莫 樊 郁鐘銘 吳桂義

（

1.貴州民族大學(xué)建筑工程學(xué)院，貴州省貴陽(yáng)市，550025；2.六盤水師范學(xué)院，貴州省六盤水市，553000；3.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州省貴陽(yáng)市，550003）

對(duì)貴州省六盤水礦區(qū)煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)回風(fēng)巷最常用的除塵方法是利用風(fēng)流凈化水幕，且由現(xiàn)場(chǎng)工人根據(jù)觀察到的粉塵量決定是否開(kāi)啟水幕灑水降塵。水幕自動(dòng)控制系統(tǒng)在六盤水礦區(qū)個(gè)別礦井得到了采用，但由于技術(shù)不成熟，降塵效果也沒(méi)有得到很好的提高，解決不了粉塵污染的實(shí)際問(wèn)題。此外，在貴州省部分煤礦，底板由粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等軟弱巖層所組成，力學(xué)強(qiáng)度低，在積水后會(huì)變形膨脹，給巷道支護(hù)及工作面的推進(jìn)帶來(lái)不便。另外，由于個(gè)別煤層的低空隙率，注水不容易，所以該類型煤礦會(huì)非常謹(jǐn)慎地使用煤層注水和噴霧降塵方法。粉塵污染問(wèn)題嚴(yán)重的威脅到井下職工的身體健康和生命安全，已成為當(dāng)前煤礦安全工作的難題之一。因此探索新型、有效的降塵方法具有重要的意義。

1 水幕噴霧液滴捕塵效率

1.1 單個(gè)液滴綜合捕塵效率的計(jì)算

單個(gè)液滴綜合捕塵效率ηE 是由所有的除塵機(jī)理共同決定的。

式中：ηP ——液滴慣性碰撞捕塵效率；

ηR——截留捕塵效率；

ηD——布朗擴(kuò)散捕塵效率；

ηG——重力效應(yīng)捕塵效率；

ηe——靜電凝結(jié)捕塵效率。

然而慣性碰撞是實(shí)際濕式除塵過(guò)程中最主要的機(jī)理，其余捕塵效率可以忽略不計(jì)，所以可將公式（1）化簡(jiǎn)為：

式中：β0 ——實(shí)驗(yàn)常數(shù)，取β0 =1。

1.2 噴霧除塵效率的計(jì)算及分析

假定粉塵與噴霧液滴在巷道內(nèi)任意斷面上均勻分布，尺寸大小都一致。液滴運(yùn)動(dòng)方向與氣流方向垂直，且僅在dx 范圍內(nèi)捕集粉塵，液滴捕集粉塵的過(guò)程完全獨(dú)立。液滴捕塵模型示意圖如圖1 所示。

圖1 液滴捕塵模型示意圖

粉塵微元控制體內(nèi)Adx 的單位時(shí)間質(zhì)量平衡方程為：

式中：A——通道的截面積，m2；

c——粉塵濃度，kg／m3；

ug——粉塵隨空氣流動(dòng)速度，m／s；

ud——液滴速度，m／s；

udg——?dú)庖合鄬?duì)速度，m／s；

Dc——液滴粒徑，m；

q——液滴含量，m2。

孤立液滴慣性碰撞捕集效率為：

式中：kp——斯托克斯準(zhǔn)數(shù)。

式中：β——坎寧漢滑動(dòng)修正系數(shù)；

dp——粉塵粒徑，m；

ρp——塵粒密度，kg／m3；

μg——?dú)怏w粘度，Pa·s。

將公式 （3）化簡(jiǎn)得：

設(shè)原始粉塵濃度為c0，即當(dāng)x=0時(shí)，c=c0，液滴的作用長(zhǎng)度為x，積分得：

則除塵效率可表示為：

將公式 （7）、（8）合并得：

2 回風(fēng)巷斷面突然擴(kuò)大段水幕噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以六盤水礦區(qū)響水煤礦為例，響水煤礦生產(chǎn)能力為300萬(wàn)t／a，屬于煤與瓦斯突出礦井，礦井通風(fēng)量大，因此井下巷道空氣流動(dòng)速率較大。W134綜采工作面回風(fēng)巷是煤炭礦井的主要風(fēng)流行走巷道，該回風(fēng)巷距離較長(zhǎng)，連接著工作面一直到回風(fēng)井，是整個(gè)礦井的回采巷道之一，同時(shí)也是采煤工作面粉塵的排出巷道，工作面煤塊在下落過(guò)程中做拋物線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的粉塵在巷道風(fēng)流與空氣沿程阻力的相互作用下，長(zhǎng)期在空中懸浮且擴(kuò)散在風(fēng)流中，肉眼基本無(wú)法發(fā)現(xiàn)。

2.1 綜采面回風(fēng)巷道斷面突然擴(kuò)大降塵方法

利用流體動(dòng)力學(xué)中通風(fēng)管道斷面突變理論，設(shè)置一處斷面突然變化段在回風(fēng)巷中。由于巷道斷面的突擴(kuò)和突縮，在慣性作用下，風(fēng)流與壁面脫離，進(jìn)而形成風(fēng)流的旋渦區(qū)。污風(fēng)中含有的粉塵顆粒被旋渦處的循環(huán)風(fēng)流吸附，同時(shí)由于旋渦中心風(fēng)速降低以及粉塵自身重量，在巷道運(yùn)動(dòng)時(shí)，自身沉降到旋渦區(qū)中心區(qū)域，保證了后部巷道的衛(wèi)生條件。其斷面粉塵濃度分布通過(guò)FLUENT 軟件模擬后，粉塵濃度規(guī)律及斷面突然變化粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2（a）、（b）所示，距離巷道兩幫粉塵濃度在不同位置處沿程變化趨勢(shì)如圖2 （c）所示。

圖2 回風(fēng)巷斷面突然變化段粉塵沿程濃度模擬圖

由圖2 （a）、（b）和 （c）可見(jiàn)，在回風(fēng)巷中，距離靠近巷道兩幫越近，粉塵濃度越低，這種趨勢(shì)在回風(fēng)巷中面積擴(kuò)大處25～30 m 之間較為明顯；從距離回風(fēng)巷入口30m 處開(kāi)始，靠近巷道兩幫處的粉塵濃度均下降到6mg／m3以下。

2.2 噴霧除塵效率的計(jì)算

分別對(duì)直徑為1.0mm、1.5mm、2.0mm 的噴嘴進(jìn)行高壓噴霧試驗(yàn)，當(dāng)噴霧壓力達(dá)到3～5 MPa以上時(shí)，噴霧錐角、擴(kuò)張角及噴霧圓柱直徑取常數(shù)，霧柱直徑約為0.8m。故使用單個(gè)噴嘴噴霧覆蓋不了整個(gè)回風(fēng)巷寬度，需要把多個(gè)噴嘴通過(guò)噴霧管串聯(lián)起來(lái)使用。

2.2.1 參數(shù)量化

利用式 （8）計(jì)算得到液滴捕塵效率，針對(duì)響水煤礦W134綜采面回風(fēng)巷噴霧除塵的實(shí)際情況，當(dāng)僅考慮慣性碰撞捕塵機(jī)理時(shí)，β0=1，且取β=1，肯寧漢修正系數(shù)C=1，煤塵的堆積密度ρ=600 kg／m3，標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣的動(dòng)力粘度μ =1.8×10-5Pa·s，并且v0=udg。將各參數(shù)代入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行求解：

（1）粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)速度為W134綜采面工作面風(fēng)速ug=3.3m／s；

（3）相對(duì)于液滴運(yùn)動(dòng)速度，氣流速度可以忽略，則udg=ud；

（5）液滴直徑由公式D0=K2（1.85d-1）／p求得，為噴霧液滴平均直徑；

（6）液滴作用寬度與深度的乘積即為作用截面積A。設(shè)將噴嘴安裝在回風(fēng)巷頂部2.5～3 m 處，作用寬度為噴霧霧柱的寬度0.8m，取頂部作用長(zhǎng)度為3m，則A=2.4m2；

對(duì)于給定的噴嘴孔徑，可將噴霧液滴群的除塵效率η轉(zhuǎn)化為噴霧壓力p 的一元函數(shù)。

2.2.2 噴霧的有效距離

沉降粉塵的噴霧霧滴尺寸現(xiàn)普遍采用D50來(lái)代表 （即霧滴粒徑小于霧滴質(zhì)量占霧滴總質(zhì)量為50%時(shí)的粒徑值）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)噴霧密度ρ液為1000mg／m3，20℃時(shí)水的表面張力σ為0.0728 N／m，動(dòng)力粘度μ為0.001N／m2·s。噴霧有效長(zhǎng)度在不同壓力下的計(jì)算值如表1所示。

表1 不同壓力下噴霧有效距離

2.3 數(shù)值計(jì)算

煤礦風(fēng)流凈化水幕普遍使用靜壓水噴霧降塵，其壓力普遍為1.5～4 MPa，利用MATLAB7.0軟件編程，橫坐標(biāo)為粉塵粒徑dp，縱坐標(biāo)為除塵效率η，模擬噴嘴直徑分別為1.0 mm、1.2 mm、1.5mm 和2.0mm 時(shí)，霧滴粒徑D 的除塵效率曲線如圖3 （a）、（b）、（c）和 （d）所示。

圖3 不同壓力下噴嘴除塵效率

結(jié)合對(duì)回風(fēng)巷斷面突然擴(kuò)大降塵方法的研究，以斷面寬度擴(kuò)大2m，長(zhǎng)度為12m 為例，在利用斷面擴(kuò)大區(qū)域旋渦處沉降粉塵的基礎(chǔ)上，于風(fēng)流進(jìn)入?yún)^(qū)域后風(fēng)速最低處，即擴(kuò)大斷面的8～10m 處，架設(shè)一組水幕，把水幕凈化風(fēng)流的降塵方法與斷面擴(kuò)大的降塵方法相結(jié)合，形成兩道橫向霧屏，進(jìn)一步提高綜合降塵效率，以達(dá)到最好的降塵效果?；仫L(fēng)巷斷面突然變化噴霧系統(tǒng)噴嘴設(shè)計(jì)布置如圖4所示。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)比較圖3可以看出，供水壓力越大，降塵效率越高。當(dāng)噴嘴直徑為1.2mm 時(shí)，粒徑為3μm 的粉塵在1.5 MPa噴霧壓力下，降塵效率約為25%，而當(dāng)噴霧壓力增加到4 MPa時(shí)，降塵效率可達(dá)到93%。霧滴的出口速度隨著供水壓力的增大而增加，噴霧流量也有所增大，降塵有效距離也同時(shí)得到增加。

圖4 回風(fēng)巷斷面突然變化噴霧系統(tǒng)噴嘴設(shè)計(jì)布置圖

（2）噴嘴直徑在噴霧壓力一定時(shí)對(duì)降塵有較大影響。由公式（8）可知，在相同壓力下，霧滴粒徑D 越小，降塵越有利，而降低噴嘴直徑可使得霧滴粒徑D減小，建議應(yīng)盡量選用直徑較小的噴嘴。

（3）噴嘴直徑一定情況下，噴霧的有效覆蓋范圍隨著噴霧壓力的增大，其面積變化趨勢(shì)越來(lái)越小，所以噴霧壓力的提高，噴嘴直徑對(duì)降塵效率的影響減少?？紤]噴嘴孔較小時(shí)，粉塵容易對(duì)噴嘴孔堵塞，所以在選擇噴嘴直徑時(shí)，建議在回風(fēng)巷附近選取的噴嘴孔直徑為1.2～1.5 mm，噴霧用水壓力為3 MPa以上。

（4）根據(jù)響水煤礦W134工作面實(shí)際大小，擴(kuò)大后的回風(fēng)巷寬度為8.4 m，擬使用10個(gè)直徑為1.2～1.5mm 的實(shí)心錐形引射噴嘴，噴霧壓力為3 MPa以上，擴(kuò)散直徑約為0.8m，在距離斷面擴(kuò)大段8～10m 處風(fēng)速最小的位置布置風(fēng)流凈化水幕，達(dá)到最優(yōu)降塵效果。

［1］ 蔣仲安編著.濕式除塵技術(shù)及其應(yīng)用 ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1999

［2］ 馬素平，寇子明.噴霧降塵機(jī)理的研究 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005 （3）

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［6］ 薛勝雄.高壓水射流技術(shù)與應(yīng)用 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998

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