程紅林，郭建珠

（1.山西華陽集團(tuán)新能股份有限公司二礦,山西 陽泉 045000；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030002）

1 問題的提出

隨著我國煤礦井下機(jī)械化開采技術(shù)的不斷提高，粉塵產(chǎn)生量明顯增加，井下粉塵45%～80%由回采工作面產(chǎn)生，掘進(jìn)工作面生產(chǎn)產(chǎn)塵量占20%～38%，井下作業(yè)環(huán)境極其惡劣，危害勞動(dòng)者健康，導(dǎo)致煤礦工人出現(xiàn)塵肺病。中國職業(yè)衛(wèi)生與中毒控制所的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2013 年全國共診斷出約23 000 例塵肺病例，其中約14 000 例（約60%）來自煤礦行業(yè)。2018 年我國衛(wèi)生健康事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)指出：截至2018 年底，全國共報(bào)告各類職業(yè)病新病例23 497 例，職業(yè)性塵肺病及其他呼吸系統(tǒng)疾病19 524 例（其中職業(yè)性塵肺病19 468 例）。當(dāng)前煤礦職業(yè)健康形勢(shì)依舊嚴(yán)峻，煤工塵肺和矽肺病人數(shù)長期占全國塵肺病人數(shù)1/2 以上。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，職業(yè)健康逐漸成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。煤礦井下生產(chǎn)過程中，主要采取煤層注水、干式除塵、噴霧降塵、泡沫除塵等技術(shù)措施降低煤塵污染程度。煤層注水所需投入費(fèi)用高、周期長，孔隙率低于4%時(shí)會(huì)很難將水注入煤層。干式除塵方法主要通過對(duì)含塵風(fēng)流進(jìn)行移運(yùn)、過濾，一方面設(shè)備體積大，井下有限空間內(nèi)限制因素過多，另一方面因現(xiàn)有除塵技術(shù)無法做到從產(chǎn)塵源頭進(jìn)行治理，不僅對(duì)處理風(fēng)量以外的污風(fēng)沒有有效治理手段，而且這一“先污后治”模式在一定程度上使得治理過程更趨于復(fù)雜化，無疑會(huì)加大治理成本和放大治理難度。噴霧降塵技術(shù)主要通過水霧霧滴與粉塵顆粒碰撞降塵，耗水量大且易在地面積水，惡化井下作業(yè)環(huán)境，同時(shí)水霧噴頭對(duì)水質(zhì)要求極高，設(shè)備可靠性差，在井下作業(yè)環(huán)境中使用壽命極低，其最大硬傷是除塵效率相對(duì)較低。而泡沫除塵技術(shù)，其除塵效率高于噴霧降塵技術(shù)，但是泡沫除塵機(jī)理決定了泡沫運(yùn)行過程路徑有效才能滿足其除塵，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)任何擾動(dòng)使吹出的泡沫大都未到迎頭便被回風(fēng)流吹回折返時(shí)，除塵易失效，總體看泡沫除塵技術(shù)效果不佳，且成本較高。

我國煤礦主要防塵措施是噴霧降塵,而噴嘴作為噴霧降塵最基本的元件，其霧化能力(霧流形狀和霧粒大小)直接決定了噴霧降塵的效果[1]。高壓霧化除塵系統(tǒng)使用范圍廣，配套設(shè)備多，承擔(dān)的任務(wù)重，既是重要的環(huán)保監(jiān)察節(jié)點(diǎn)，也是重要的生產(chǎn)安全節(jié)點(diǎn)[2]，些許失誤即可形成大面積的環(huán)保事故和生產(chǎn)安全責(zé)任事故。

2 高壓霧化除塵系統(tǒng)組成和工作原理

高壓霧化除塵系統(tǒng)由水過濾器，水箱、高壓泵、高壓水管、噴頭、控制器等組成，如圖1 所示為高壓霧化除塵系統(tǒng)組成框圖；其工作原理是高壓泵將高壓水經(jīng)高壓管路輸送到噴頭器件，噴頭器件裝置將高壓水轉(zhuǎn)化為高速射流，高速射流將水滴撞擊、分裂、破碎霧化，形成高壓霧化除塵流體。

圖1 高壓霧化除塵系統(tǒng)組成框圖

3 高壓霧化除塵系統(tǒng)失效分析核心對(duì)象的確立

噴嘴首先將流體高速化，隨后將流體分裂破碎化，噴嘴作為核心器件具有不可替代性，故障率高占維護(hù)工作量的70%以上，維修費(fèi)用的35%左右；高壓泵是系統(tǒng)的動(dòng)力來源，其維修費(fèi)用占到50%以上，故障率占比為15%，也是失效頻發(fā)部件，高壓泵在系統(tǒng)中應(yīng)作為次核心部件。

噴嘴典型失效形式是磨損導(dǎo)致的變形，如下頁圖2 所示為噴嘴失效實(shí)物圖，其結(jié)果是工作性能不能滿足霧化能力的需要；高壓泵故障主要是過濾精度下降導(dǎo)致磨損量加大造成壓力等級(jí)下降，其疊加噴嘴磨損可導(dǎo)致霧化能力不足，通過改善密封和耐壓等級(jí)等形式可解決恢復(fù)，其體現(xiàn)在保障能力下降，從失效根源分析可以列為次核心部件。通過以上分析，高壓泵故障原則上與深層次失效原因無關(guān)，但是業(yè)界一直認(rèn)為霧粒大小與壓力關(guān)系極大，高壓泵應(yīng)是核心器件，根本原因在于故障溯源思想和責(zé)任均分思想，還因?yàn)橐恍┘夹g(shù)人員認(rèn)為更高壓力下除塵效率和能力會(huì)更強(qiáng)的技術(shù)思路，使得高壓泵故障是不可忽略的技術(shù)要點(diǎn)思路更加根深地固。這一系列認(rèn)識(shí)指導(dǎo)混淆了真正的矛盾所在，使得井下工作面除塵現(xiàn)狀沒有大的進(jìn)步，成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重大瓶頸之一。

圖2 噴嘴失效實(shí)物圖

4 基于數(shù)據(jù)的高壓霧化除塵系統(tǒng)失效深層次分析

如圖3 所示為系統(tǒng)動(dòng)力器件與霧化器件能量轉(zhuǎn)換過程邏輯圖，由該圖知道高壓泵代表動(dòng)力源，噴嘴代表霧化器件，二者本質(zhì)關(guān)系就是能量轉(zhuǎn)換的提供者和轉(zhuǎn)換者，噴嘴決定霧化能量的能力，因此高壓泵不需要決定霧化能力，也不能決定霧化能力，高壓和霧化之間不一定有本質(zhì)關(guān)聯(lián)。

圖3 系統(tǒng)動(dòng)力器件與霧化器件能量轉(zhuǎn)換過程邏輯圖

高壓霧化除塵系統(tǒng)一般基于兩條技術(shù)管理路線對(duì)故障進(jìn)行判斷，一條是系統(tǒng)性能，即負(fù)載支撐能力變化率；另一條就是設(shè)備壽命費(fèi)用指標(biāo)。這兩條技術(shù)管理路線又可分別細(xì)化為許多分指標(biāo)，如噴嘴霧化率指標(biāo)、最小破碎率指標(biāo)、用水量指標(biāo)、單位產(chǎn)量成本指標(biāo)、霧流形狀、霧粒大小等；因?yàn)閿?shù)據(jù)過于碎片化或者分散化，真正矛盾卻視而不見。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，高壓泵波動(dòng)10%對(duì)霧化能力沒有必然影響，霧化能力與噴嘴結(jié)構(gòu)特征本質(zhì)關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還顯示，噴嘴性能改變時(shí)，從負(fù)載支撐能力變化影響指標(biāo)角度分析，性能下降的相關(guān)度為90%；實(shí)測(cè)噴嘴實(shí)際使用壽命一般使用壽命為一周內(nèi)（對(duì)呼吸性粉塵治理效果差的噴嘴而言），實(shí)測(cè)噴嘴實(shí)際使用壽命一般使用壽命為半個(gè)班次內(nèi)（對(duì)呼吸性粉塵治理效果好的噴嘴），按照對(duì)性能影響壽命指標(biāo)值：噴嘴變形變動(dòng)量為3%～5%時(shí)，也就是按最小影響率條件分析，性能指數(shù)影響已經(jīng)達(dá)到噴嘴使用壽命紅線上限，嚴(yán)格意義講已達(dá)到設(shè)備壽命費(fèi)用指標(biāo)更換標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)一步分析，噴嘴實(shí)際使用過程中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)性極差，劣化率幾乎是沿45°大傾角向下快速變化。

在工程實(shí)踐中對(duì)于噴嘴的選擇，以噴嘴負(fù)載支撐能力和容錯(cuò)性指標(biāo)為基礎(chǔ)性指標(biāo)，以此為出發(fā)點(diǎn)，使得噴嘴負(fù)載支撐能力變化指標(biāo)的影響幾乎為零，而且使得噴嘴的壽命達(dá)10 000 h 以上。如圖4 所示為高壓水霧與氣水霧化兩種噴嘴效果對(duì)比圖：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，高壓水霧噴嘴對(duì)壓力變化波動(dòng)不明顯，但是壓力變化超過15%，有明顯變化，但是噴嘴的容錯(cuò)率低，系統(tǒng)波動(dòng)對(duì)其他噴嘴影響率高；氣水霧化噴嘴容錯(cuò)率高，3 個(gè)噴嘴互不影響工作效果，如圖4-2 所示1 個(gè)噴嘴工作狀態(tài)不影響其他工作狀態(tài)，對(duì)壓力變化3 個(gè)噴嘴噴霧效果均不產(chǎn)生明顯變化。高壓水霧與氣水霧化兩種噴嘴效果對(duì)比效果可知，氣水霧化噴嘴大大優(yōu)于高壓水霧噴嘴效果。

圖4 高壓水霧與氣水霧化兩種噴嘴效果對(duì)比圖

5 結(jié)語

噴嘴作為核心器件簡單套用壽命周期費(fèi)用法進(jìn)行評(píng)估有失公允；以霧化率、碰碎能力、加工精度等剛性功能性指標(biāo)為核心考核指標(biāo)加強(qiáng)和提高了對(duì)噴嘴的管理，不考慮噴嘴對(duì)負(fù)載性能變化的影響是霧化除塵管理中存在的重要漏洞，這一指標(biāo)是基礎(chǔ)性指標(biāo)，只有在這一指標(biāo)前提下談?wù)撈渌笜?biāo)才有現(xiàn)實(shí)意義，否則只能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的碎片化。筆者認(rèn)為負(fù)載支撐能力這一指標(biāo)可以直接評(píng)價(jià)噴嘴的可靠性；另外考慮霧化除塵工作環(huán)境復(fù)雜性必須增加容錯(cuò)性這一指標(biāo)，這是由流體的復(fù)雜性決定的，沒有容錯(cuò)性這一關(guān)鍵指標(biāo)保駕護(hù)航，噴嘴的負(fù)載支撐能力這一基礎(chǔ)權(quán)重指標(biāo)將徹底弱化?；谝陨险J(rèn)識(shí)和實(shí)踐認(rèn)為，以噴嘴的負(fù)載支撐能力和容錯(cuò)性指標(biāo)為基礎(chǔ)，建立的霧化除塵系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)體系才能滿足井下噴霧除塵系統(tǒng)的工作需要。