回風巷斷面突然擴大段風流凈化水幕噴霧系統的設計＊

莫 樊 郁鐘銘 吳桂義

（

1.貴州民族大學建筑工程學院，貴州省貴陽市，550025；2.六盤水師范學院，貴州省六盤水市，553000；3.貴州大學礦業學院，貴州省貴陽市，550003）

對貴州省六盤水礦區煤礦進行現場調研發現，該地區回風巷最常用的除塵方法是利用風流凈化水幕，且由現場工人根據觀察到的粉塵量決定是否開啟水幕灑水降塵。水幕自動控制系統在六盤水礦區個別礦井得到了采用，但由于技術不成熟，降塵效果也沒有得到很好的提高，解決不了粉塵污染的實際問題。此外，在貴州省部分煤礦，底板由粉砂質泥巖、炭質泥巖等軟弱巖層所組成，力學強度低，在積水后會變形膨脹，給巷道支護及工作面的推進帶來不便。另外，由于個別煤層的低空隙率，注水不容易，所以該類型煤礦會非常謹慎地使用煤層注水和噴霧降塵方法。粉塵污染問題嚴重的威脅到井下職工的身體健康和生命安全，已成為當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 單個液滴綜合捕塵效率的計算

單個液滴綜合捕塵效率ηE 是由所有的除塵機理共同決定的。

式中：ηP ——液滴慣性碰撞捕塵效率；

ηR——截留捕塵效率；

ηD——布朗擴散捕塵效率；

ηG——重力效應捕塵效率；

ηe——靜電凝結捕塵效率。

然而慣性碰撞是實際濕式除塵過程中最主要的機理，其余捕塵效率可以忽略不計，所以可將公式（1）化簡為：

式中：β0 ——實驗常數，取β0 =1。

1.2 噴霧除塵效率的計算及分析

假定粉塵與噴霧液滴在巷道內任意斷面上均勻分布，尺寸大小都一致。液滴運動方向與氣流方向垂直，且僅在dx 范圍內捕集粉塵，液滴捕集粉塵的過程完全獨立。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Adx 的單位時間質量平衡方程為：

式中：A——通道的截面積，m2；

c——粉塵濃度，kg／m3；

ug——粉塵隨空氣流動速度，m／s；

ud——液滴速度，m／s；

udg——氣液相對速度，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——斯托克斯準數。

式中：β——坎寧漢滑動修正系數；

dp——粉塵粒徑，m；

ρp——塵粒密度，kg／m3；

μg——氣體粘度，Pa·s。

將公式 （3）化簡得：

設原始粉塵濃度為c0，即當x=0時，c=c0，液滴的作用長度為x，積分得：

則除塵效率可表示為：

將公式 （7）、（8）合并得：

2 回風巷斷面突然擴大段水幕噴霧系統的設計

以六盤水礦區響水煤礦為例，響水煤礦生產能力為300萬t／a，屬于煤與瓦斯突出礦井，礦井通風量大，因此井下巷道空氣流動速率較大。W134綜采工作面回風巷是煤炭礦井的主要風流行走巷道，該回風巷距離較長，連接著工作面一直到回風井，是整個礦井的回采巷道之一，同時也是采煤工作面粉塵的排出巷道，工作面煤塊在下落過程中做拋物線運動，產生的粉塵在巷道風流與空氣沿程阻力的相互作用下，長期在空中懸浮且擴散在風流中，肉眼基本無法發現。

2.1 綜采面回風巷道斷面突然擴大降塵方法

利用流體動力學中通風管道斷面突變理論，設置一處斷面突然變化段在回風巷中。由于巷道斷面的突擴和突縮，在慣性作用下，風流與壁面脫離，進而形成風流的旋渦區。污風中含有的粉塵顆粒被旋渦處的循環風流吸附，同時由于旋渦中心風速降低以及粉塵自身重量，在巷道運動時，自身沉降到旋渦區中心區域，保證了后部巷道的衛生條件。其斷面粉塵濃度分布通過FLUENT 軟件模擬后，粉塵濃度規律及斷面突然變化粉塵運動軌跡如圖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如圖2 （c）所示。

圖2 回風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，在回風巷中，距離靠近巷道兩幫越近，粉塵濃度越低，這種趨勢在回風巷中面積擴大處25～30 m 之間較為明顯；從距離回風巷入口30m 處開始，靠近巷道兩幫處的粉塵濃度均下降到6mg／m3以下。

2.2 噴霧除塵效率的計算

分別對直徑為1.0mm、1.5mm、2.0mm 的噴嘴進行高壓噴霧試驗，當噴霧壓力達到3～5 MPa以上時，噴霧錐角、擴張角及噴霧圓柱直徑取常數，霧柱直徑約為0.8m。故使用單個噴嘴噴霧覆蓋不了整個回風巷寬度，需要把多個噴嘴通過噴霧管串聯起來使用。

2.2.1 參數量化

利用式 （8）計算得到液滴捕塵效率，針對響水煤礦W134綜采面回風巷噴霧除塵的實際情況，當僅考慮慣性碰撞捕塵機理時，β0=1，且取β=1，肯寧漢修正系數C=1，煤塵的堆積密度ρ=600 kg／m3，標準條件下空氣的動力粘度μ =1.8×10-5Pa·s，并且v0=udg。將各參數代入現場實測值進行求解：

（1）粉塵顆粒運動速度為W134綜采面工作面風速ug=3.3m／s；

（3）相對于液滴運動速度，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。設將噴嘴安裝在回風巷頂部2.5～3 m 處，作用寬度為噴霧霧柱的寬度0.8m，取頂部作用長度為3m，則A=2.4m2；

對于給定的噴嘴孔徑，可將噴霧液滴群的除塵效率η轉化為噴霧壓力p 的一元函數。

2.2.2 噴霧的有效距離

沉降粉塵的噴霧霧滴尺寸現普遍采用D50來代表 （即霧滴粒徑小于霧滴質量占霧滴總質量為50%時的粒徑值）。通過實驗測得，當噴霧密度ρ液為1000mg／m3，20℃時水的表面張力σ為0.0728 N／m，動力粘度μ為0.001N／m2·s。噴霧有效長度在不同壓力下的計算值如表1所示。

表1 不同壓力下噴霧有效距離

2.3 數值計算

煤礦風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，橫坐標為粉塵粒徑dp，縱坐標為除塵效率η，模擬噴嘴直徑分別為1.0 mm、1.2 mm、1.5mm 和2.0mm 時，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

結合對回風巷斷面突然擴大降塵方法的研究，以斷面寬度擴大2m，長度為12m 為例，在利用斷面擴大區域旋渦處沉降粉塵的基礎上，于風流進入區域后風速最低處，即擴大斷面的8～10m 處，架設一組水幕，把水幕凈化風流的降塵方法與斷面擴大的降塵方法相結合，形成兩道橫向霧屏，進一步提高綜合降塵效率，以達到最好的降塵效果。回風巷斷面突然變化噴霧系統噴嘴設計布置如圖4所示。

3 結論

（1）通過比較圖3可以看出，供水壓力越大，降塵效率越高。當噴嘴直徑為1.2mm 時，粒徑為3μm 的粉塵在1.5 MPa噴霧壓力下，降塵效率約為25%，而當噴霧壓力增加到4 MPa時，降塵效率可達到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得到增加。

圖4 回風巷斷面突然變化噴霧系統噴嘴設計布置圖

（2）噴嘴直徑在噴霧壓力一定時對降塵有較大影響。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，其面積變化趨勢越來越小，所以噴霧壓力的提高，噴嘴直徑對降塵效率的影響減少。考慮噴嘴孔較小時，粉塵容易對噴嘴孔堵塞，所以在選擇噴嘴直徑時，建議在回風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）根據響水煤礦W134工作面實際大小，擴大后的回風巷寬度為8.4 m，擬使用10個直徑為1.2～1.5mm 的實心錐形引射噴嘴，噴霧壓力為3 MPa以上，擴散直徑約為0.8m，在距離斷面擴大段8～10m 處風速最小的位置布置風流凈化水幕，達到最優降塵效果。

［1］ 蔣仲安編著.濕式除塵技術及其應用 ［M］.北京：煤炭工業出版社，1999

［2］ 馬素平，寇子明.噴霧降塵機理的研究 ［J］.煤炭學報，2005 （3）

［3］ 馬素平，寇子明，噴霧降塵效率的研究與分析 ［J］.太原：太原理工大學學報，2006 （3）

［4］ 秦文貴.放頂煤綜采工作面主要防塵措施的實施與管理 ［J］.煤礦安全，1994 （4）

［5］ 馬素平，寇子明.噴霧降塵機理的研究 ［J］.煤炭學報，2005 （3）

［6］ 薛勝雄.高壓水射流技術與應用 ［M］.北京：機械工業出版社，1998

［7］ 張安明.高壓噴霧降塵的原理及其應用 ［J］.煤礦安全，1998 （4）

［8］ 郁鐘銘，莫樊，吳桂義.回風巷斷面突然變化降塵方法的研究 ［J］.中國礦業，2012 （3）

［9］ 莫樊，郁鐘銘，吳桂義.回風巷斷面突變粉塵運動規律及濃度分布的數值模擬 ［J］.中國煤炭，2012（1）