掘進(jìn)工作面可調(diào)控雙錐形一體化泡沫降塵裝置的實(shí)驗(yàn)研究*

李雨成，鄭　強(qiáng)，羅紅波，耿　峰，單宇軒

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(遼寧工程技術(shù)大學(xué))，遼寧 阜新 123000)

0　引言

煤礦井下多數(shù)作業(yè)都會(huì)產(chǎn)生粉塵，由于煤、巖地質(zhì)條件和物理性質(zhì)、作業(yè)方法、通風(fēng)狀況、機(jī)械化程度不同，粉塵產(chǎn)生情況也各不相同[1-2]。開(kāi)采過(guò)程中，粉塵不僅影響煤炭生產(chǎn)效率，危害工人身體健康，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生煤塵爆炸危及生命。

目前，國(guó)內(nèi)外采用的粉塵防治措施主要有：煤層注水、噴霧降塵、通風(fēng)排塵、除塵器除塵和個(gè)體防護(hù)等[3-5]。這些防治措施起到了降塵作用，但仍不能滿(mǎn)足煤炭開(kāi)采的要求。如除塵器構(gòu)造復(fù)雜、體積大、動(dòng)力不足以維持長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，不能安裝在狹窄作業(yè)面；噴霧降塵因其經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦，但應(yīng)用效果仍不理想，并且噴頭經(jīng)常會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，特別是對(duì)呼吸性粉塵，其降塵效率甚至達(dá)不到40%[6-8]。為彌補(bǔ)現(xiàn)有降塵技術(shù)的缺陷，業(yè)內(nèi)人士紛紛進(jìn)行降塵實(shí)驗(yàn)研究。1984年，陳東生[9]首次對(duì)泡沫降塵的機(jī)理進(jìn)行了研究，降塵實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該降塵方法有效、可行，從此人們相繼展開(kāi)了泡沫除塵技術(shù)的研究。1986年，周長(zhǎng)根[10]根據(jù)鑿巖作業(yè)面的產(chǎn)塵特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的泡沫降塵系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其具有一定的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，但該套系統(tǒng)裝置的體積較大，不能安裝在狹窄作業(yè)面，應(yīng)用前景不可觀(guān)。1995年，蔣仲安等[11-12]對(duì)泡沫降塵理論進(jìn)行了研究，確定了高倍泡沫的發(fā)生條件，但沒(méi)有開(kāi)展工業(yè)試驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)用效果尚不明確。2005年，王德明等在泡沫降塵理論、發(fā)泡裝置的設(shè)計(jì)及實(shí)踐方面有了階段性突破，在當(dāng)前時(shí)期具有一定的代表性。此外，陸新曉、王和堂、奚志林等[13-14]進(jìn)行的泡沫降塵實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了其優(yōu)良效果。泡沫降塵較其他粉塵防治方法有很大的優(yōu)越性，尤其是對(duì)粒徑小于5 μm呼塵的捕捉能力較為突出[15-17]。泡沫降塵比傳統(tǒng)的噴霧降塵效果提高2～3倍。泡沫降塵理論的研究尚處在初級(jí)階段，還有很大的探索空間。泡沫降塵技術(shù)、新型高效泡沫發(fā)生裝置研究對(duì)礦井粉塵的高效治理具有重要意義。

本文研制一種可調(diào)控雙錐形一體化泡沫降塵裝置，該裝置能夠產(chǎn)生連續(xù)、均勻的泡沫，且成泡量與粒徑可控，可實(shí)現(xiàn)不同礦井不同粒度塵源的控制，有效地捕捉呼吸性粉塵，大大改善作業(yè)面的條件，減免粉塵對(duì)人體的危害。

1　可調(diào)控雙錐形一體化泡沫降塵裝置的技術(shù)原理

1.1　泡沫降塵裝置的工作原理

該裝置以礦井高壓風(fēng)管和水管為動(dòng)力源，先用高壓風(fēng)將發(fā)泡劑壓入泡沫混合器，同時(shí)將高壓水通入泡沫混合器。通過(guò)控制箱上的閥門(mén)和流量計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)泡沫液的質(zhì)量濃度，再經(jīng)管路將泡沫液通入發(fā)生器，并將高壓風(fēng)壓入發(fā)生器。在發(fā)生器內(nèi)形成的泡沫液-空氣兩相流與泡沫發(fā)生器內(nèi)的波浪式篩網(wǎng)與擋板發(fā)生撞擊、攪拌，并通過(guò)調(diào)控閥門(mén)使發(fā)生器實(shí)現(xiàn)高倍發(fā)泡，最終泡沫通過(guò)分配器后經(jīng)噴嘴射向塵源。泡沫在掘進(jìn)頭處與產(chǎn)生的礦井粉塵接觸、沉降，達(dá)到降塵的目的。泡沫降塵裝置系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　泡沫降塵裝置系統(tǒng)示意Fig.1　Foam dust suppression system

1.2　發(fā)生器內(nèi)射流流速與流量分析

本文運(yùn)用射流和渦流原理，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部位的理論分析、可行性論證后進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。泡沫發(fā)生器所需風(fēng)壓0.4 MPa，水壓0.6 MPa，氣體流量為75 m3/h，水流量為12 L/min，發(fā)泡劑流量為0.3 L/min，發(fā)泡量750 L/min，單個(gè)泡沫噴頭噴灑量為5 m3/h。其斷面近似于圓形，運(yùn)用等溫自由射流主體段中心速度衰減公式，計(jì)算出發(fā)生器主體段的流速：

(1)

發(fā)生器內(nèi)流量：

Q1=Vm·S

(2)

錐形篩網(wǎng)處流速:

(3)

式中：Vm為射流軸心速度，m/s；V0為射流出口速度，m/s；a為到噴射出口的距離，m；r為斷面半徑，m；K為比例因數(shù)；Q1為發(fā)生器內(nèi)部流量；S為斷面面積；S1為錐形篩網(wǎng)有效面積；V1為錐形篩網(wǎng)處的流速。

2　可調(diào)控雙錐形一體化泡沫降塵裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　可調(diào)控一體化泡沫供給車(chē)

泡沫降塵裝置由儲(chǔ)液箱、氣-液調(diào)控面板、發(fā)泡劑混合器、泡沫發(fā)生器、噴射裝置、泡沫液回收裝置、氣-液輸送管路等組成。由于掘進(jìn)面環(huán)境復(fù)雜，為使設(shè)備操作方便，減少安放面積，本文將儲(chǔ)液箱、泡沫發(fā)生器、儀表、輸送管路等設(shè)計(jì)成了可移動(dòng)、一體化的供給車(chē)，如圖2。泡沫供給車(chē)安置在掘進(jìn)機(jī)側(cè)面，便于工作人員操作與發(fā)泡劑的添加。高壓風(fēng)管和水管由掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)載膠帶方向引入，并連接到泡沫供給車(chē)，其產(chǎn)生的泡沫再經(jīng)由安裝在掘進(jìn)臂上的管路，最終噴射在掘進(jìn)產(chǎn)塵點(diǎn)。泡沫供給車(chē)能夠自由移動(dòng)，既解決了發(fā)生器和儲(chǔ)液箱的安裝難題，又避免了裝置阻擋掘進(jìn)司機(jī)視線(xiàn)問(wèn)題。

1.泡沫供給車(chē)；2.雙錐形泡沫發(fā)生器；3.氣-液調(diào)控面板；4.發(fā)泡劑儲(chǔ)液箱。圖2　可調(diào)控一體化泡沫供給車(chē)Fig.2　Integrated gas liquid regulation feeding vehicle

泡沫供給車(chē)上設(shè)有氣-液調(diào)控面板，其中微調(diào)閥門(mén)用于調(diào)節(jié)混合泡沫液、氣體的流量，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)微調(diào)閥門(mén)使泡沫發(fā)生器達(dá)到最佳的發(fā)泡效果。空氣壓力表和液體流量計(jì)能夠直觀(guān)地顯示出氣體管路與液體管路的氣壓值、水壓值及相應(yīng)的流量。

1.泡沫出口；2.錐形篩網(wǎng)；3.氣體噴頭；4.擋板；5.固定三角支架；6.集液層；7.鐵篩網(wǎng)；8.集氣層；9.回收接頭；10.氣體流量計(jì)；11.引流泵；12.氣體壓力表；13.液體流量計(jì)；14.液體壓力表；15.混合液體接頭；16.氣體接頭；17.氣體壓力表；18.氣體壓力表；19.發(fā)泡劑混合器；20.4號(hào)管路；21.1、2號(hào)管路；22.3號(hào)管路。圖3　泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意Fig.3　Foam generator structure

2.2　雙錐形泡沫發(fā)生器

泡沫發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主體為錐型殼體，在其前端設(shè)置有泡沫出口1，后端為封閉結(jié)構(gòu)；錐型殼體內(nèi)設(shè)有兩夾層，夾層之間留有間隙，內(nèi)層為集水層6，外層為集氣層8，在所述集水層6的外側(cè)均勻設(shè)有若干出水孔，在集氣層8的內(nèi)側(cè)均勻設(shè)有若干出氣孔；所述間隙與泡沫出口1相連通，在間隙內(nèi)設(shè)有鐵篩網(wǎng)7；在雙錐形腔體前部設(shè)有檔板4，能夠進(jìn)一步提高成泡幾率；發(fā)生器內(nèi)設(shè)有固定三角支架5，起到固定內(nèi)錐形腔體的作用；發(fā)生器最前部設(shè)有致密均勻的錐形篩網(wǎng)2，使產(chǎn)泡粒徑均勻；3號(hào)管路氣體22先經(jīng)氣體壓力表18再通過(guò)氣體流量表17后與錐型殼體的集氣層8相連通，4號(hào)管路20氣體先經(jīng)氣體壓力表12再通過(guò)氣體流量計(jì)10后與泡沫出口1相連通；1，2號(hào)管路21與發(fā)泡劑混合器19相連通，其出口經(jīng)液體壓力表14和液體流量計(jì)13后與錐型殼體的集液層6相連通；錐型殼體后端設(shè)有回收裝置，引流泵11起到回收腔體殘留液的作用，為便于清洗，錐形篩網(wǎng)2采用可拆卸結(jié)構(gòu)。

2.3　氣動(dòng)式泡沫液回收裝置

氣動(dòng)式泡沫液回收裝置由液體管路、氣動(dòng)隔膜泵以及連接接頭等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。氣動(dòng)隔膜泵是一種新型輸送機(jī)械，以壓縮空氣代替電力作為動(dòng)力源，井下運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電火花，不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。泡沫液回收的過(guò)程中，可空運(yùn)轉(zhuǎn)，安全性好，既避免了泡沫液的浪費(fèi)，又節(jié)約成本。

1.出液管路；2.引流室；3.隔膜換氣室；4.硅膠隔膜；5.進(jìn)氣管路；6.進(jìn)液管路。圖4　泡沫回收裝置示意Fig.4　Foam recycling device

2.4　可調(diào)控雙錐形一體化泡沫降塵裝置操作方法

1.掘進(jìn)頭；2.泡沫噴頭；3.煤壁；4.泡沫分配器；5.掘進(jìn)面；6.體化泡沫降塵裝置供給車(chē)；7.掘進(jìn)機(jī)；8.礦井高壓風(fēng)管；9.儲(chǔ)液箱；10.掘進(jìn)機(jī)人員操作位置；11.抽出式風(fēng)管；12.礦井高壓水管； 13.壓入式風(fēng)管；14.刮板輸送。圖5　泡沫降塵裝置整體布置示意Fig.5　Whole arrangement of foam dust settling device

井下使用時(shí)用礦井高壓水管12(圖5)替代本發(fā)明的水泵，礦井高壓風(fēng)管8(圖5)替代本發(fā)明的氣泵。首先開(kāi)啟高壓風(fēng)管和水管的總閥門(mén)，讓發(fā)泡劑與水在混合器19(圖3)內(nèi)混合，混合好的液體通過(guò)礦井高壓水管12(圖5)運(yùn)送至錐型殼體的集液層6(圖3)內(nèi)，同時(shí)，用礦井高壓風(fēng)管8(圖5)將氣體輸送至錐型殼體的集氣層8(圖3)，混合液從集液層6(圖3)的出水孔均勻噴出，與集氣層8(圖3)出氣孔均勻噴出的高壓氣體在鐵篩網(wǎng)7(圖3)處進(jìn)行摩擦碰撞，劇烈沖擊；在此期間要通過(guò)調(diào)控閥門(mén)調(diào)節(jié)泡沫液質(zhì)量濃度和氣液比，使其產(chǎn)生高倍泡沫，再通過(guò)礦井高壓風(fēng)管8(圖5)產(chǎn)生的高壓氣體將泡沫通過(guò)泡沫運(yùn)輸管運(yùn)送至掘進(jìn)頭1(圖5)位置，并從泡沫噴頭2(圖5)噴出，從而實(shí)現(xiàn)泡沫降塵。

3　可調(diào)控雙錐形一體化泡沫降塵裝置實(shí)驗(yàn)效果分析

為檢驗(yàn)裝置的降塵效果，根據(jù)掘進(jìn)面實(shí)際情況，建立了模擬實(shí)驗(yàn)巷道如圖6所示。

1.模擬巷道；2.壓風(fēng)管路；3.高壓風(fēng)管；4.高壓水管；5.粉塵采樣器；6.泡沫降塵裝置供給車(chē)；7.模擬掘進(jìn)機(jī)；8.噴射裝置；9.粉塵發(fā)生裝置。圖6　模擬實(shí)驗(yàn)巷道Fig.6　Simulated test tunnel

巷道斷面面積約為14 m2。模擬巷道左邦距離地面2 m處安裝有壓入式風(fēng)筒，風(fēng)筒直徑450 mm，出風(fēng)量210 m3/min。粉塵發(fā)生裝置能夠產(chǎn)生不同粒徑的粉塵，為模擬巷道的實(shí)際粉塵存在狀況，將其安置在粉塵發(fā)生裝置9(圖6)處。泡沫降塵裝置安置在模擬掘進(jìn)機(jī)后側(cè)1.5 m處，距離產(chǎn)塵點(diǎn)10 m的位置布置測(cè)塵點(diǎn)5(圖6)。

為準(zhǔn)確測(cè)定掘進(jìn)頭處泡沫降塵效果和降塵效率，制定了實(shí)驗(yàn)方案(見(jiàn)表1)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先測(cè)定巷道內(nèi)的全塵與呼塵的濃度作為掘進(jìn)面的原始數(shù)據(jù)，然后分別將泡沫液調(diào)成2%，2.5%，3.0%，3.5%的質(zhì)量濃度進(jìn)行泡沫降塵，用AKFC-92A礦用粉塵采樣器對(duì)濃度進(jìn)行測(cè)定，采樣流量20 L/min，采樣時(shí)間5 min。每次測(cè)定5組數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1　泡沫降塵測(cè)定方案

表2　泡沫發(fā)生裝置的降塵效果

由表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：(1)泡沫降塵前的全塵、呼塵濃度平均值分別為1 110.4，319.0 mg/m3。使用質(zhì)量濃度為2%，2.5%，3.0%，3.5%泡沫液降塵后測(cè)得全塵平均質(zhì)量濃度分別為93.1，72.9，69.8，67.7 mg/m3；呼塵平均質(zhì)量濃度值分別為39.9，31.4，29.6，28.7 mg/m3。由此可以得出全塵的降塵效率91.6%～93.9%，呼塵的降塵效率87.5%～91.0%。(2)降塵效率隨泡沫液質(zhì)量濃度增加呈上升趨勢(shì)，但增加到一定程度后降塵效率變化不明顯。考慮降塵效率、降塵效果和發(fā)泡劑使用成本等因素，發(fā)泡劑濃度在2.5%時(shí)，降塵效果最佳，此時(shí)全塵降塵效率為93.4%，呼塵降塵效率為90.2%。

泡沫降塵裝置發(fā)泡劑的流量為0.3 L/min。發(fā)泡劑價(jià)格約為450元/桶，每桶容量25 L。礦井工作制度采用“三八制”，每天工作16 h，掘進(jìn)面開(kāi)機(jī)率為30%，年工作日330 d。可預(yù)算，該掘進(jìn)面降塵時(shí)，僅發(fā)泡劑一項(xiàng)每年約花費(fèi)51萬(wàn)元。

4　結(jié)論

1)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于組裝拆卸、維修且操作方便、控制靈活、高效節(jié)能；以礦山動(dòng)力源為裝置動(dòng)力，不需要電源，避免產(chǎn)生電火花，無(wú)需防爆處理，安全性好、適合礦井粉塵濃度大的環(huán)境使用。

2)泡沫供給車(chē)能隨機(jī)自由移動(dòng)，既解決發(fā)生器及儲(chǔ)液箱安裝的難題，又避免了裝置阻擋掘進(jìn)司機(jī)視線(xiàn)的問(wèn)題；通過(guò)調(diào)節(jié)氣-液調(diào)控箱的控制閥門(mén)能夠控制泡沫的粒徑與產(chǎn)泡量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸性粉塵與不同粒徑粉塵的防治。氣動(dòng)式泡沫液回收裝置能夠安全、高效回收裝置內(nèi)殘留的泡沫液，避免了泡沫液的浪費(fèi)，節(jié)約成本。

3)裝置能夠直接對(duì)掘進(jìn)面的粉塵進(jìn)行噴射降塵，泡沫直接與粉塵碰撞，增加了粉塵與泡沫接觸幾率，實(shí)現(xiàn)全方位的立體降塵。全塵降塵效率91.6%～93.7%，呼塵降塵效率87.5%～91.0%。實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析表明，發(fā)泡劑濃度在2.5%時(shí)，降塵效果達(dá)到最佳，此時(shí)全塵降塵效率為93.4%，呼吸性粉塵降塵效率為90.2%。

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