組合壓氣低壓水吸風噴霧射流防控綜掘割巖粉塵研究

孔德增，馬中飛，周永康，劉新園，李 虎

江蘇大學環境與安全工程學院 江蘇鎮江 212013

人們吸入巖塵導致塵肺病的風險比煤塵更大，綜掘割巖的全塵、呼吸性粉塵產塵是最嚴重作業之一，對人體危害極大，且存在割巖瓦斯和火花隱患等安全隱患，因此，綜掘割巖防塵是礦山防塵的重點之一[1]。在綜掘割巖防塵方面，在掘進機內外噴霧的基礎上，國內外主要對高壓噴霧、電動葉輪式除塵風機配合附壁風筒、單噴嘴風水噴霧、擋塵風簾、化學降塵劑、泡沫降塵、風幕集塵結合葉輪式除塵風機、長壓短抽通風降塵技術改進、綜掘機內外噴霧改進、壓力水旋轉霧化降塵、直射出風和斜向分風結合等[2-14]進行了研究，對防控綜掘割巖粉塵起到一定作用。但由于種種原因，其實際防控效果不盡如人意，如傳統應用廣泛的掘進機單噴嘴內外噴霧霧化效果差；高壓噴霧系統結構復雜，對水質要求很高，因此，現場粉塵質量濃度 (特別是呼吸性粉塵) 嚴重超標，迫切需要研究結構簡單、現場應用方便、安全可靠、成本低廉、效果顯著的粉塵防治技術[15-16]，為此筆者對組合壓氣低壓水吸風噴霧射流防控綜掘割巖粉塵進行了試驗研究。

1 組合壓氣低壓水吸風噴霧射流作用原理

壓氣水噴霧射流氣水幕是指壓氣與低壓水混合，經壓氣水射流噴嘴噴出形成的氣水幕。壓氣水噴嘴結構如圖 1 所示，由連接部、六角棱、半球外殼和 6 個梭形孔組成，連接部、六角棱內部為流體過渡段，流體過渡段從入口的圓柱體漸變為半球體，半球外殼的外形呈半球體外表面，6 個梭形孔均布于半球外殼上，其梭形孔的外表面為梭形，內表面為橢圓形，長軸等于半球面半徑，短軸長 1～4 mm，內外表面倒角為 15°～35°，水氣流依次經過圓柱體、半球體，從 6 個梭形孔噴出。

圖1 壓氣水噴嘴結構示意Fig.1 Structural sketch of pressurized water nozzle

壓氣和自然水在混合器混合后，由于壓風對水產生切割分離作用，使得壓氣與水通過第一次慣性碰撞、切割分離后霧化成氣水混合物；經過噴嘴導水芯時，壓氣水產生離心力，通過噴口高速噴出時，與靜止的空氣存在速度不連續的間斷面，間斷面受到不可避免的干擾，失去穩定而產生渦旋，渦旋卷吸周圍的空氣進入射流，同時不斷移動、變形、分裂，產生紊動，這樣，由于噴嘴出口處射流邊界層的紊動擴散及黏滯作用，水射流與含塵空氣產生動量交換，其壓氣水混合物被剪切分散形成細小液滴而進行二次霧化射流并形成氣水幕。

壓氣水吸風噴霧器由壓氣水射流噴嘴和外部增設射流管 (含吸入室、喉管、擴散管) 組成，結構如圖 2 所示。

圖2 壓氣水吸風噴霧器結構示意Fig.2 Structural sketch of pressurized water air suction sprayer

氣水射流噴嘴位于射流管中心，具有獨特的通風功能。壓氣水通過壓氣水射流噴嘴快速噴出后在射流管內形成二次霧化射流，該射流與管內空氣發生動量交換而產生負壓，將吸入室及外界的氣體卷吸到喉管；射流到達喉管時，因喉管斷面最小，速度增至最高，使得氣壓降至低于吸入室及外界的氣壓，促使吸入室內及外界含塵空氣向喉管流動；射流在喉管中運動時，氣水射流和空氣呈多相混合運動，它們進行能量和質量的傳遞，壓力水速度減小，被吸空氣速度增大，結果又使外界及吸入室的含塵氣體增加；最后，射流水在擴散管運動時，含塵水氣速度已經基本一致，由于擴散管斷面呈增大趨勢，水氣速度減小，使得水氣混合物的部分動能轉化成壓能，又增加了抽吸和壓縮的效果。由于上述獨特的通風功能，壓氣水噴霧二次霧化射流同時與被吸氣體再次水氣碰撞而形成三次氣水混合射流。因此，霧化效果更好，抽吸的空氣量大，通風作用更強，氣水幕氣流更穩定、霧滴更細。

如圖 3 所示，綜掘組合壓氣低壓水吸風噴霧系統由多個壓氣水噴嘴、多個壓氣水吸風噴霧器、壓氣水混合分配器、閥門、高壓軟管等組成。壓氣水噴嘴、壓氣水吸風噴霧器并排間隔布置在伸縮臂后部的上半圓周表面，壓氣與低壓水通過壓氣水混合器和分配器進入吸風噴嘴器后，抽吸較多的后部空氣進入射流后形成穩定、細霧滴的多次氣水混合射流，卷吸后部及周圍的含塵空氣進入氣水混合射流，增加了多次氣水混合射流的總體空氣參與量并保證氣水幕穩定性，從而在滾筒上半圓周圍形成由多個壓氣水噴霧射流氣水幕和壓氣水吸風噴霧射流氣水幕組成的無間隙、環形吸風氣水幕，攔截、濕潤、控制掘進機截割的產塵，并將余塵抽吸到水幕中濕潤降塵，同時還能有效地驅散截割處瓦斯，其壓氣水細水霧的還具備高效滅火作用，消除截割煤巖可能產生的火花，起到降塵、降瓦斯和消除火源的“三位一體”效果。

圖3 壓氣水噴嘴與壓氣水吸風噴霧器布置示意Fig.3 Layout sketch of pressurized water nozzle and pressurized water air suction sprayer

2 試驗地點與試驗系統

2.1 試驗工作面概況

工業性試驗在渦北煤礦 85 采區運輸石門及上山巖巷綜掘工作面進行。該掘進面采用 EBZ-260B 型掘進機進行銑削式切割。

EBZ-260B 型掘進機原有噴霧系統包括內外噴霧和高壓文丘里噴霧裝置，整體霧化效果較差。其中，內噴霧在每個截齒處設有圓孔噴嘴，因旋轉水密封漏水而無法使用；外噴霧為由截割電動機出來的冷卻水通過環繞在截割部伸縮臂后部的十多個普通噴嘴進行半環形噴霧，其所需流量和壓力與供水系統的流量和壓力不匹配，設計噴霧水壓為 1.0 MPa，所需水量為 100 L/min，而提供的供水壓力 ＜ 1.0 MPa，供水流量遠小于所需耗水量，故外噴霧效果甚微；高壓文丘里噴霧裝置由 BPW40/8J 型機載噴霧泵和 2 個安設在機身兩側的文丘里噴霧器組成，作用范圍小，僅為截割頭局部產塵點，且機載噴霧泵故障率較高，使用不正常。

施工范圍內主要巖性為灰巖、煤、泥巖、鋁質泥巖、細粉砂巖及斷層破碎帶，地溫為 28.7～34.5 ℃，瓦斯含量為 0～2.21 m3/t，瓦斯壓力為 0.1 MPa。巷道斷面為三心拱形，支護形式為錨帶索注，巷道凈寬×凈高=5 200 mm×3 600 mm，壓風管路為 4 英寸，巷道內使用 4 英寸防塵供水管路，采用長壓短抽通風，壓入式通風的局部通風機型號為 FBD NO.6.3 (2×30 kW) 對旋式局部通風機，配套風筒直徑為 800 mm，供風量為 320～590 m3/min，全風壓為 760～5 900 Pa；抽出式除塵風機型號為 KCG-500D。

2.2 試驗系統

現場壓縮空氣壓力為 0.4～0.6 MPa，井下防塵自然水壓力為 0.6～1.2 MPa。綜掘組合壓氣低壓水吸風噴霧現場試驗系統由 2 個壓氣水噴嘴、3 個壓氣水吸風噴霧器，以及壓氣水混合分配器、閥門、高壓軟管等組成。每個壓氣水噴嘴的梭形孔外表面為梭形，內表面為橢圓形，長軸等于半球面半徑，短軸為 3 mm，內外表面倒角為 25°，噴嘴耗水量為 3～5 L/min、耗氣量為 30～50 L/min，霧滴索太爾平均直徑 (SMD) 為 76.0 μm，霧化角為 60°，有效射程為 245 cm。單個壓氣水吸風噴霧器總長度為 120～150 mm，外徑為 60～70 mm，喉嘴距為 25～40 mm，吸入室內徑為 55 mm，喉管直徑為 40～50 mm，喉管長 35～45 mm，擴散管的擴散角為 35°～45°，索太爾平均直徑 (SMD) 為 64.0 μm，吸風量為 12 m3/min，霧化角為 65°，有效射程為 269.0 cm。現場壓氣和自然水接入壓氣水混合分配器后，其氣水混合物通過間隔布置的 2 個壓氣水噴嘴和 3 個壓氣水吸風噴霧器進行噴霧降塵、降瓦斯和消除火源。

3 試驗結果與分析

3.1 氣水幕效果

該工作面原有噴霧系統整體霧化效果較差。采用組合壓氣低壓水吸風噴霧系統后，在滾筒周圍形成環形氣流的吸風氣水幕，霧化效果好，噴嘴噴孔直徑大不易堵塞。吸風氣水幕效果如圖 4 所示。

圖4 吸風氣水幕效果Fig.4 Effects of air suction water curtain

3.2 降塵效果

按照國家規定，采用濾膜計重粉塵測定方法，分別測定全塵、呼吸性粉塵含量。使用承德產 DCH2Ⅱ型防爆粉塵采樣器，采用十萬分之一分析天平稱重。粉塵質量濃度測點分別為司機處和掘進機回風 10～15 m 處。試驗前后全塵、呼吸性粉塵質量濃度平均值如表 1 所列。

從表 1 可以看出，采用本防塵措施后，司機處的全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別為 36.1 和 16.1 mg/m3，相比無防塵措施降塵率分別為 96.1%、96.9%，相比原防塵措施降塵率分別為 95.4%、95.1%；工作面回風 10～15 m 處的全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別為 16.1 mg/m3和 13.6 mg/m3，相比無防塵措施降塵率分別為 96.8%、97.0%，相比原防塵措施降塵率分別為 96.3%、95.2%。

表1 平均粉塵質量濃度測定結果Tab.1 Measurements of average mass density of dust

3.3 降瓦斯和消除火花等效果

為了考察滾筒截齒附近的降瓦斯效果，在制定安全措施情況下，當滾筒截齒截割正常后，停止滾筒截割，測定滾筒截齒處的瓦斯情況。在原技術措施下，滾筒截齒處位于通風渦流區，瓦斯不易及時排放，瓦斯濃度為 0.15%；采用本措施后，由于安裝了氣水噴嘴和壓氣水吸風式噴霧器，共產生了 36 m3/min 的風量，瓦斯得以及時排放，滾筒截齒處的瓦斯濃度降為 0.05%，提高了現場生產安全系數。

在消除截割火花方面，其他工作面采用原有系統時，常有截齒截割火花產生，采用本措施后，未產生截齒截割火花。

4 結論

通過理論分析，并在淮北礦業集團渦北煤礦 85 采區運輸石門及上山巖巷綜掘工作面進行了組合壓氣低壓水吸風噴霧射流防控綜掘割巖降塵試驗，可得出如下結論。

(1) 組合壓氣低壓水吸風噴霧射流由多個壓氣水和壓氣水吸風噴霧形成的無間隙、環形吸風氣水幕，不僅能攔截、濕潤、控制掘進機截割的產塵，并將余塵抽吸到水幕中濕潤降塵，同時也有效地驅散截割處瓦斯，其壓氣水細水霧具有高效滅火作用，消除了截割煤巖可能產生的火花，起到了降塵、降瓦斯和消除火源的“三位一體”效果。

(2) 降塵效果明顯。與原措施相比，司機處和掘進機回風 10～15 m 處的全塵降塵率為 95.4%～96.3%，呼吸性粉塵降塵率為 95.1%～95.2%。

(3) 降瓦斯和消除火花效果明顯。瓦斯降低率達 70% 左右，并可有效消除截割火花。

組合壓氣低壓水吸風噴霧射流是至今防控綜掘割巖粉塵的最有效方法之一，綜合效果顯著，系統簡單、成本低廉、使用方便。