劉通海

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司安全監(jiān)管五人小組，山西 大同 037003）

1 概況

四老溝煤礦井田東西走向，傾角在3°～12°之間。預(yù)采區(qū)內(nèi)地層為寬緩背斜構(gòu)造，背斜軸位于盤區(qū)巷西部，區(qū)內(nèi)煤層上部有火成巖，呈巖床式順層侵入，巖性為煌斑巖，厚度在0.72～4.0 m，對(duì)煤層造成一定的破壞。東翼皮帶大巷地面位置位于東風(fēng)井東330～2860 m，巖巷地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層為單斜構(gòu)造，煤巖層傾角5°～11°，巷道施工方向煤巖層傾角3°～7°。東翼皮帶大巷綜掘工作面噴霧水幕降塵和FBCD5.5-2×18.5 除塵風(fēng)機(jī)降塵以及正壓呼吸面罩等方式。由于井下環(huán)境惡劣，水幕系統(tǒng)問題頻發(fā)，而風(fēng)機(jī)降塵為局部通風(fēng)，存在粉塵聚集現(xiàn)象，且存在安全隱患，總體降塵除塵效果不佳?；诖诉M(jìn)行無火花型氣水射流通風(fēng)除塵器研究，替代原有通風(fēng)除塵器，提升降塵除塵效果。

2 氣水射流通風(fēng)除塵器工作機(jī)理

氣水射流除塵裝置實(shí)質(zhì)上是一種液氣射流泵，泵內(nèi)氣液運(yùn)動(dòng)可以分為氣水相對(duì)運(yùn)動(dòng)段、液滴運(yùn)動(dòng)段以及泡沫流運(yùn)動(dòng)段三個(gè)過程[1-2]。氣水相對(duì)運(yùn)動(dòng)段附近氣體與射流液體的邊界發(fā)生粘滯效應(yīng)，具有一定壓力的射流液體將氣體從吸入室?guī)氲胶砉?，并在喉管?nèi)氣液兩相持續(xù)影響，分別產(chǎn)生脈動(dòng)和表面波。在液滴運(yùn)動(dòng)段液相表面波的振幅不斷增加，在增大到臨近射流半徑時(shí)，射流體在表面波的作用下會(huì)形成尺寸均勻的液滴形態(tài)，氣相捕捉液滴并促使液滴不斷碰撞，吸收碰撞能量后，氣相會(huì)被加速與壓縮。在該運(yùn)動(dòng)階段，液相不再連續(xù)，氣相獲得液相能量。泡沫流運(yùn)動(dòng)段中的不連續(xù)液滴在氣相高速運(yùn)動(dòng)中將其粉碎成微小的氣泡，失去能量的液滴再一次聚合成連續(xù)的液體，將微小氣泡吸收后形成泡沫，通過擴(kuò)散管時(shí)，在動(dòng)能轉(zhuǎn)化的壓能作用下，進(jìn)一步將氣液泡沫壓縮[3]。氣水射流通風(fēng)除塵器主要結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 氣水射流除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

含塵氣體在射流經(jīng)過漸縮管形成的壓差作用下進(jìn)入到除塵裝置內(nèi)，粉塵與射流在霧化作用下發(fā)生碰撞，粉塵與氣水射流之間進(jìn)行充分的碰撞、集聚和凝結(jié)，降低粉塵運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)氣水射流在霧化作用下形成的霧化水氣也會(huì)將粉塵包裹，增加粉塵顆粒的重量和粘滯作用；隨著三相進(jìn)入擴(kuò)散管，在橫截面積增大的環(huán)境下，三相的運(yùn)動(dòng)速度降低，且擴(kuò)散管中前端三相流的運(yùn)動(dòng)速度大于后端，不同的速度差會(huì)使粉塵與液滴產(chǎn)生二次沖撞，與粉塵結(jié)合后凝合成比重更大的含塵液滴，受旋流作用影響，比重較大的粉塵在擴(kuò)散管內(nèi)進(jìn)行部分沉降，裝置除塵過程包含了重力沉降、慣性碰撞、截流、擴(kuò)散等不同作用力的影響[4]。降塵原理示意圖如圖2。

圖2 降塵原理示意圖

3 氣水射流通風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

為了探究除塵器最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)配置，根據(jù)試驗(yàn)方法和內(nèi)容搭建參數(shù)試驗(yàn)平臺(tái)。如圖3，主要包括有壓供氣系統(tǒng)、常壓供水系統(tǒng)、防逆流系統(tǒng)、風(fēng)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及氣水射流通風(fēng)除塵器各結(jié)構(gòu)部件。

圖3 氣水射流通風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3.2 過程參數(shù)確定方法

（1）吸風(fēng)量關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)確定

對(duì)裝置風(fēng)速的測(cè)定方法是在吸入室入口增設(shè)CFJ25 型風(fēng)速表，測(cè)得風(fēng)速后與進(jìn)風(fēng)口截面面積相乘計(jì)算吸風(fēng)量。吸入室入口截面中心的風(fēng)速最大，靠近管壁處的風(fēng)速較低。為了準(zhǔn)確確定風(fēng)速，采用等截面分環(huán)法確定截面處的平均風(fēng)速，即將截面分為幾個(gè)面積相等的圓環(huán)，分別在圓環(huán)的中心線上設(shè)置測(cè)點(diǎn)，最后通過數(shù)學(xué)方法根據(jù)各圓環(huán)中心風(fēng)速計(jì)算平均風(fēng)速[5]。按照表1 來選擇測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

表1 不同吸入室入口截面積與測(cè)點(diǎn)數(shù)量對(duì)應(yīng)表

風(fēng)速表測(cè)得的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速的關(guān)系通過以下公式計(jì)算，得出各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際風(fēng)速后，將算術(shù)平均值作為截面風(fēng)速。

v實(shí)=1.107v測(cè)+ 0.132

式中：v實(shí)為測(cè)點(diǎn)實(shí)際風(fēng)速，m/s；v測(cè)為測(cè)點(diǎn)風(fēng)速表風(fēng)速，m/s。

（2）粉塵濃度測(cè)定

粉塵濃度測(cè)定通過FCC-25 型防爆粉塵采樣儀在采樣點(diǎn)進(jìn)行含塵空氣吸收，采樣儀中的濾膜將氣體中的粉塵過濾保留，在采樣周期階段完成采樣后，對(duì)比濾膜前后重量計(jì)算吸收空氣中的粉塵重量，通過過濾空氣的總量來確定含塵空氣中的粉塵濃度。選用的FCC-25 型防爆粉塵采樣儀濾膜為直徑25 mm 的圓形平板膜，為了降低空氣中水分對(duì)粉塵濃度測(cè)量的影響，在過濾粉塵前后濾膜稱重前都要進(jìn)行烘干處理[6]。

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

通過對(duì)不同尺寸氣水射流通風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)的軟件模擬和仿真，針對(duì)四老溝煤礦東翼皮帶大巷特點(diǎn)確定的設(shè)計(jì)參數(shù)分別為：（1）氣水射流通風(fēng)除塵器工作時(shí)，水壓為0.7 MPa，空壓機(jī)提供風(fēng)壓為1.0 MPa，獲得最佳的氣液比穩(wěn)定在24:1，即處理24 m3的含塵帶壓氣體需要1 m3的常壓水進(jìn)行粉塵稀釋排放；（2）根據(jù)文丘里射流管實(shí)驗(yàn)，對(duì)比直徑為400 mm 和550 mm 吸入室吸風(fēng)量，得出直徑為550 mm吸入室吸風(fēng)量效率高于直徑為400 mm 吸入室吸風(fēng)量17.6%，故吸入室設(shè)計(jì)尺寸選擇550 mm；（3）模擬顯示射流管后置的彈簧風(fēng)筒長(zhǎng)度在5 m 左右時(shí)，除塵器的吸風(fēng)量效率最佳；（4）風(fēng)筒后的除霧器與風(fēng)筒間距在300 mm 時(shí)既不會(huì)對(duì)除塵器吸風(fēng)量造成影響，又能夠有效降低除霧器起霧，模擬數(shù)值結(jié)果最佳。

4 氣水射流通風(fēng)除塵器應(yīng)用效果

在東翼皮帶大巷搭建了工業(yè)性試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由氣水射流除塵器、彈簧風(fēng)筒和絲網(wǎng)式除霧器等部分構(gòu)成，安裝在掘進(jìn)機(jī)的頂部，跟隨掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通風(fēng)除塵。除塵器吸入室的直徑為550 mm，進(jìn)水管路選擇直徑為25 mm 軟管。除塵器擴(kuò)散管連接直徑為650 mm、長(zhǎng)度為5 m 的彈簧風(fēng)筒，再接鋼絲網(wǎng)構(gòu)成的除霧器。其中，彈簧風(fēng)筒與除霧器的最近端面間距選擇300 mm，整體安裝在掘進(jìn)機(jī)上方，確保前高后低，即除霧器端向下傾斜10°左右，防止整套試驗(yàn)系統(tǒng)中凝聚含塵水。具體試驗(yàn)系統(tǒng)布局如圖4。

圖4 東翼皮帶大巷工業(yè)性試驗(yàn)系統(tǒng)搭建示意圖（mm）

工業(yè)性試驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試完成后進(jìn)行通風(fēng)除塵效果測(cè)試，對(duì)采樣點(diǎn)粉塵濃度的測(cè)量時(shí)間全部選擇在掘進(jìn)機(jī)截割上部煤層時(shí)，此時(shí)掘進(jìn)機(jī)上部空間的原始粉塵濃度最高。對(duì)巖巷原始粉塵濃度和經(jīng)過除塵器后的粉塵濃度的測(cè)量周期和采樣流量是不同的，由于原始粉塵濃度高，測(cè)量周期為3 min，采樣流量選擇15 L/min；經(jīng)過除塵后粉塵濃度降低，故測(cè)量周期為5 min，采樣流量選擇20 L/min。系統(tǒng)吸風(fēng)量的測(cè)量采用礦用風(fēng)速表測(cè)量風(fēng)速后，根據(jù)吸風(fēng)截面積計(jì)算風(fēng)量。各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 工業(yè)性試驗(yàn)系統(tǒng)各指標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)掘進(jìn)機(jī)前后除塵系統(tǒng)未開啟與開啟狀態(tài)下通風(fēng)量與粉塵濃度監(jiān)測(cè)可以看出，原始巖巷通風(fēng)量較低，掘進(jìn)機(jī)前后通風(fēng)量平均值為65.8 m3/min，開啟除塵系統(tǒng)后，整體通風(fēng)量平均達(dá)到135.9 m3/min，通風(fēng)量增加一倍以上，通風(fēng)效果明顯。原始粉塵濃度在1110 mg/m3左右，濃度高，對(duì)作業(yè)人員呼吸危害性大。由于除塵設(shè)備安裝在掘進(jìn)機(jī)上方，因此在除塵系統(tǒng)開啟后，對(duì)掘進(jìn)機(jī)前方粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)雖與原始粉塵濃度相比有所降低，但還未進(jìn)行有效除塵，監(jiān)測(cè)粉塵濃度為735.6 mg/m3。通過除塵系統(tǒng)作用后，司機(jī)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)和掘進(jìn)機(jī)后方的粉塵濃度明顯降低，除塵效率分別達(dá)到了74.8%和86.7%，表明除塵系統(tǒng)能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)前方的大部分粉塵吸收。在射流管與風(fēng)筒內(nèi)碰撞吸附以及沉降作用的共同影響下，粉塵與水形成了塵水混合物從排水管排除，降塵效果明顯有效。通過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)作下的除霧器除霧效果非常明顯，在整個(gè)掘進(jìn)除塵階段，巖巷未出現(xiàn)明顯起霧現(xiàn)象，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)語

針對(duì)四老溝煤礦當(dāng)前采用噴霧水幕和電除塵配合除塵系統(tǒng)降塵效果不明顯，且系統(tǒng)復(fù)雜容易出現(xiàn)運(yùn)行故障的情況，研究氣水射流通風(fēng)除塵器系統(tǒng)替代當(dāng)前通風(fēng)除塵系統(tǒng)。

（1）氣水射流除塵裝置實(shí)質(zhì)上是一種液氣射流泵，屬于流體輸送機(jī)械和混合反應(yīng)設(shè)備，泵內(nèi)氣液運(yùn)動(dòng)可以分為氣水相對(duì)運(yùn)動(dòng)段、液滴運(yùn)動(dòng)段以及泡沫流運(yùn)動(dòng)段三個(gè)過程，裝置除塵過程包含了重力沉降、慣性碰撞、截流、擴(kuò)散等不同作用力的影響。

（2）針對(duì)四老溝煤礦東翼皮帶大巷特點(diǎn)確定氣水射流通風(fēng)除塵器氣液比24:1，吸入室直徑550 mm，彈簧風(fēng)筒長(zhǎng)度5 m，除霧器與風(fēng)筒間距300 mm。

（3）東翼皮帶大巷搭建氣水射流通風(fēng)除塵器工業(yè)性試驗(yàn)系統(tǒng)，氣水射流除塵器通過碰撞吸附以及沉降作用將粉塵與水形成塵水混合物從排水管排除，除塵效率達(dá)到86.7%；絲網(wǎng)式除霧器在系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)作下保證了整個(gè)掘進(jìn)除塵階段巖巷未出現(xiàn)明顯起霧現(xiàn)象，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。