雒晨輝，黃靖龍，孫世彪，王鵬飛

(1.潞安集團司馬煤業(yè)有限公司， 山西 潞安市 046102；2.湖南科技大學(xué) 機械設(shè)備健康維護湖南省重點實驗室， 湖南 長治市 411201；3.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引言

我國95%的煤礦開采是地下開采[1]，隨著采深增加和采掘機械化水平的不斷提高，礦井生產(chǎn)自然災(zāi)害問題也愈發(fā)突出，尤其是井下作業(yè)區(qū)域粉塵危害嚴重威脅了礦井的安全生產(chǎn)和礦工身心健康[2]。噴霧降塵是工礦場所最受歡迎的一種粉塵治理技術(shù)[3]，液體由噴嘴噴射到空氣中后，經(jīng)過外部干擾力和水壓力的共同作用，液體破碎成霧滴的過程稱之為霧化[4]。霧化后的液態(tài)霧粒通過碰撞、截留、重力、靜電力、渦流凝結(jié)等綜合作用捕集空氣中的粉塵，從而加重霧滴質(zhì)量加速沉降，以達到降塵的目的[5]。本文以山西潞安司馬煤礦某綜掘工作面掘進機為研究對象，具體研究掘進機外噴霧噴嘴的霧化特性及降塵效率，并確定其最佳工況參數(shù)，為提高綜掘工作面掘進機外噴霧的降塵效率提供科學(xué)指導(dǎo)。

司馬煤礦位于山西省東南部，長治以南14 km，行政區(qū)劃隸屬長治市，地形總體呈西南高、北低的趨勢，相對高差最大62.26 m。井田面積約為30 km2，可采儲量96.56 Mt。井田開拓采用主立井、副立井和中央回風立井，3 個井筒中央并列式開拓方式。礦井通風容易時期等積孔均大于2 m2，屬于通風容易礦井。本文所研究的綜掘工作面寬5.2 m，高3.3 m，采用壓入式通風。掘進時使用EBZ160 掘進機，掘進機外噴霧為單孔壓力噴嘴。

1 試驗系統(tǒng)及方案

1.1 試驗系統(tǒng)

本文所選用的掘進機外噴霧噴嘴如圖1 所示。該噴嘴霧流形狀為實心圓錐，噴嘴類型為單孔壓力噴嘴。圖2 為自行開發(fā)設(shè)計的噴霧降塵試驗平臺布置圖，是一個包含了可仿真煤礦井下采掘作業(yè)場所產(chǎn)塵、噴霧、通風等狀態(tài)的噴霧降塵試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計了矩形巷道模型、系統(tǒng)控制柜、儲水箱、輸水管道線路、可調(diào)節(jié)式高壓水泵、馬爾文激光粒度衍射分析儀、氣溶膠發(fā)塵器、數(shù)控風機、開合閥門以及相關(guān)的檢測儀器。為了方便在巷道內(nèi)部安裝噴嘴、煤塵采樣器的放置以及馬爾文霧滴粒度分析儀與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，巷道測量段和噴霧段由可自由拆卸的透明有機玻璃制作，為了保證巷道的密封性，巷道縫隙處均黏附軟體密封塑膠[6]。

圖1 掘進機外噴霧噴嘴示意

圖2 噴嘴降塵性能試驗系統(tǒng)示意

1.2 試驗方案

對于該單孔壓力噴嘴，其噴嘴霧化特性與降塵效率的主要影響因素為上游供水壓力。研究表明，噴霧降塵效率與噴嘴霧化特性參數(shù)密切相關(guān)。本次試驗分為兩組，一組研究供水壓力對噴嘴霧化特性的影響，所包括的霧化特性有噴嘴水流量Q、霧化角θ、射程L和霧滴粒徑D[32]。另一組研究不同工況下噴嘴的全塵降塵效率和呼塵降塵效率。根據(jù)前期現(xiàn)場考察和實測，綜合考慮控塵效果、耗水量及現(xiàn)場條件，共設(shè)置了4 種不同供水壓力P，分別是P=0.5，1.0，1.5，2.0 MPa。

在開展噴嘴霧化特性試驗時，分別采用YY-LED15K4C 型電磁流量計和DX-801XB00150型數(shù)字式壓力表測量噴嘴水流量和供水壓力。采用馬爾文霧滴粒度分析儀測量霧滴粒徑，選擇噴口前方50 cm 中心作為數(shù)據(jù)采集區(qū)域，并以索太爾平均直徑(D[32])作為霧滴粒徑的評價指標。

開展噴霧降塵效率試驗時，使用德國AG420氣溶膠發(fā)塵器發(fā)塵，并用空氣壓縮機提供的壓縮空氣作為輸送動力，輸送氣壓為0.2 MPa。將粉塵由巷道入口送入，模擬煤礦采掘作業(yè)場所產(chǎn)塵，氣溶膠發(fā)塵器的發(fā)塵量設(shè)置為15 g/min，通過對軸流風機進行變頻調(diào)節(jié)，將試驗巷道模型內(nèi)風速穩(wěn)定為1.0 m/s。在模型巷道噴霧前測量段與噴霧后測量段內(nèi)分別布置FCC-25 型防爆粉塵采樣器各1 臺，對不同工況條件下的兩區(qū)域的粉塵進行采樣，粉塵采樣器的單次采樣時間為2 min，吸入空氣流量為15 L/min。為保證試驗誤差最小，兩測塵點在同一時間采樣，每個供水壓力連續(xù)采樣4 次并對采樣結(jié)果取平均值。煤塵采集結(jié)束后使用電子分析天平對采樣前后粉塵濾膜稱重，從而計算出全塵效率和呼塵效率。降塵試驗選用從綜掘工作面現(xiàn)場所采集的煤塊，將煤塊破碎后使用150 目的工業(yè)篩網(wǎng)通過機械振動篩出粒徑小于106 μm 的煤粉，粉塵粒徑分布見圖3，從圖3 的累計體積分數(shù)曲線可以看出，試驗所采用的煤粉呼吸性粉塵占比約為23%。

圖3 作業(yè)現(xiàn)場粉塵粒徑分布

2 噴嘴霧化特性分析

2.1 噴嘴水流量

為了直觀地觀察出噴嘴水流量隨供水壓力的變化規(guī)律，不同供水壓力的水流量與供水壓力關(guān)系如圖4 所示。由圖4 可知，在該噴嘴出口直徑及結(jié)構(gòu)一定的情況下，噴嘴的水流量隨著供水壓力的增大而增大，當供水壓力增大時，提高了液體的湍流強度及液體流速，有利于增大噴嘴出水流量。而且供水壓力為0.5～1.0 MPa 時，水流量變化較大；而供水壓力為1.0～1.5 MPa 時，水流量變化最??；為1.5～2.0 MPa 時，水流量變化最小。

圖4 噴嘴水流量與供水壓力關(guān)系

2.2 噴嘴霧化角

霧化角是指通過高壓泵將噴射液加壓至一定壓力值，從而使液體從噴嘴噴出而形成近似圓錐形的霧場，霧化角大小是評價霧化質(zhì)量的參數(shù)之一。本研究中噴霧霧化角測量采用德國高速攝像儀分別間隔3 s 對其進行拍照，為了保證測量結(jié)果真實可用，在同一個供水壓力下，拍攝3 張樣本照片，然后用專業(yè)圖像處理分析軟件Image-Pro Plus 6.0得到噴嘴霧化角，并取3 個霧化角中的平均值。試驗測得不同供水壓力的噴嘴霧化角，為了展示不同壓力的實測霧化角照片，供水壓力P為0.5～2.0 MPa 時的霧化角照片如圖5 所示。噴嘴效果圖表明噴霧為實心圓錐形放射狀噴射，霧化角較大。

圖5 噴嘴霧化角示意

為了更直觀地觀察出噴嘴霧化角隨噴嘴直徑和供水壓力的變化規(guī)律，繪制出不同供水壓力的霧化角圖如圖6 所示。由圖6 可知，噴嘴的霧化角隨著供水壓力的增大而增大，當供水壓力增大時，噴嘴流量不斷增大，提高了液體的湍流強度，有利于增大噴嘴出口霧化角。當供水壓力從0.5 MPa 增長至1.0 MPa 時，霧化角變化較為明顯，增幅為3.7°；當供水壓力在1.0～2.0 MPa 之間變化時，噴嘴霧化角增長較為平緩，平均增幅約為0.23°。

圖6 霧化角與水壓關(guān)系

2.3 噴嘴射程

噴霧是將液體在壓力沖擊作用下，使其破碎成微細液滴并散布于空氣中的過程，其作用范圍如圖7 所示。根據(jù)壓力噴嘴霧場特性，可將水平噴射霧流分為擴散段S1、直射段S2和衰減段S3。從圖7中可以看出，噴嘴出口附近區(qū)域霧滴濃度高且霧滴變化劇烈，衰減段內(nèi)霧流形狀不規(guī)則，霧滴分布受重力影響嚴重。

圖7 水平噴射霧流

噴霧降塵過程中，噴霧射程是影響降塵效率的重要因素，噴霧射程越大，作用范圍更廣，增加了粉塵與霧滴的碰撞接觸概率，更有利于提高降塵效率。根據(jù)試驗方案，開展噴嘴霧化特性試驗，測量出噴嘴射程，圖8 為噴嘴射程試驗結(jié)果。由圖8 可知，噴嘴射程隨供水壓力的增大表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，其增長幅度逐漸減小。隨著進水壓力的增大，噴嘴內(nèi)部流速也不斷增加，且于噴嘴內(nèi)部及出口橫截面積不變，水流量也會持續(xù)增大，使噴嘴射程不斷增加。

圖8 噴嘴射程與水壓關(guān)系

2.4 噴嘴霧滴粒徑

本次試驗采用的測量儀器為馬爾文激光粒度衍射分析儀，根據(jù)試驗方案，設(shè)置水壓為0.5～2.0 MPa，測出4 個水壓下噴霧霧滴粒徑參數(shù)，圖9 為霧滴粒徑分布實測結(jié)果。從圖9 可知，隨著供水壓力提高，粒徑較大的霧滴在逐漸減小，表明供水壓力增大促進了噴霧的霧化效果。當供水壓力P為0.5 MPa 時，大多數(shù)霧滴的粒徑均在1000 μm 左右。利用粒徑分析儀的統(tǒng)計功能可知，此時D[90]=716.5 μm，表明該壓力下有90%以上的霧滴粒徑在716.5 μm 以上。隨著供水壓力P逐漸增大，其粒徑分布變化較大。當供水壓力P為1.0 MPa 時，其D[90]和D[50]分別為701.6 μm 和634.4 μm；當供水壓力繼續(xù)增大到1.5 MPa 時，其D[50]前兩種工況下降約6 倍，具體數(shù)值為107.1 μm，該工況下的霧化效果大大提高；當供水壓力P為2.0 MPa 時，可知其D[50]=108.8 μm，此時粒徑和霧化效果幾乎沒有變化。

圖9 不同供水壓力下的霧滴粒徑分布

霧滴粒徑是評價霧化質(zhì)量的重要指標，由于破碎后的液滴形狀大小并不均一，一般采用霧滴整體的平均直徑表示噴霧霧滴粒徑大小。目前，有多種液滴平均粒徑的計算方法，常用的是質(zhì)量中間直徑（D50）和索太爾平均直徑（D[32]），本文采用D[32]作為霧滴細度的評價指標。圖9 表明，在供水壓力逐漸增大的情況下，霧滴粒徑D[32]在不斷減小。其中，在供水壓力在0.5～1.5 MPa 變化時，霧滴減小幅度最大，此時供水壓力對霧滴粒徑的影響顯著；隨著供水壓力繼續(xù)增大，霧滴粒徑減小的幅度在降低，表明此時供水壓力不是影響霧滴粒徑大小的主要因素，而是噴嘴的本身結(jié)構(gòu)限制了霧滴粒徑減小。

2.5 噴嘴降塵效率

通過改變噴嘴的供水壓力，研究其對噴嘴降塵效率的影響，試驗結(jié)果見表1。從表1 中可以發(fā)現(xiàn)，由于巷道入口的發(fā)塵量和巷道內(nèi)風速不變，不同供水壓力下噴霧段前粉塵濃度較為穩(wěn)定，且所采集粉塵樣本中呼塵量約占全塵的23%左右。噴嘴降塵效率隨供水壓力增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，這是因為供水壓力增加會導(dǎo)致噴嘴霧化特性發(fā)生改變：水流量增大使得噴霧濃度高，有利于提高粉塵與霧滴的碰撞概率，增加了粉塵的濕潤程度有利于粉塵的重力沉降；霧化角增大了粉塵與霧滴的碰撞概率和噴霧覆蓋巷道截面的面積；噴霧射程大增加了噴霧的作用距離；霧滴粒徑小更有利于粉塵與霧滴碰撞結(jié)合，促進噴嘴降塵效率增大。當供水壓力為0.5～1.5 MPa 遞增時，全塵降塵效率提高較大；當供水壓力在1.5～2.0 MPa 之間變化時，全塵降塵效率變化并不明顯，這與噴嘴霧化特性的變化規(guī)律相一致。呼塵的降塵效率變化與全塵大致相同，其不同點在于當供水壓力由1.5 MPa 上升到2.0 MPa 時，噴嘴的呼塵效率反而下降了2.78 個百分點。這表示從呼塵防控角度考慮，在實際應(yīng)用中噴嘴的供水壓力不應(yīng)大于1.5 MPa。

表1 不同供水壓力下測量段內(nèi)粉塵濃度與噴嘴降塵效率

3 結(jié)論

本研究通過自主設(shè)計的噴霧降塵試驗平臺，研究了供水壓力對山西潞安司馬煤礦綜掘工作面掘進機外噴霧噴嘴的霧化特性及其降塵效率的影響，并得出以下結(jié)論。

（1）測試噴嘴的水流量和霧化角均隨著供水壓力的增大而增大，且不同壓力范圍內(nèi)水流量變化幅度不同。供水壓力為0.5～1.0 MPa 時，水流量和霧化角增速較大；當供水壓力逐漸增加到1.5 MPa時水流量和霧化角變化幅度逐漸放緩，繼續(xù)增加供水壓力，二者幾乎不變。供水壓力每增加0.5 MPa，水流量和霧化角最大增幅分別為7.98 L/min 和0.4°。噴嘴射程隨供水壓力的增大表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，其增長幅度逐漸減小。供水壓力增大時，噴嘴內(nèi)部液體流速也不斷增加，由于噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)及出口橫截面積不變，使得噴嘴射程不斷增加。

（2）隨著供水壓力的增大，霧滴粒徑逐漸減小，霧滴粒徑大小約100 μm，且一直存在較多接近1000 μm 的霧滴。在供水壓力0.5～1.5 MPa 變化時，霧滴減小幅度最大，此時供水壓力對霧滴粒徑的影響顯著；隨著供水壓力繼續(xù)增大至2.0 MPa，霧滴粒徑減小的幅度在降低，表明此時供水壓力不是影響霧滴粒徑大小的主要因素，而是噴嘴的本身結(jié)構(gòu)限制了霧滴粒徑減小。

（3）噴嘴降塵效率隨供水壓力增加表現(xiàn)出逐漸增大的規(guī)律，這與其霧化特性的變化規(guī)律相匹配。當供水壓力在0.5～1.5 MPa 范圍內(nèi)變化時，噴嘴全塵和呼塵的降塵效率顯著增加；隨著供水壓力繼續(xù)增大至2.0 MPa，此時全塵效率幾乎不變，呼塵效率降低2.78 個百分點。

（4）綜合考慮噴嘴的降塵效率及礦井經(jīng)濟效益等因素，對于山西潞安司馬煤礦綜掘工作面當前采用的掘進機外噴霧噴嘴，其供水壓力控制在1.5 MPa 時較為合理。此時既能最大程度降低水泵耗能，又能達到較高的降塵效率。