掘進(jìn)工作面風(fēng)水噴霧霧化特性及降塵應(yīng)用研究

摘 要：根據(jù)風(fēng)水噴霧霧化技術(shù)的特性，對(duì)影響風(fēng)水噴霧技術(shù)的因素進(jìn)行分析，從而確定噴霧降塵裝置系統(tǒng)，并在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)某掘進(jìn)工作面中的粉塵降塵效果進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出在使用風(fēng)水噴霧降塵系統(tǒng)后，總粉塵的平均濃度從1213.5mg/m3降為103.3mg/m3，降塵效率高達(dá)91.5%，降塵效果比較理想。

關(guān)鍵詞：風(fēng)水噴霧;降塵裝置;粉塵濃度

在進(jìn)行工作面掘進(jìn)時(shí)，很多工序的作業(yè)都伴有大量的粉塵產(chǎn)生，而在通風(fēng)裝置以及機(jī)械設(shè)備的影響下，會(huì)使粉塵漂浮在整個(gè)作業(yè)空間中，使工作面的能見度大大降低，對(duì)工作面的順利倔進(jìn)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，同時(shí)也給職工的健康帶來危害，如果空氣中粉塵的濃度達(dá)到一定的值后，極易引發(fā)可燃性氣體的爆炸。井下防塵工作的重點(diǎn)是在對(duì)工作面進(jìn)行開采時(shí)所產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行除塵，而國(guó)外對(duì)井下的防塵主要采用濕式防塵法，我國(guó)則普遍使用噴霧降塵。因此，根據(jù)掘進(jìn)工作面的實(shí)際情況，通過合理設(shè)計(jì)降塵裝置，對(duì)工作面的粉塵進(jìn)行降塵處理。

1 風(fēng)水噴霧霧化特性

在風(fēng)水噴霧中，噴嘴內(nèi)部噴射出的空氣水射流一般來說是不穩(wěn)定的，當(dāng)在某種空氣霧化介質(zhì)中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，水射流的流體軸心線就會(huì)處于一種波動(dòng)性的狀態(tài)，在水的表面張力作用下，水射流才聚集在一起不被沖散，但在產(chǎn)生水射流的流體表面會(huì)自然產(chǎn)生高低不平的流體界面張力波，使得在水射流的橫斷面上會(huì)出現(xiàn)一種周期性的縮小和擴(kuò)大，當(dāng)水的運(yùn)動(dòng)速度不斷增加時(shí)，相應(yīng)的射流波幅和運(yùn)動(dòng)頻率也在不斷增加，速度達(dá)到某一具體值后，界面波會(huì)突破水的表面張力，使水射流分裂出水滴，且水滴的分裂程度也會(huì)隨運(yùn)動(dòng)速度的增加而不斷加劇，當(dāng)水滴分裂后水滴的直徑很小時(shí)，就可能出現(xiàn)空氣霧化水的現(xiàn)象，霧化的形式主要有兩種，一種是自身高壓的水射流形成的霧化，另一種是高壓風(fēng)與低壓水結(jié)合而形成的霧化[1]。但由于高壓噴嘴水射流是流經(jīng)高壓噴嘴時(shí)而形成的霧化，有很高的壓力值，一般需要的壓力高達(dá)10MPa，而目前出現(xiàn)的高壓水泵和水封，由于其工作可靠性和環(huán)境適應(yīng)性較差，因而不被廣泛使用，相反，風(fēng)水結(jié)合形成的霧化形式，條件和可操作性都比較成熟，因此，本文使用風(fēng)水噴霧技術(shù)來進(jìn)行降塵。

2 風(fēng)水噴霧降塵影響因素

風(fēng)水噴霧的降塵效果主要與噴嘴的參數(shù)、噴霧的空氣流量和壓力以及粉塵的分布情況等因素有關(guān)，其中噴霧的空氣流量與噴嘴的參數(shù)和噴霧的壓力有關(guān)，噴霧的霧粒與粉塵的粒度是否匹配直接影響最終的風(fēng)水噴霧降塵效果[2]，當(dāng)噴嘴的直徑一定時(shí)，使用高的噴霧壓力噴出的霧粒直徑較小，產(chǎn)生的霧粒直徑也比較均勻，當(dāng)噴霧的壓力一定時(shí)，使用直徑小的噴嘴噴出的霧粒直徑較小。

3 風(fēng)水噴霧降塵裝置系統(tǒng)

風(fēng)水噴霧降塵裝置系統(tǒng)的原理如圖1所示。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從數(shù)學(xué)的角度看，工作面的粉塵是呈對(duì)數(shù)的正態(tài)分布，而霧粒直徑也是呈正態(tài)分布，霧粒直徑作為降塵效果的判斷依據(jù)，如果霧粒的直徑小，在空氣中的密度就大，接觸粉塵的概率越大，因而降塵的效果也就越好，但如果霧粒的直徑太小，在與粉塵接觸后由于重量不增加而導(dǎo)致沉降的效果不好，水分也在風(fēng)流作用下流失，使降塵的效果變差。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為對(duì)于霧粒的直徑，其大小在20-50um之間的降塵效果應(yīng)該是最佳的。

掘進(jìn)工作面要求使用最大霧化的降塵技術(shù)，根據(jù)掘進(jìn)和割臂工作的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)一種配套的發(fā)散式外噴霧裝置，配合綜掘機(jī)一起使用，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，這種采用發(fā)散式的新型半包圍式外噴射裝置結(jié)構(gòu)，將霧化的噴射控制在最大范圍內(nèi)，因而降塵的效果顯著。

在風(fēng)水噴霧降塵裝置中設(shè)有10個(gè)出口直徑大小為5mm的空氣噴嘴，10個(gè)出口直徑大小為1.5mm的水噴嘴，將水和氣混合在一起后，噴到截割頭的周圍以形成水霧，將粉塵攔截在煤壁一側(cè)，在遇到水霧后，凝結(jié)成大顆粒，加速工作面上粉塵的沉降，使粉塵變成落塵，達(dá)到降塵的目的。

3.2 參數(shù)選取

壓縮空氣的壓力與流量參數(shù)：空氣噴射裝置的壓力在常溫常壓下為0.7MPa，最小0.4MPa，最大0.9MPa，流量參數(shù)為4.26m3/min。噴嘴噴淋的壓力與流量參數(shù)：水噴射裝置的壓力在常溫常壓下為0.04MPa，最小0.02MPa，最大0.08MPa，在空氣--水的噴射裝置中，每個(gè)水噴嘴流量為2L/min，共20L/min，最小流量參數(shù)為18L/min[3]。

4 應(yīng)用分析

對(duì)某礦機(jī)掘工作面斷面巷道采用一臺(tái)S-150JA型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，掘進(jìn)巷道的斷面寬度是4m，高度是3.2m，工作面的供水通風(fēng)量可達(dá)350m3/min，采用濾膜測(cè)塵法對(duì)掘進(jìn)工作面的粉塵進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并分析粉塵粒度，得出結(jié)果為粉塵粒度小于10um的粉塵占到33.7%，粉塵的平均粒度直徑約37.6um，粉塵粒度小于50um的粉塵高達(dá)96.9%，且粉塵的濃度有1200mg/m3。在機(jī)掘工作面上采用風(fēng)水噴霧降塵系統(tǒng)后，水射流包圍截割頭，將粉塵沉積，使煤塊濕潤(rùn)，以減少產(chǎn)生的粉塵量，在噴霧壓力下，降塵效果明顯。對(duì)使用系統(tǒng)后工作面的粉塵進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1所示，可以看出總粉塵的平均濃度從1213.5mg/m3降為103.3mg/m3，降塵效率高達(dá)91.5%。

5 結(jié)論

①風(fēng)水噴霧降塵技術(shù)是解決掘進(jìn)工作面粉塵污染問題的重要手段，通過對(duì)風(fēng)水噴霧霧化特性的分析，確定影響降塵效果的關(guān)鍵因素是噴霧的霧粒直徑和粉塵的粒度直徑，根據(jù)不同掘進(jìn)工作面的實(shí)際情況，要合理選擇噴霧系統(tǒng)的參數(shù);②對(duì)某礦井的掘進(jìn)工作面使用風(fēng)水噴霧降塵系統(tǒng)后，監(jiān)測(cè)到總粉塵的平均濃度從1213.5mg/m3降為103.3mg/m3，降塵效率高達(dá)91.5%，工作面的環(huán)境大大得到改善，粉塵污染大的問題也得到了有效解決，為以后的結(jié)構(gòu)改造提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛麗萍，張小濤，隋金君.高壓噴霧降塵影響因素分析及機(jī)掘面工藝實(shí)踐[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38（6）：34-37.

[2]張小濤，隋金君，曲寶.采掘工作面噴霧降塵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2013，34（8）：247-250.

[3]趙繼云，張德生，張子榮.綜采工作面粉塵防治技術(shù)研究[J].煤礦機(jī)械，2008，29（2）：151-153.

作者簡(jiǎn)介：

王瑞玉（1990- ），男，專科，2011.7畢業(yè)于山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助理工程師，研究方向：采礦工程。