為灰?guī)r、煤、泥巖、鋁質(zhì)泥巖、細粉砂巖及斷層破碎帶，地溫為 28.7～34.5 ℃，瓦斯含量為 0～2.21 m3/t，瓦斯壓力為 0.1 MPa。巷道斷面為三心拱形，支護形式為錨帶索注，巷道凈寬×凈高=5 200 mm×3 600 mm，壓風(fēng)管路為 4 英寸，巷道內(nèi)使用 4 英寸防塵供水管路，采用長壓短抽通風(fēng)，壓入式通風(fēng)的局部通風(fēng)機型號為 FBD NO.6.3 (2×30 kW) 對旋式局部通風(fēng)機，配套風(fēng)筒直徑為 800 mm，供風(fēng)量為 320～590 m3/min，全風(fēng)壓為 760～5 900 Pa；抽出式除塵風(fēng)機型號為 KCG-500D。

2.2 試驗系統(tǒng)

現(xiàn)場壓縮空氣壓力為 0.4～0.6 MPa，井下防塵自然水壓力為 0.6～1.2 MPa。綜掘組合壓氣低壓水吸風(fēng)噴霧現(xiàn)場試驗系統(tǒng)由 2 個壓氣水噴嘴、3 個壓氣水吸風(fēng)噴霧器，以及壓氣水混合分配器、閥門、高壓軟管等組成。每個壓氣水噴嘴的梭形孔外表面為梭形，內(nèi)表面為橢圓形，長軸等于半球面半徑，短軸為 3 mm，內(nèi)外表面倒角為 25°，噴嘴耗水量為 3～5 L/min、耗氣量為 30～50 L/min，霧滴索太爾平均直徑 (SMD) 為 76.0 μm，霧化角為 60°，有效射程為 245 cm。單個壓氣水吸風(fēng)噴霧器總長度為 120～150 mm，外徑為 60～70 mm，喉嘴距為 25～40 mm，吸入室內(nèi)徑為 55 mm，喉管直徑為 40～50 mm，喉管長 35～45 mm，擴散管的擴散角為 35°～45°，索太爾平均直徑 (SMD) 為 64.0 μm，吸風(fēng)量為 12 m3/min，霧化角為 65°，有效射程為 269.0 cm?，F(xiàn)場壓氣和自然水接入壓氣水混合分配器后，其氣水混合物通過間隔布置的 2 個壓氣水噴嘴和 3 個壓氣水吸風(fēng)噴霧器進行噴霧降塵、降瓦斯和消除火源。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 氣水幕效果

該工作面原有噴霧系統(tǒng)整體霧化效果較差。采用組合壓氣低壓水吸風(fēng)噴霧系統(tǒng)后，在滾筒周圍形成環(huán)形氣流的吸風(fēng)氣水幕，霧化效果好，噴嘴噴孔直徑大不易堵塞。吸風(fēng)氣水幕效果如圖 4 所示。

圖4 吸風(fēng)氣水幕效果Fig.4 Effects of air suction water curtain

3.2 降塵效果

按照國家規(guī)定，采用濾膜計重粉塵測定方法，分別測定全塵、呼吸性粉塵含量。使用承德產(chǎn) DCH2Ⅱ型防爆粉塵采樣器，采用十萬分之一分析天平稱重。粉塵質(zhì)量濃度測點分別為司機處和掘進機回風(fēng) 10～15 m 處。試驗前后全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度平均值如表 1 所列。

從表 1 可以看出，采用本防塵措施后，司機處的全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別為 36.1 和 16.1 mg/m3，相比無防塵措施降塵率分別為 96.1%、96.9%，相比原防塵措施降塵率分別為 95.4%、95.1%；工作面回風(fēng) 10～15 m 處的全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別為 16.1 mg/m3和 13.6 mg/m3，相比無防塵措施降塵率分別為 96.8%、97.0%，相比原防塵措施降塵率分別為 96.3%、95.2%。

表1 平均粉塵質(zhì)量濃度測定結(jié)果Tab.1 Measurements of average mass density of dust

3.3 降瓦斯和消除火花等效果

為了考察滾筒截齒附近的降瓦斯效果，在制定安全措施情況下，當(dāng)滾筒截齒截割正常后，停止?jié)L筒截割，測定滾筒截齒處的瓦斯情況。在原技術(shù)措施下，滾筒截齒處位于通風(fēng)渦流區(qū)，瓦斯不易及時排放，瓦斯?jié)舛葹?0.15%；采用本措施后，由于安裝了氣水噴嘴和壓氣水吸風(fēng)式噴霧器，共產(chǎn)生了 36 m3/min 的風(fēng)量，瓦斯得以及時排放，滾筒截齒處的瓦斯?jié)舛冉禐?0.05%，提高了現(xiàn)場生產(chǎn)安全系數(shù)。

在消除截割火花方面，其他工作面采用原有系統(tǒng)時，常有截齒截割火花產(chǎn)生，采用本措施后，未產(chǎn)生截齒截割火花。

4 結(jié)論

通過理論分析，并在淮北礦業(yè)集團渦北煤礦 85 采區(qū)運輸石門及上山巖巷綜掘工作面進行了組合壓氣低壓水吸風(fēng)噴霧射流防控綜掘割巖降塵試驗，可得出如下結(jié)論。

(1) 組合壓氣低壓水吸風(fēng)噴霧射流由多個壓氣水和壓氣水吸風(fēng)噴霧形成的無間隙、環(huán)形吸風(fēng)氣水幕，不僅能攔截、濕潤、控制掘進機截割的產(chǎn)塵，并將余塵抽吸到水幕中濕潤降塵，同時也有效地驅(qū)散截割處瓦斯，其壓氣水細水霧具有高效滅火作用，消除了截割煤巖可能產(chǎn)生的火花，起到了降塵、降瓦斯和消除火源的“三位一體”效果。

(2) 降塵效果明顯。與原措施相比，司機處和掘進機回風(fēng) 10～15 m 處的全塵降塵率為 95.4%～96.3%，呼吸性粉塵降塵率為 95.1%～95.2%。

(3) 降瓦斯和消除火花效果明顯。瓦斯降低率達 70% 左右，并可有效消除截割火花。

組合壓氣低壓水吸風(fēng)噴霧射流是至今防控綜掘割巖粉塵的最有效方法之一，綜合效果顯著，系統(tǒng)簡單、成本低廉、使用方便。