氣水噴霧自動(dòng)降塵裝置的研發(fā)與應(yīng)用

彭建輝

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)三元煤業(yè),山西 長(zhǎng)治 046000)

在煤礦生產(chǎn)掘進(jìn)過(guò)程中,采、掘、運(yùn)各個(gè)工序都會(huì)產(chǎn)生大量粉塵[1-3]。隨著采煤工作面推進(jìn)速度的加快,在增加煤炭產(chǎn)量的同時(shí)加劇了礦井粉塵濃度高的問(wèn)題,嚴(yán)重影響煤礦作業(yè)人員的生命安全。煤礦粉塵危害主要有兩方面:一是對(duì)人體的危害,如果人的肺部長(zhǎng)期吸入大量的粉塵,極其容易患?jí)m肺病,塵肺病是目前危害較大的一種礦工職業(yè)病[4-5];二是煤塵爆炸危害,煤塵爆炸是煤礦的重大災(zāi)害之一,它嚴(yán)重威脅著礦井安全,尤其是半煤巖巷道和高突礦井,問(wèn)題更加突出[6-8]。

長(zhǎng)期以來(lái),井下礦塵一直威脅著煤礦的安全和煤礦職工的身體健康[9-10],傳統(tǒng)的噴霧是通過(guò)水壓提供動(dòng)力的,其噴霧距離短,噴霧覆蓋面積小,并且噴霧霧化效果不好,且嚴(yán)重浪費(fèi)了水資源,如果出現(xiàn)靜壓水壓力不足或者串聯(lián)現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí),噴霧經(jīng)常出現(xiàn)出水不出霧現(xiàn)象,不能有效地降低空氣中的浮塵[11-12]。另外,井下噴霧噴頭在工作面靜壓水水質(zhì)、煤巖塵、水和風(fēng)的共同作用下,噴頭銹蝕堵塞而不能進(jìn)行噴霧,在堿性和酸性環(huán)境下,噴頭腐蝕導(dǎo)致噴霧裝置不能很好地霧化,加之井下環(huán)境潮濕,嚴(yán)重影響了噴霧降塵效果[13]。

針對(duì)上述問(wèn)題,從“雙碳目標(biāo)”“生命至上、人民至上”角度出發(fā),本文設(shè)計(jì)研制了一套新型噴霧降塵裝置,有效降低了作業(yè)場(chǎng)所粉塵濃度,保障了安全生產(chǎn),降低了塵肺病發(fā)病率增強(qiáng)煤礦抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力,并為煤礦粉塵防治提供一定基礎(chǔ)。

1 氣水噴霧的研發(fā)

1.1 氣水噴霧的捕塵原理

氣水噴霧降塵裝置是一種新型、高效、低能耗、噴霧距離遠(yuǎn)的自動(dòng)噴霧降塵裝置。主要原理是利用專(zhuān)用霧化噴嘴將高速的空氣流和高壓水進(jìn)行氣水混合霧化形成高壓水,高壓水將水霧化成微細(xì)小滴,形成比傳統(tǒng)噴霧更細(xì)小的水霧,其噴射于空氣中與浮塵碰撞接觸,塵粒被水捕捉而附于水滴上或者濕潤(rùn)的塵?；ハ嗄纱箢w粒,從而加速其沉降,使之盡快變?yōu)槁鋲m。這種水霧是一種可以漂浮移動(dòng)的薄霧團(tuán),薄霧團(tuán)在空中的滯留時(shí)間比傳統(tǒng)的噴霧大大增加,增加水霧的降塵面積,對(duì)粉塵具有更好的吸附作用,從而達(dá)到最佳的降塵效果。另外,影響水滴捕塵效果的主要因素是水滴粒度。水滴小,在空氣中分布密度就大,與礦塵接觸機(jī)會(huì)就越多,捕塵效果就越好。

1.2 氣水噴霧裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的氣水噴霧裝置整體呈“H”型構(gòu)造,為嘴狀噴霧體,如圖1所示。

圖1 氣水噴霧的內(nèi)部原理圖

設(shè)備帶有連通前后端的進(jìn)水通道和側(cè)面連通前端的進(jìn)風(fēng)通道,噴霧體后端連接進(jìn)水管,噴霧體前端連接噴霧芯,噴霧芯中部的出水通道與噴霧體的水通道連通,噴霧芯圍繞出水通道周圈布有若干出氣孔,出氣孔與噴霧體的風(fēng)通道連通,帶有前噴口的噴霧頭固定在噴霧芯前部,噴霧體側(cè)面連接與噴霧體風(fēng)通道連通的進(jìn)風(fēng)管。

設(shè)計(jì)的噴霧嘴較傳統(tǒng)噴霧裝置增加了噴霧裝置出水口的動(dòng)能,提高了霧化效果;并且噴霧距離遠(yuǎn),水霧覆蓋面更大,降塵效果好;同時(shí),對(duì)水質(zhì)要求不嚴(yán),噴頭出口不易堵塞;操作簡(jiǎn)單,移動(dòng)方便。

1.3 氣水噴霧裝置外部連接設(shè)計(jì)

氣水噴霧裝置用于井下各采掘面和轉(zhuǎn)載點(diǎn)處,設(shè)備在井下連接效果如圖2所示,左側(cè)顯示為氣水噴霧桿,右側(cè)顯示為進(jìn)風(fēng)與進(jìn)氣裝置的連接示意。氣水噴霧降塵裝置由進(jìn)氣口、進(jìn)水口、壓風(fēng)管、靜壓水管、氣水霧化噴嘴、壓風(fēng)管三通、壓風(fēng)管彎頭、靜壓水管彎頭、靜壓水管三通、調(diào)節(jié)閥、分風(fēng)器、氣水噴霧桿等組成;進(jìn)氣口通過(guò)壓風(fēng)管、分風(fēng)器、壓風(fēng)管彎頭和壓風(fēng)管三通與氣水霧化噴嘴的進(jìn)氣端口側(cè)相連;而進(jìn)水口通過(guò)靜壓水管、靜壓水管彎頭和靜壓水管三通共同與氣水霧化噴嘴的進(jìn)水端口側(cè)相連,并且與氣水霧化噴嘴形成并聯(lián);壓縮空氣先由壓風(fēng)管輸入,經(jīng)氣水霧化噴嘴噴出,同時(shí)靜壓水由進(jìn)水管輸入,經(jīng)噴嘴口噴出,通過(guò)進(jìn)水口與進(jìn)氣口的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣水比,以氣霧方式噴出。本裝置具有耗水量小,霧化效果好,裝置拆卸方便,降塵效率高等特點(diǎn)。

圖2 氣水噴霧的整體連接效果圖

1.4 氣水噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣水噴霧在井下投入使用后,需人工操作才能開(kāi)啟噴霧。為了使氣水噴霧能自動(dòng)操作,對(duì)氣水噴霧進(jìn)行自動(dòng)降塵,將氣水噴霧與大溜機(jī)頭聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)大溜開(kāi)則噴霧開(kāi)的效果的同時(shí)加裝紅外感應(yīng),實(shí)現(xiàn)“人過(guò)”停噴,“人走”即開(kāi)的最終效果。該系統(tǒng)分為兩部分:一部分為井下粉塵監(jiān)測(cè)設(shè)備、噴霧裝置、控制設(shè)備、傳輸線路等;另一部分為地面設(shè)備及監(jiān)測(cè)軟件,包括數(shù)據(jù)采集接口、數(shù)據(jù)服務(wù)器、后備電源、管理工作站、監(jiān)測(cè)監(jiān)控軟件等。該系統(tǒng)整體組成示意圖如圖3所示。

圖3 氣水噴霧整體系統(tǒng)圖

圖3顯示的一套氣水噴霧裝置的主要關(guān)聯(lián)設(shè)備為主控箱1臺(tái)、電動(dòng)球閥2臺(tái),根據(jù)適用場(chǎng)所不同配置相應(yīng)的傳感器,傳感器負(fù)責(zé)采集大溜開(kāi)機(jī)信號(hào),其主要工作原理為當(dāng)傳感器探測(cè)到控制信號(hào)時(shí),信號(hào)送入主控箱,主控箱先后控制高壓風(fēng)閥、高壓水閥開(kāi)啟,將高壓風(fēng)、高壓水輸送到風(fēng)水噴頭進(jìn)行噴霧降塵(風(fēng)水噴頭可對(duì)風(fēng)水壓力大小進(jìn)行調(diào)整),噴霧工作至延時(shí)時(shí)間(延時(shí)可調(diào))停止噴霧降塵;同時(shí)在巷道前后設(shè)置紅外線傳感器,當(dāng)采集到“人過(guò)”信號(hào)時(shí),即停止噴霧,當(dāng)“人過(guò)”后,繼續(xù)進(jìn)行工作。

2 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證氣水噴霧裝置的實(shí)用性,選取山西晉能集團(tuán)有限公司三元煤礦井下采掘工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

2.1 煤礦概況介紹

三元煤礦隸屬山西晉能集團(tuán)有限公司,核定生產(chǎn)能力更改為2.2×106t/a.井田內(nèi)可采煤層為3號(hào)、9號(hào)、14號(hào)、15號(hào)煤層,現(xiàn)采3號(hào)煤層為高瓦斯礦井,煤層厚度為7.18 m,開(kāi)采深度為700～1 200 m.3號(hào)煤層吸氧量0.60 cm3/g,煤層自燃等級(jí)為Ⅲ,屬不易自燃煤層。煤層煤塵爆炸火焰長(zhǎng)度30 mm,抑制爆炸巖粉用量65%,煤塵具有爆炸性。針對(duì)礦井主采煤層煤塵具有爆炸性,煤塵爆炸指數(shù)高這一狀況,采取了一系列綜合防塵措施,但傳統(tǒng)的降塵措施和設(shè)施都不能取得理想的降塵效果。

4306回采工作面東為四采區(qū)準(zhǔn)備巷道,南為實(shí)體煤,西為礦井邊界,北為4302采空區(qū)。該工作面有效推進(jìn)長(zhǎng)度為868 m,切眼長(zhǎng)度為189 m.工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量為20.19 m3/min,風(fēng)排瓦斯量為10.19 m3/min,抽采量為10 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為4.72 m3/t.4306工作面采用“U”型通風(fēng),運(yùn)輸巷為進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷為回風(fēng)巷?，F(xiàn)采取的普通噴霧措施效果不理想。

2.2 氣水噴霧試驗(yàn)結(jié)果分析

為了更好地驗(yàn)證氣水噴霧裝置的使用效果,分別選取三元煤業(yè)4306工作面氣水噴霧安裝后方5 m、10 m兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn),采用CC-20粉塵采樣器檢測(cè)氣水噴霧裝置打開(kāi)與閉合情況下的粉塵濃度,結(jié)果如圖4所示。

圖4 氣水噴霧裝置打開(kāi)閉合粉塵濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖4可知,在工作面正?；夭蛇^(guò)程中未打開(kāi)氣水噴霧裝置時(shí)(即僅使用液壓支架架間噴霧及采煤機(jī)內(nèi)外噴霧的前提下),監(jiān)測(cè)的粉塵濃度均為228 mg/m3.而開(kāi)啟氣水噴霧后,其粉塵濃度在裝置后方5 m處降至67 mg/m3,降塵率達(dá)77%,粉塵濃度在裝置后方10 m處降至13 mg/m3,降塵率達(dá)95%.由氣水噴霧后5 m、10 m的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,在氣水噴霧裝置10 m處的降塵效果最好,達(dá)到95%.

3 結(jié) 語(yǔ)

本文揭示了氣水噴霧捕塵原理,并研發(fā)了一套氣水自動(dòng)噴霧裝置,最后在山西晉能集團(tuán)有限公司三元煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。得出了以下結(jié)論:

1) 設(shè)計(jì)研發(fā)了一套氣水自動(dòng)噴霧裝置,在噴霧嘴增加噴霧裝置出水口的動(dòng)能,提高了霧化效果,加深了噴霧距離,使水霧覆蓋面更大,降塵效果更好。

2) 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)了氣水噴霧裝置打開(kāi)與閉合狀態(tài)下不同位置處的粉塵濃度,粉塵濃度由原來(lái)在裝置5 m處降至67 mg/m3,10 m處降至13 mg/m3,降塵率明顯提升。

3) 通過(guò)分析裝置開(kāi)啟后不同位置處的降塵率,可知在裝置10 m處降塵效果最好,降塵率達(dá)到95%.