露天礦潛孔鉆機泡沫發生器的性能實驗

陳舉師，蔣仲安，王洪勝

(金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室(北京科技大學)，100083北京)

?

露天礦潛孔鉆機泡沫發生器的性能實驗

陳舉師，蔣仲安，王洪勝

(金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室(北京科技大學)，100083北京)

為解決露天礦潛孔鉆機作業粉塵污染嚴重的問題，從傳統除塵技術應用效果差、耗風量大、取水困難等事實出發，根據泡沫除塵機理及兩相泡沫發泡原理，設計了一種適用于露天礦潛孔鉆機的泡沫發生器，并對其發泡性能進行研究.通過開展泡沫發生器的泡沫流量、發泡倍數及半衰期等性能實驗，確定出影響泡沫發生器發泡性能的主要因素，得出泡沫發生器的最佳工況點.實驗結果表明：氣體流量、液體流量(氣液比)、發泡網及發泡劑質量分數是影響泡沫發生器發泡性能的4個主要因素，在工況為發泡網1、質量分數1.5%的配方2、氣體壓力0.7 MPa、液體流量18 L/min及氣體流量30 m3/h條件下，泡沫發生器發泡性能達到最佳，其流量為515 L/min，發泡倍數為22，半衰期為65 min.經現場試驗，泡沫除塵后采場平均降塵率高達90%以上，應用效果良好.

潛孔鉆機；泡沫發生器；泡沫流量；發泡倍數；半衰期

隨著近年來中深孔爆破技術的快速發展和廣泛應用，潛孔鉆機在鑿巖過程中產生的礦塵危害愈發突出，不僅嚴重威脅作業人員的身體健康，同時對礦區周邊環境產生惡劣影響，已成為露天礦山引發周邊群眾強烈不滿的原因之一[1-4].目前潛孔鉆機配套的除塵設施為干式捕塵器或濕式鑿巖.因干式捕塵器使用的壓風馬達風機耗費大量壓風，影響鑿巖效率，同時除塵能力小，很難達到除塵效果.而濕式鑿巖耗水量大，且很多露天礦山由于作業施工點水平高，取水困難，同時，施工后清除孔內積水(碴)困難[5-15].因此，通過開展泡沫發生器的泡沫流量、發泡倍數及半衰期等性能實驗，確定出影響泡沫發生器發泡性能的主要參數，得出泡沫發生器的最佳工況點，對于改善露天礦山的作業環境，保障潛孔鉆機作業人員的身體健康具有極其重要的現實意義.

1 泡沫產生機理

本次發泡實驗所使用的泡沫發生器，主要是利用氣、液兩相高速混合并接觸，將氣體粉碎成氣泡，其基本結構如圖1所示，主要由基座、混合腔、發泡網及匯流器組成.其發泡機理為：發泡劑溶液由液體入口以射流的方式進入，高壓氣體由氣體入口高速噴入混合腔，高速射流卷吸空氣形成渦流，具有較高動能的氣液在低壓區對混合體做功，為了減少射流與卷吸空氣間沖擊損失，空氣和射流在混合腔內相互摻混，使得發泡劑分子在進入液體中的氣體和液體接觸的界面上吸附，并且沿切線方向垂直站立，疏水基朝向氣相，親水基朝向液相且緊密排列，形成大量具有兩相介質的泡沫群體，又經發泡網再次充分發泡，最后泡沫從匯流器的出口噴出.液體入口采用直管結構的原因是入口至混合腔段，孔口突然增大，且正好與高速氣體相遇，受到強烈的擠壓作用，強化氣體與發泡劑溶液的混合，更有利于氣液兩相的分散.

圖1 泡沫發生器裝配示意

2 泡沫發生裝置的構建

為了考察泡沫發生器的發泡性能，在實驗室搭建了一套泡沫發生裝置，該系統將空氣壓縮機作為氣源，也是唯一動力源，不僅為泡沫發生器提供高壓氣體，也通過壓氣將氣水包中的發泡劑溶液壓出，并通過泡沫發生器中氣液混合產泡，實驗裝置系統如圖2所示，實物如圖3所示.本實驗中使用的發泡劑配方為課題組自主研發，實驗前在儲水池中以相應的質量分數及比例配好并保證充分溶解.通過調壓閥及浮子流量計可以自由調節氣液的流量，并通過壓力表讀出氣壓和水壓.待泡沫產生穩定后，通過記錄充滿容積為5 L塑料量杯的時間來計算泡沫流量，記錄泡沫體積衰減1/2時間作為半衰期，待泡沫完全破滅后，記錄量杯內所析出發泡液的體積來計算發泡倍數.為盡量消除誤差，在相同條件下每次實驗測量3次并取平均值.

圖2 泡沫發生實驗裝置系統示意

圖3 泡沫發生實驗裝置

3 結果及分析

3.1 泡沫流量特性實驗

3.1.1 氣體流量對泡沫流量的影響

使用質量分數為1.5 %的發泡劑配方2，在0.7 MPa氣壓條件下，分別調節氣體流量為10、14、18、22、26、30 m3/h，氣液比為30、40、50，得出氣體流量對泡沫流量的影響如圖4所示.由圖4可知：1)隨著氣體流量的增加，參與發泡的空氣分子隨之增加，導致泡沫流量逐步增大.當氣體流量達到泡沫發生器的工作極限時，泡沫流量不再繼續增加，基本保持不變，甚至開始呈現下降的趨勢.2)氣體流量過大或過小均會影響泡沫質量，流量過大，氣液在混合腔內相互摻混劇烈，形成的泡沫顆粒直徑過小，宏觀上以霧狀形態噴出；流量過小，氣液摻混不夠充分，發泡劑分子在氣液接觸界面上未能充分吸附，導致泡沫呈水射流狀噴出.3)氣液比為30時泡沫流量整體最大，當氣體流量為26 m3/h時，泡沫流量達到最大值325 L/min.

3.1.2 液體流量對泡沫流量的影響

使用質量分數為1.5%的發泡劑配方2，在0.7 MPa氣壓條件下，分別調節氣體流量為10、20、30 m3/h，液體流量為3、6、9、12、15、18、20、22、24 L/min，得出泡沫流量隨液體流量的關系曲線如圖5所示.由圖5可知：1)隨著液體流量的增加，氣液接觸界面上吸附的發泡劑分子增多，形成的兩相泡沫群體總量增大，泡沫流量隨之增加.2)當氣體流量為10 m3/h，液體流量超過20 L/min時，泡沫自發生器呈水射流狀態噴出.本實驗中，最佳發泡效果為：當液體流量為18 L/min，氣體流量為30 m3/h時，泡沫流量為515 L/min.

圖4 氣體流量與泡沫流量關系

圖5 液體流量與泡沫流量關系

3.1.3 發泡網對泡沫流量的影響

使用質量分數為1.5%的發泡劑配方2，在氣體流量為18 m3/h，液體流量為7.5 L/min(氣液比為40)的條件下，測定不同發泡網在不同氣壓條件下的泡沫流量如圖6所示.其中，發泡網1為2 mm×2 mm鐵絲網(約10目)，發泡網2為45目鐵絲網，發泡網3為70目鐵絲網.由圖6可知：1)氣壓相同時，發泡網目數越大，網孔間距越小，混合腔內初次形成的泡沫被發泡網再次混合的程度越高，發泡劑分子在氣液接觸界面上排列更為緊密，導致產生的泡沫直徑越小，泡沫流量降低.整體來說，發泡網1發泡流量最大.2)對于發泡網1，當0.6 MPa氣壓時，泡沫流量達到最大值142.6 L/min；對于發泡網2，當0.3 MPa氣壓時，泡沫流量達到最大值136.0 L/min；對于發泡網3，0.7 MPa氣壓時，泡沫流量達到最大值128.0 L/min.

3.1.4 發泡劑質量分數對泡沫流量的影響

為研究發泡劑質量分數與泡沫流量的關系，分別配備質量分數為0.2%、0.5%、0.8%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%及8.0%的發泡劑配方1、2和3灌入氣水包內，在氣壓為0.75 MPa、氣液比為30的條件下進行發泡，得出泡沫流量與發泡劑質量分數的關系如圖7所示.由圖7可知：1)隨著發泡劑質量分數的增加，單位體積內發泡劑質量增大，氣液接觸界面上排列的發泡劑分子數量增多，導致形成的泡沫群體總量增大，泡沫流量逐漸增加.當增大到一定值后，由于混合腔體積有限，泡沫流量基本不再增加.2)不同發泡劑配方條件下泡沫流量基本相同，說明配方對泡沫流量的影響較小，基本可以忽略不計.從工業應用成本的角度考慮，發泡劑質量分數不宜過高.

圖6 發泡網與泡沫流量關系

圖7 發泡劑質量分數與泡沫流量關系

3.2 發泡倍數特性實驗

3.2.1 氣體流量對發泡倍數的影響

使用質量分數為1.5%的發泡劑配方2，在0.7 MPa氣壓條件下，分別調節氣體流量為6、8、10、14、18、22、26、30 m3/h進行實驗，得出氣液比在30、40、50條件下，氣體流量對發泡倍數的影響如圖8所示.由圖8可知：1)發泡倍數隨氣體流量的增大呈先增大后減小的趨勢.氣體流量增加，氣液間相互摻混比較充分，發泡倍數隨之增大.氣體流量過大時，氣液間相互摻混劇烈，發泡劑分子在界面上排列緊密，形成的泡沫直徑較小，導致發泡倍數逐漸減小.2)當氣液比為50時，發泡倍數在氣體流量為26～30 m3/h范圍內取得最大值19；當氣液比為40時，發泡倍數在氣體流量為26～30 m3/h范圍內達到最大值21；當氣液比為30，氣體流量為10 m3/h時，發泡倍數最大為19.

要提升學生的聽說能力,就需改良“聽力為主,兼顧口語”的傳統聽說課堂教學。影響聽力理解的三種因素是:詞匯的理解、句法的分析、記憶過程和認知(加入出處)。Richards提出聽力理解的過程有兩種模式:自上而下(top-down)、自下而上(bottom-up);聽力的目的分為:信息交換功能和人際交往功能?！盎ヂ摼W+”的多模態條件下,聽說資源隨手可得,教學中需整合這些資源,否則會加重學生的認知負荷。

3.2.2 氣液比對發泡倍數的影響

使用質量分數為1.5%的發泡劑配方2，在0.7 MPa氣壓條件下，分別調節氣體流量為10、20、30 m3/h，液體流量為20.0、18.0、14.5、12.0、9.0、6.0、4.5、3.0 L/min，得出某氣體流量條件下，氣液比對發泡倍數的影響關系，如圖9所示.從圖9中可知：1)隨著氣液比逐漸增大，液體流量逐漸減小，發泡倍數先增大后減小.2)當氣體流量為30 m3/h時，最佳氣液比范圍為：25～45，此時發泡倍數可達24.5；當氣體流量為20 m3/h時，最佳氣液比范圍為：20～40，此時發泡倍數可達到25左右；當氣體流量為10 m3/h時，最大發泡倍數為14，最佳氣液比超過50，具體范圍由于實驗條件限制尚未得出.

圖8 氣體流量與發泡倍數關系

圖9 氣液比與發泡倍數關系

3.2.3 發泡網對發泡倍數的影響

使用質量分數為1.5%的發泡劑配方2，在氣壓為0.75 MPa，氣體流量為18 m3/h，液體流量為7.5 L/min的條件下，測定不同發泡網在不同氣壓條件下的發泡倍數如圖10所示.從圖10中可知：1)發泡網目數越大，產生的泡沫直徑越小，發泡倍數越低.在上述實驗條件下，發泡網1發泡效果最佳，最大發泡倍數達18.2)對于同一個發泡網而言，氣體壓力對發泡倍數影響并不明顯，總體上來說，氣壓在0.6～0.7 MPa范圍內時，發泡倍數較大.

3.2.4 發泡劑質量分數對發泡倍數的影響

為研究發泡劑質量分數對發泡倍數的影響關系，分別配備質量分數為0.2%、0.5%、0.8%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%、5.0%和8.0%的發泡劑配方1、2和3，在氣壓為0.75 MPa、氣液比為30的條件下進行發泡實驗，得出發泡劑質量分數對發泡倍數的影響如圖11所示.從圖11中可知：1)隨著發泡劑質量分數的增加，發泡倍數先增加至一個最大值，后逐步緩慢降低，達到某一數值后趨于穩定.2)不同配方條件下發泡倍數差別較大，配方1在質量分數為0.8%～1.0%時取得最大發泡倍數25，配方2在質量分數為1.5%～2.0%時取得最大發泡倍數22，配方3在質量分數為2.0%時取得最大發泡倍數20.

圖10 發泡網與發泡倍數關系

圖11 發泡劑質量分數與發泡倍數關系

3.3 半衰期特性實驗

使用質量分數為1.5%的發泡劑配方2，在0.7 MPa氣壓條件下，分別調節氣體流量為10、14、18、22、26、30 m3/h進行實驗，得出氣液比為40、50條件下，氣體流量與半衰期的關系，如圖12所示.從圖12中可以看出：1)半衰期呈現出隨氣體流量增加而逐漸縮短的趨勢.氣體流量增大，氣液間相互摻混比較充分，產生的泡沫體積較大，泡沫比較容易破裂，半衰期逐漸縮短.2)本實驗條件下，氣液比為40時半衰期整體大于氣液比為50時的半衰期.

圖12 氣體流量與半衰期關系

3.3.2 氣液比對半衰期的影響

使用質量分數為1.5 %的發泡劑配方2，在0.7 MPa氣壓條件下，分別調節氣體流量為10、20 m3/h，液體流量為3、6、9、12、15、18 L/min，可以得出相應氣體流量條件下，氣液比對半衰期的影響如圖13所示.從圖13中可知：1)半衰期隨著氣液比的增加整體呈現出先增長后縮短的趨勢.氣液比越大，液體流量越小，參與發泡的發泡劑越少，形成的泡沫體積越小，泡沫越不容易破裂，半衰期越長.當液體流量減小到一定值時，形成的泡沫直徑越大，泡沫越容易破裂，半衰期越短.2)不同的氣體流量條件下，泡沫穩定性最佳的氣液比范圍也不同.當氣體流量為10 m3/h時，最佳氣液比范圍為13～25；當氣體流量為20 m3/h時，最佳氣液比范圍為37～60.

圖13 氣液比與半衰期關系

3.3.3 發泡網對半衰期的影響

使用質量分數為1.5%的發泡劑配方2，在氣壓為0.75 MPa，氣體流量為18 m3/h，液體流量為7.5 L/min的條件下，測定不同發泡網條件下泡沫的半衰期如圖14所示.從圖14中可知：1)發泡網目數越大，泡沫直徑越小，泡沫穩定性越好，半衰期也越長.本實驗中使用發泡網3發出的泡沫半衰期最長.2)氣體壓力對半衰期影響較小，氣壓在0.7 MPa時，半衰期較長.

圖14 發泡網與半衰期關系

3.3.4 發泡劑質量分數對半衰期的影響

為研究發泡劑質量分數對半衰期的影響，分別配備質量分數為0.2%、0.5%、0.8%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%、5.0%和8.0%的發泡劑配方1、2和3，在氣壓為0.75 MPa、氣液比為30的條件下進行發泡實驗，得出發泡劑質量分數對半衰期的影響如圖15所示.從圖15中可知：隨著發泡劑質量分數的增加，半衰期先逐步縮短至一個最小值，后逐步緩慢延長，達到某一數值后趨于穩定；當配方1、2、3分別在質量分數為0.8%～1.0%、1.5%、2.0%時，半衰期分別達到其最小值59、65、94 min.

圖15 發泡劑質量分數與半衰期關系

4 效果及分析

為檢驗泡沫發生器的現場應用效果，本課題組在某大型露天鐵礦潛孔鉆機作業現場開展了工業性試驗.根據GBZ/T 192.1—2007《工作場所空氣中粉塵測定第1部分：總粉塵濃度》以及類似文獻中的測點布置方法，在該露天礦S03#采場內布置測點，取鉆機中心斷面與呼吸帶高度平面的交線作為測點線，將粉塵質量濃度測點分別布置在距鉆孔中心-5、-2、-1、0、1、2、5、8、11、15、20、30、50、70、100 m處，共計布置15個粉塵濃度測點.采用濾膜采樣器對粉塵質量濃度進行測量，每個測點均進行不少于3次的數據測定，并取平均值.分別對潛孔鉆機未采取除塵措施及泡沫除塵條件下粉塵質量濃度沿程分布進行現場測定，整理后如圖16所示.

圖16 采用不同除塵措施條件下粉塵質量濃度對比

從圖16中可以看出：1)在采場空間內，無除塵措施時粉塵質量濃度沿程先急劇升高，在鉆孔后方約8 m處達到最大值，之后粉塵質量濃度快速降低，在鉆孔后方約20 m處降低至一較小值，隨后逐步緩慢降低.

2)采取泡沫除塵措施后，粉塵質量濃度沿程分布規律基本保持不變，大致呈現出沿程先急劇上升至一個最大值，后逐步緩慢降低的趨勢.但其最大值出現的位置卻有所變化，在距鉆孔中心2 m處達到最大值.

3)泡沫除塵后粉塵質量濃度在數值上有較大幅度的降低，在距鉆孔中心10 m外區域，粉塵質量濃度基本保持在10 mg/m3以內.整體來看，潛孔鉆機泡沫除塵措施的平均除塵率高達90%以上.

5 結 論

1)氣體流量、液體流量(氣液比)、發泡網及發泡劑質量分數是影響泡沫發生器發泡性能的4個主要因素.各因素均存在一個有效發泡的參數范圍，超出范圍均不能正常發泡，泡沫易霧化或呈水射流噴出.

2)隨著氣體流量、液體流量及發泡劑質量分數的增加，泡沫流量隨之增加，且達到一定值后趨于穩定；發泡倍數隨之先增大后減??；半衰期隨之先縮短后延長.發泡網目數越大，泡沫流量越小，發泡倍數越低，泡沫穩定性越好，半衰期越長.

3)泡沫發生器最佳工況為：發泡網1，質量分數1.5%的配方2，氣體壓力0.7 MPa，液體流量18 L/min，氣體流量30 m3/h.該工況條件下泡沫流量為515 L/min，發泡倍數為22，半衰期為65 min.泡沫除塵后采場空間粉塵質量濃度大幅度降低，在距鉆孔中心10 m外區域，粉塵質量濃度基本保持在10 mg/m3以內.

[1] 謝振華，李曉超. 露天礦山運輸路面復合抑塵劑的研究[J]. 北京科技大學學報，2012，34(11)：1240-1244.

[2] KUMAR R S，MANI A，KUMARASWAMY S．Analysis of a jet-pump-assisted vacuum desalination system using power plant waste heat[J]．Desalination，2005，179(1/2/3)：345-354.

[3] TAKASHIMA Y．Studies on liquid jet gas pumps[J]．Journal Scientific Research Institute,1952, 46：230-246.

[4] CUNNINGHAM R G，DOPKIN R J．Jet breakup and mixing tube lengths for the liquid-jet gas pump[J]. Journal of Fluids Engineering，1974，96(3)：216-226.

[5] 陳貴，王德明，王和堂，等. 大斷面全巖巷綜掘工作面泡沫降塵技術[J]. 煤炭學報，2012，37(11):1859-1864.

[6] KUMAR R S， KUMARASWAMY S， MANI A．Experimental investigations on a two-phase jet pump used in desalination systems[J]．Desalination，2007, 204(1/2/3)：437-447.

[7] 陳騰飛，何啟林，王廣軍，等. 掘進巷道中泡沫除塵技術試驗研究[J]. 煤炭科學技術，2011，39(9)：60-62.

[8]CUI J, WANG S.Application of CFD in evaluation and energy-efficient design of air curtains for horizontal refrigerated display cases[J]．International Journal of Thermal Sciences，2004, 43(10)：993-1002.

[9] 盧義玉，王潔，蔣林艷，等. 煤層鉆孔孔口除塵裝置的設計與實驗研究[J]. 煤炭學報，2011，36(10)：1725-1730.

[10]ZIMON A D．Adhesion of dust and powder[M]．2nd ed．New York：Consultants Bureau，1982：196-219.

[11]KOVSCEK A R，PATZEK T W，RADKE C J．A mechanistic population balance model for transient and steady-state foam flow in Boise sandstone [J]． Chemical Engineering Science，1995,50(23)：3783-3799.

[12]曹中一，李強，吳萬榮，等．基于MATLAB潛孔鉆機旋風除塵器的尺寸優化設計[J]．礦山機械，2007，35(11)：41-43.

[13]萬里平，孟英峰，趙曉東．泡沫流體穩定性機理研究[J]．新疆石油學院學報，2003，15(1)：70-73.

[14]蔣仲安，李懷宇，杜翠風．泡沫除塵機理與泡沫藥劑配方的要求[J]．中國礦業，1995，4(6)：61-64.

[15]劉曉蕊，李寶玉．新型泡沫除塵系統在井下突出軟煤層鉆孔中的應用[J]．煤礦機械,2010，31(5)：198-200.

(編輯 張 紅)

Experiments on properties of foaming generator during down-the-hole drilling in open-pit mine

CHEN Jushi, JIANG Zhongan, WANG Hongsheng

(Key Laboratory of High-Efficienty Mining and Safety of Metal Mines (University of Science and Technology Beijing), Ministry of Education, 100083 Beijing, China)

In order to solve the serious problem of dust pollution during down-the-hole drilling in open-pit mine, based on the mechanism of foam dust removal and two phase foaming principle, a foaming generator was designed and the experimental study was made on it. The facts of poor application effect of traditional dedusting technology and large gas consumption and difficult water intaking were considered. Through the experiments of the foam flow, foaming times and half-life of the foaming generator, the major factors affecting foaming properties and the optimum operating point of the foam generator can be determined. The experimental results show that: gas flow, liquid flow (gas-liquid ratio), foam net and concentration of foaming agent are main factors affecting the foaming properties of the foam generator. When the working conditions for the foam generator were foam net 1, the concentration 1.5% of formula 2, gas pressure 0.7 MPa, liquid flow rate 18 L/min, gas flow of 30 m3/h, the foam generator reached the optimum state with the foam flow euqal to 515 L/min, the foaming times equal to 22, and the half-life equal to 65 min. Through the test, the average dust removal rate was higher than 90% using foam dedusting in the stope.

down-the-hole drilling; foaming generator; foam flow; foam times; half-life

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.04.028

2014-10-20.

國家自然科學基金(51274024)；中央高校基本科研業務費專項資金(FRF-TP-15-038A2)；中國博士后科學基金(2014M560891).

陳舉師(1987—)，男，博士，講師；

蔣仲安(1963—)，男，教授，博士生導師.

蔣仲安，jza1963@263.net.

TD714.2

A

0367-6234(2016)04-0166-06