綜掘工作面高效斷面噴霧凈化系統的設計與應用

李重顯,張志操

(山西煤炭運銷集團 四通煤業有限公司, 山西 臨汾 041000)

隨著礦山掘進工作的不斷深入,掘進作業中對巖層的破碎振動、機械切削、鉆孔爆破等作業導致粉塵飛揚[1]. 掘進工作面存在著嚴重的粉塵污染問題,工作人員長期暴露在高濃度的粉塵環境中可能導致職業病,如塵肺病、呼吸系統疾病等[2]. 同時,粉塵對機械設備的零部件、傳動系統等造成磨損,縮短設備的使用壽命,增加維護成本[3]. 粉塵濃度較高的環境中,存在火災和爆炸的風險,尤其是可燃性粉塵[4].

目前,綜掘工作面的除塵問題仍未妥善解決。分析其原因,現有掘進面除塵設備未有效抑制粉塵擴散,噴嘴霧化效果不好,無法將粉塵有效捕捉;防塵用水中含有大量雜質導致噴霧設備堵塞而不能穩定運行[5]. 基于此,設計了一種高效斷面噴霧凈化系統HCS5-003,并在回通煤業5202-2綜掘工作面進行運行測試,以檢驗系統設計的合理性。

1 綜掘工作面粉塵污染狀況分析

四通煤業目前綜掘工作面為5202-2膠帶順槽、5202-2綜掘工作面,均采用EBZ-200型綜掘機掘進。二采區東回風巷、東回風開拓工作面均采用EBZ-260 H型綜掘機掘進。綜掘工作面煤巖類別為半煤半巖,巖石破碎粒徑分布主要以大顆粒為主,粉塵類型主要為巖塵,巖塵含硅量較大,對人體的危害比煤塵高[6]. 綜掘工作面在非工作狀態粉塵濃度低,但掘進過程中粉塵污染嚴重。掘進作業中對巖層的破碎振動會產生大量粉塵,工作面配風量大,致使高濃度粉塵在極短的時間內在作業空間中大范圍逸散[7]. 安裝在掘進機炮頭的除塵設備應將粉塵在掘進工作面附近清除,但是由于粉塵中巖塵含量較高,因此極難被潤濕,除塵設備無法將粉塵捕捉并沉降,導致巷道內粉塵污染嚴重。

使用AKFC-92A型粉塵濃度傳感器對5202-2綜掘工作面的粉塵濃度進行現場采集。在現有生產強度、原有除塵設施正常運行的條件下,粉塵濃度數據見表1.

表1 四通煤業5202-2綜掘工作面粉塵濃度

粉塵測定結果顯示,距離掘進司機后方10 m處的全塵濃度、呼塵濃度分別為38.6 mg/m3、27.2 mg/m3,該位置測定的全塵、呼塵濃度數值相差較大,表明該位置有較多大顆粒粉塵在空間中懸浮。隨著采集點距離掘進司機位置增加,粉塵濃度呈現減小趨勢。距離掘進司機后方100 m處的全塵濃度、呼塵濃度分別為6.5 mg/m3、6.3 mg/m3,該位置測定的全塵、呼塵濃度數值相差較小,表明大顆粒粉塵逐漸沉降,主要為小顆粒粉塵在空間內懸浮。粉塵隨掘進巷道由內向外擴散過程中,大顆粒粉塵占比降低,呼吸性粉塵占比增大,因此同一位置測得的全塵濃度和呼塵濃度數值逐漸接近。

該礦綜掘工作面總粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度均超出《煤礦安全規程》(2022版)等相關國家標準。掘進機炮頭的除塵設備對粉塵擴散起到一定的抑制作用,但仍無法達到除塵要求。因此,采用高效斷面噴霧凈化系統 HCS5-003,對巷道內逸散的粉塵進行阻隔并沉降。

2 超音速噴霧凈化機理研究

2.1 超音速霧化原理

濕式噴霧降塵仍是目前最簡單、經濟、徹底的除塵方法之一。噴霧除塵是一種通過霧滴與空氣中的粉塵發生作用,使其濕化、結合并沉降,從而實現粉塵去除的技術。從空氣動力學和物理化學角度出發,高速、粒徑匹配、浸潤性良好是高效捕捉呼吸性粉塵的3個充分條件[8].

高校斷面噴霧凈化系統HCS5-003的核心是超音速霧化噴嘴,超音速霧化是一種先進的噴霧技術,該噴嘴將氣流通過拉瓦爾結構引導至超音速速度,超音速氣流將液滴快速破碎,形成微小而均勻的霧滴,實現高效霧化[9]. 噴管原理見圖1,其壓縮段截面逐漸縮小至中間呈現狹窄的喉部。在喉部之后,噴管截面迅速增大,形成擴張段結構。經過壓縮段時,高密度氣流在一定氣動總壓的作用下從壓縮段入口進入拉瓦爾噴管。在壓縮段,氣流處于高壓力、高密度、緩慢流動狀態,遵循不可壓縮氣流的管內流動規律,即“截面小則流速大,截面大則流速小”。在壓縮段,氣流逐漸加速,保持亞音速流動。隨著流動到窄喉,流速接近音速,達到了“當地音速狀態”(馬赫數1). 當氣流通過喉部后,進入噴管的擴張段,被壓縮到極限的流體迅速膨脹,其流動狀態不再遵循“截面小則流速大,截面大則流速小”的原理,而是相反,“截面大,流速快”,從而突破音速,達到超音速流動狀態[10].

圖1 氣流在拉瓦爾噴管內的流動原理

2.2 粉塵和霧滴粒徑分散度分析

綜掘工作面的粉塵粒徑1～200 μm,其中占多數的粉塵粒徑1～30 μm. 超音速霧化噴嘴產生的細水霧細膩均勻,根據測量,產生的霧滴粒徑范圍占比居多的是1～30 μm. 形成與巷道內粉塵粒徑匹配的細水霧,可以迅速沖破呼吸性粉塵周圍的氣膜,達到快速浸潤、凝聚、沉降的目的。

同時超音速氣流可以將防塵水中雜質擊碎,防堵性能強。噴嘴設計靈活,可以通過調整系統中氣壓和水壓大小,對霧滴大小和分布精準控制。高速氣流形成的強烈正向壓力,使霧滴可以在空氣中迅速傳播,形成有效的潤濕效果。

氣路壓力0.2～0.8 MPa,水路可自吸無需額外供壓。噴霧呈扇面錐形,霧化角 65°～95°、耗氣量3～5 m3/h、耗水量50～150 mL/min、射程3～8 m. 霧滴濃度大、粒度小、射程遠。在暗室內平行光下呈“錐形云霧狀”,霧滴動力強、噴射速度快、霧化粒度細。

3 高效斷面噴霧凈化系統整體架構

綜掘工作面工作環境惡劣,設計高效斷面噴霧凈化系統不僅要兼顧高效除塵,還必須考慮防堵性能和運行穩定性。同時開啟和關閉必須方便操作,減少工作人員工作量。高效斷面噴霧除塵系統構成見圖2,由超音速霧化噴嘴、減壓過濾裝置、氣動控制閥、易拆卸噴霧架構成。

圖2 高效斷面噴霧凈化系統HCS5-003的構成

霧化噴嘴型號為TY-01,采用超音速霧化技術。通過噴嘴將水以微細霧滴形式均勻覆蓋掘進斷面,實現全面、高效的粉塵抑制。

氣動控制閥:負責超音速霧化噴嘴的開啟和閉合,控制閥為氣動閥,通過供氣管路提供動力。

減壓過濾裝置:負責調節供給噴嘴的水壓和氣壓大小,同時壓力控制單元內集成了前端水處理過濾器SKFL-25,將防塵水管路中的雜質過濾,同時將水軟化處理,保證進入噴嘴的防塵用水潔凈,顯著提高噴嘴的使用壽命,該噴嘴壽命為8～12個月,比市面上噴嘴壽命高2～3倍。

噴霧架:噴霧架材質為不銹鋼,固定噴嘴的結構可以轉動,方便噴嘴調整噴射角度。該噴霧架上安裝5個TY-01超音速霧化噴嘴,形成噴霧面,確保水霧能夠有效阻隔粉塵的擴散。

4 現場應用及分析

在四通煤業5202-2綜掘工作面距離掘進斷面15 m和25 m以及45 m處分別安裝高效斷面噴霧凈化系統,具體布置情況見圖3.

圖3 HCS5-003系統布置情況

綜掘巷道內安裝高效斷面噴霧凈化系統并且運行后,粉塵在擴散路徑上被逐級捕捉并沉降。對5202-2綜掘工作面表1粉塵采樣點進行粉塵濃度采樣,得到全塵采樣數據見圖4.

圖4 全塵濃度和除塵效率

圖5展示了治理前后的呼塵濃度數據,其中采樣點1位于距離掘進司機后方10 m的位置,該位置的全塵濃度從38.6 mg/m3降低至15.2 mg/m3,除塵效率提高了39.4%. 同時,呼塵濃度由27.2 mg/m3降低至11.3 mg/m3,除塵效率提高了41.5%. 采樣點3—8位置的全塵濃度均低于4 mg/m3,呼塵濃度均低于2.5 mg/m3,符合《煤礦安全規程》(2022版)等相關國家標準。可見,該高效斷面噴霧凈化系統在掘進斷面的除塵效果顯著,有效抑制了粉塵的擴散,因此,其設計方案合理可行。

圖5 呼塵粉塵濃度和除塵效率

5 總 結

針對綜掘工作面原噴霧除塵裝置未有效抑制粉塵,導致大量粉塵在巷道擴散的問題,設計了一種高效斷面噴霧凈化系統 HCS5-003.

HCS5-003以超音速噴嘴為核心,在掘進巷道內形成霧幕,霧幕整體霧滴粒徑介于1～30 μm. 系統產生的細霧粒徑和粉塵粒徑大小相匹配,快速將粉塵捕獲并且沉降,對粉塵的擴散進行有效阻隔。

HCS5-003在距離掘進面15 m、25 m以及45 m處安裝。系統內配備過濾減壓裝置,同時噴嘴防堵性能優良,因此系統穩定性提高,使用壽命延長。

HCS5-003在四通煤業5202-2綜掘工作面運行后,全塵的除塵效率60.1%～79.2%,呼塵的除塵效率58.5%～83.1%. 相較于巷道原除塵裝置,全塵除塵效率提高39.4%,呼塵除塵效率提高41.5%,高效斷面噴霧凈化系統改善了綜掘巷道的工作環境,除塵效率顯著提高。