李重顯,張志操

(山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán) 四通煤業(yè)有限公司, 山西 臨汾 041000)

隨著礦山掘進(jìn)工作的不斷深入,掘進(jìn)作業(yè)中對(duì)巖層的破碎振動(dòng)、機(jī)械切削、鉆孔爆破等作業(yè)導(dǎo)致粉塵飛揚(yáng)[1]. 掘進(jìn)工作面存在著嚴(yán)重的粉塵污染問(wèn)題,工作人員長(zhǎng)期暴露在高濃度的粉塵環(huán)境中可能導(dǎo)致職業(yè)病,如塵肺病、呼吸系統(tǒng)疾病等[2]. 同時(shí),粉塵對(duì)機(jī)械設(shè)備的零部件、傳動(dòng)系統(tǒng)等造成磨損,縮短設(shè)備的使用壽命,增加維護(hù)成本[3]. 粉塵濃度較高的環(huán)境中,存在火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn),尤其是可燃性粉塵[4].

目前,綜掘工作面的除塵問(wèn)題仍未妥善解決。分析其原因,現(xiàn)有掘進(jìn)面除塵設(shè)備未有效抑制粉塵擴(kuò)散,噴嘴霧化效果不好,無(wú)法將粉塵有效捕捉;防塵用水中含有大量雜質(zhì)導(dǎo)致噴霧設(shè)備堵塞而不能穩(wěn)定運(yùn)行[5]. 基于此,設(shè)計(jì)了一種高效斷面噴霧凈化系統(tǒng)HCS5-003,并在回通煤業(yè)5202-2綜掘工作面進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試,以檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

1 綜掘工作面粉塵污染狀況分析

四通煤業(yè)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(jī)掘進(jìn)。二采區(qū)東回風(fēng)巷、東回風(fēng)開(kāi)拓工作面均采用EBZ-260 H型綜掘機(jī)掘進(jìn)。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(duì)人體的危害比煤塵高[6]. 綜掘工作面在非工作狀態(tài)粉塵濃度低,但掘進(jìn)過(guò)程中粉塵污染嚴(yán)重。掘進(jìn)作業(yè)中對(duì)巖層的破碎振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵,工作面配風(fēng)量大,致使高濃度粉塵在極短的時(shí)間內(nèi)在作業(yè)空間中大范圍逸散[7]. 安裝在掘進(jìn)機(jī)炮頭的除塵設(shè)備應(yīng)將粉塵在掘進(jìn)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(rùn)濕,除塵設(shè)備無(wú)法將粉塵捕捉并沉降,導(dǎo)致巷道內(nèi)粉塵污染嚴(yán)重。

使用AKFC-92A型粉塵濃度傳感器對(duì)5202-2綜掘工作面的粉塵濃度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集。在現(xiàn)有生產(chǎn)強(qiáng)度、原有除塵設(shè)施正常運(yùn)行的條件下,粉塵濃度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 四通煤業(yè)5202-2綜掘工作面粉塵濃度

粉塵測(cè)定結(jié)果顯示,距離掘進(jìn)司機(jī)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(cè)定的全塵、呼塵濃度數(shù)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(diǎn)距離掘進(jìn)司機(jī)位置增加,粉塵濃度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。距離掘進(jìn)司機(jī)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(cè)定的全塵、呼塵濃度數(shù)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(nèi)懸浮。粉塵隨掘進(jìn)巷道由內(nèi)向外擴(kuò)散過(guò)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(cè)得的全塵濃度和呼塵濃度數(shù)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(guī)程》(2022版)等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。掘進(jìn)機(jī)炮頭的除塵設(shè)備對(duì)粉塵擴(kuò)散起到一定的抑制作用,但仍無(wú)法達(dá)到除塵要求。因此,采用高效斷面噴霧凈化系統(tǒng) HCS5-003,對(duì)巷道內(nèi)逸散的粉塵進(jìn)行阻隔并沉降。

2 超音速噴霧凈化機(jī)理研究

2.1 超音速霧化原理

濕式噴霧降塵仍是目前最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、徹底的除塵方法之一。噴霧除塵是一種通過(guò)霧滴與空氣中的粉塵發(fā)生作用,使其濕化、結(jié)合并沉降,從而實(shí)現(xiàn)粉塵去除的技術(shù)。從空氣動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)角度出發(fā),高速、粒徑匹配、浸潤(rùn)性良好是高效捕捉呼吸性粉塵的3個(gè)充分條件[8].

高校斷面噴霧凈化系統(tǒng)HCS5-003的核心是超音速霧化噴嘴,超音速霧化是一種先進(jìn)的噴霧技術(shù),該噴嘴將氣流通過(guò)拉瓦爾結(jié)構(gòu)引導(dǎo)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(shí)現(xiàn)高效霧化[9]. 噴管原理見(jiàn)圖1,其壓縮段截面逐漸縮小至中間呈現(xiàn)狹窄的喉部。在喉部之后,噴管截面迅速增大,形成擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)壓縮段時(shí),高密度氣流在一定氣動(dòng)總壓的作用下從壓縮段入口進(jìn)入拉瓦爾噴管。在壓縮段,氣流處于高壓力、高密度、緩慢流動(dòng)狀態(tài),遵循不可壓縮氣流的管內(nèi)流動(dòng)規(guī)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(dòng)。隨著流動(dòng)到窄喉,流速接近音速,達(dá)到了“當(dāng)?shù)匾羲贍顟B(tài)”(馬赫數(shù)1). 當(dāng)氣流通過(guò)喉部后,進(jìn)入噴管的擴(kuò)張段,被壓縮到極限的流體迅速膨脹,其流動(dòng)狀態(tài)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(dá)到超音速流動(dòng)狀態(tài)[10].

圖1 氣流在拉瓦爾噴管內(nèi)的流動(dòng)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(shù)的粉塵粒徑1～30 μm. 超音速霧化噴嘴產(chǎn)生的細(xì)水霧細(xì)膩均勻,根據(jù)測(cè)量,產(chǎn)生的霧滴粒徑范圍占比居多的是1～30 μm. 形成與巷道內(nèi)粉塵粒徑匹配的細(xì)水霧,可以迅速?zèng)_破呼吸性粉塵周?chē)臍饽?達(dá)到快速浸潤(rùn)、凝聚、沉降的目的。

同時(shí)超音速氣流可以將防塵水中雜質(zhì)擊碎,防堵性能強(qiáng)。噴嘴設(shè)計(jì)靈活,可以通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)中氣壓和水壓大小,對(duì)霧滴大小和分布精準(zhǔn)控制。高速氣流形成的強(qiáng)烈正向壓力,使霧滴可以在空氣中迅速傳播,形成有效的潤(rùn)濕效果。

氣路壓力0.2～0.8 MPa,水路可自吸無(wú)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(yuǎn)。在暗室內(nèi)平行光下呈“錐形云霧狀”,霧滴動(dòng)力強(qiáng)、噴射速度快、霧化粒度細(xì)。

3 高效斷面噴霧凈化系統(tǒng)整體架構(gòu)

綜掘工作面工作環(huán)境惡劣,設(shè)計(jì)高效斷面噴霧凈化系統(tǒng)不僅要兼顧高效除塵,還必須考慮防堵性能和運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)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(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖2,由超音速霧化噴嘴、減壓過(guò)濾裝置、氣動(dòng)控制閥、易拆卸噴霧架構(gòu)成。

圖2 高效斷面噴霧凈化系統(tǒng)HCS5-003的構(gòu)成

霧化噴嘴型號(hào)為T(mén)Y-01,采用超音速霧化技術(shù)。通過(guò)噴嘴將水以微細(xì)霧滴形式均勻覆蓋掘進(jìn)斷面,實(shí)現(xiàn)全面、高效的粉塵抑制。

氣動(dòng)控制閥:負(fù)責(zé)超音速霧化噴嘴的開(kāi)啟和閉合,控制閥為氣動(dòng)閥,通過(guò)供氣管路提供動(dòng)力。

減壓過(guò)濾裝置:負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)供給噴嘴的水壓和氣壓大小,同時(shí)壓力控制單元內(nèi)集成了前端水處理過(guò)濾器SKFL-25,將防塵水管路中的雜質(zhì)過(guò)濾,同時(shí)將水軟化處理,保證進(jìn)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(gè)月,比市面上噴嘴壽命高2～3倍。

噴霧架:噴霧架材質(zhì)為不銹鋼,固定噴嘴的結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)動(dòng),方便噴嘴調(diào)整噴射角度。該噴霧架上安裝5個(gè)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(kuò)散。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及分析

在四通煤業(yè)5202-2綜掘工作面距離掘進(jìn)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(tǒng),具體布置情況見(jiàn)圖3.

圖3 HCS5-003系統(tǒng)布置情況

綜掘巷道內(nèi)安裝高效斷面噴霧凈化系統(tǒng)并且運(yùn)行后,粉塵在擴(kuò)散路徑上被逐級(jí)捕捉并沉降。對(duì)5202-2綜掘工作面表1粉塵采樣點(diǎn)進(jìn)行粉塵濃度采樣,得到全塵采樣數(shù)據(jù)見(jiàn)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(shù)據(jù),其中采樣點(diǎn)1位于距離掘進(jìn)司機(jī)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(shí),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(diǎn)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(guī)程》(2022版)等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn),該高效斷面噴霧凈化系統(tǒng)在掘進(jìn)斷面的除塵效果顯著,有效抑制了粉塵的擴(kuò)散,因此,其設(shè)計(jì)方案合理可行。

圖5 呼塵粉塵濃度和除塵效率

5 總 結(jié)

針對(duì)綜掘工作面原噴霧除塵裝置未有效抑制粉塵,導(dǎo)致大量粉塵在巷道擴(kuò)散的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種高效斷面噴霧凈化系統(tǒng) HCS5-003.

HCS5-003以超音速噴嘴為核心,在掘進(jìn)巷道內(nèi)形成霧幕,霧幕整體霧滴粒徑介于1～30 μm. 系統(tǒng)產(chǎn)生的細(xì)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(duì)粉塵的擴(kuò)散進(jìn)行有效阻隔。

HCS5-003在距離掘進(jìn)面15 m、25 m以及45 m處安裝。系統(tǒng)內(nèi)配備過(guò)濾減壓裝置,同時(shí)噴嘴防堵性能優(yōu)良,因此系統(tǒng)穩(wěn)定性提高,使用壽命延長(zhǎng)。

HCS5-003在四通煤業(yè)5202-2綜掘工作面運(yùn)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(tǒng)改善了綜掘巷道的工作環(huán)境,除塵效率顯著提高。