掘進工作面可調控雙錐形一體化泡沫降塵裝置的實驗研究*

李雨成，鄭　強，羅紅波，耿　峰，單宇軒

(1. 遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室(遼寧工程技術大學)，遼寧 阜新 123000)

0　引言

煤礦井下多數作業都會產生粉塵，由于煤、巖地質條件和物理性質、作業方法、通風狀況、機械化程度不同，粉塵產生情況也各不相同[1-2]。開采過程中，粉塵不僅影響煤炭生產效率，危害工人身體健康，嚴重時甚至會發生煤塵爆炸危及生命。

目前，國內外采用的粉塵防治措施主要有：煤層注水、噴霧降塵、通風排塵、除塵器除塵和個體防護等[3-5]。這些防治措施起到了降塵作用，但仍不能滿足煤炭開采的要求。如除塵器構造復雜、體積大、動力不足以維持長期運轉，不能安裝在狹窄作業面；噴霧降塵因其經濟、簡便、實用等優點，被廣泛應用于煤礦，但應用效果仍不理想，并且噴頭經常會發生堵塞現象，特別是對呼吸性粉塵，其降塵效率甚至達不到40%[6-8]。為彌補現有降塵技術的缺陷，業內人士紛紛進行降塵實驗研究。1984年，陳東生[9]首次對泡沫降塵的機理進行了研究，降塵實驗結果表明，該降塵方法有效、可行，從此人們相繼展開了泡沫除塵技術的研究。1986年，周長根[10]根據鑿巖作業面的產塵特點，設計了相應的泡沫降塵系統，并進行了實驗，其具有一定的現場應用價值，但該套系統裝置的體積較大，不能安裝在狹窄作業面，應用前景不可觀。1995年，蔣仲安等[11-12]對泡沫降塵理論進行了研究，確定了高倍泡沫的發生條件，但沒有開展工業試驗，實際應用效果尚不明確。2005年，王德明等在泡沫降塵理論、發泡裝置的設計及實踐方面有了階段性突破，在當前時期具有一定的代表性。此外，陸新曉、王和堂、奚志林等[13-14]進行的泡沫降塵實驗也證實了其優良效果。泡沫降塵較其他粉塵防治方法有很大的優越性，尤其是對粒徑小于5 μm呼塵的捕捉能力較為突出[15-17]。泡沫降塵比傳統的噴霧降塵效果提高2～3倍。泡沫降塵理論的研究尚處在初級階段，還有很大的探索空間。泡沫降塵技術、新型高效泡沫發生裝置研究對礦井粉塵的高效治理具有重要意義。

本文研制一種可調控雙錐形一體化泡沫降塵裝置，該裝置能夠產生連續、均勻的泡沫，且成泡量與粒徑可控，可實現不同礦井不同粒度塵源的控制，有效地捕捉呼吸性粉塵，大大改善作業面的條件，減免粉塵對人體的危害。

1　可調控雙錐形一體化泡沫降塵裝置的技術原理

1.1　泡沫降塵裝置的工作原理

該裝置以礦井高壓風管和水管為動力源，先用高壓風將發泡劑壓入泡沫混合器，同時將高壓水通入泡沫混合器。通過控制箱上的閥門和流量計來調節泡沫液的質量濃度，再經管路將泡沫液通入發生器，并將高壓風壓入發生器。在發生器內形成的泡沫液-空氣兩相流與泡沫發生器內的波浪式篩網與擋板發生撞擊、攪拌，并通過調控閥門使發生器實現高倍發泡，最終泡沫通過分配器后經噴嘴射向塵源。泡沫在掘進頭處與產生的礦井粉塵接觸、沉降，達到降塵的目的。泡沫降塵裝置系統示意圖如圖1所示。

圖1　泡沫降塵裝置系統示意Fig.1　Foam dust suppression system

1.2　發生器內射流流速與流量分析

本文運用射流和渦流原理，通過對關鍵部位的理論分析、可行性論證后進行了結構設計。泡沫發生器所需風壓0.4 MPa，水壓0.6 MPa，氣體流量為75 m3/h，水流量為12 L/min，發泡劑流量為0.3 L/min，發泡量750 L/min，單個泡沫噴頭噴灑量為5 m3/h。其斷面近似于圓形，運用等溫自由射流主體段中心速度衰減公式，計算出發生器主體段的流速：

(1)

發生器內流量：

Q1=Vm·S

(2)

錐形篩網處流速:

(3)

式中：Vm為射流軸心速度，m/s；V0為射流出口速度，m/s；a為到噴射出口的距離，m；r為斷面半徑，m；K為比例因數；Q1為發生器內部流量；S為斷面面積；S1為錐形篩網有效面積；V1為錐形篩網處的流速。

2　可調控雙錐形一體化泡沫降塵裝置的結構設計

2.1　可調控一體化泡沫供給車

泡沫降塵裝置由儲液箱、氣-液調控面板、發泡劑混合器、泡沫發生器、噴射裝置、泡沫液回收裝置、氣-液輸送管路等組成。由于掘進面環境復雜，為使設備操作方便，減少安放面積，本文將儲液箱、泡沫發生器、儀表、輸送管路等設計成了可移動、一體化的供給車，如圖2。泡沫供給車安置在掘進機側面，便于工作人員操作與發泡劑的添加。高壓風管和水管由掘進機轉載膠帶方向引入，并連接到泡沫供給車，其產生的泡沫再經由安裝在掘進臂上的管路，最終噴射在掘進產塵點。泡沫供給車能夠自由移動，既解決了發生器和儲液箱的安裝難題，又避免了裝置阻擋掘進司機視線問題。

1.泡沫供給車；2.雙錐形泡沫發生器；3.氣-液調控面板；4.發泡劑儲液箱。圖2　可調控一體化泡沫供給車Fig.2　Integrated gas liquid regulation feeding vehicle

泡沫供給車上設有氣-液調控面板，其中微調閥門用于調節混合泡沫液、氣體的流量，通過不斷調節微調閥門使泡沫發生器達到最佳的發泡效果。空氣壓力表和液體流量計能夠直觀地顯示出氣體管路與液體管路的氣壓值、水壓值及相應的流量。

1.泡沫出口；2.錐形篩網；3.氣體噴頭；4.擋板；5.固定三角支架；6.集液層；7.鐵篩網；8.集氣層；9.回收接頭；10.氣體流量計；11.引流泵；12.氣體壓力表；13.液體流量計；14.液體壓力表；15.混合液體接頭；16.氣體接頭；17.氣體壓力表；18.氣體壓力表；19.發泡劑混合器；20.4號管路；21.1、2號管路；22.3號管路。圖3　泡沫發生器結構示意Fig.3　Foam generator structure

2.2　雙錐形泡沫發生器

泡沫發生器的結構如圖3所示，其主體為錐型殼體，在其前端設置有泡沫出口1，后端為封閉結構；錐型殼體內設有兩夾層，夾層之間留有間隙，內層為集水層6，外層為集氣層8，在所述集水層6的外側均勻設有若干出水孔，在集氣層8的內側均勻設有若干出氣孔；所述間隙與泡沫出口1相連通，在間隙內設有鐵篩網7；在雙錐形腔體前部設有檔板4，能夠進一步提高成泡幾率；發生器內設有固定三角支架5，起到固定內錐形腔體的作用；發生器最前部設有致密均勻的錐形篩網2，使產泡粒徑均勻；3號管路氣體22先經氣體壓力表18再通過氣體流量表17后與錐型殼體的集氣層8相連通，4號管路20氣體先經氣體壓力表12再通過氣體流量計10后與泡沫出口1相連通；1，2號管路21與發泡劑混合器19相連通，其出口經液體壓力表14和液體流量計13后與錐型殼體的集液層6相連通；錐型殼體后端設有回收裝置，引流泵11起到回收腔體殘留液的作用，為便于清洗，錐形篩網2采用可拆卸結構。

2.3　氣動式泡沫液回收裝置

氣動式泡沫液回收裝置由液體管路、氣動隔膜泵以及連接接頭等組成，其結構如圖4所示。氣動隔膜泵是一種新型輸送機械，以壓縮空氣代替電力作為動力源，井下運行時不會產生電火花，不需要復雜的控制系統。泡沫液回收的過程中，可空運轉，安全性好，既避免了泡沫液的浪費，又節約成本。

1.出液管路；2.引流室；3.隔膜換氣室；4.硅膠隔膜；5.進氣管路；6.進液管路。圖4　泡沫回收裝置示意Fig.4　Foam recycling device

2.4　可調控雙錐形一體化泡沫降塵裝置操作方法

1.掘進頭；2.泡沫噴頭；3.煤壁；4.泡沫分配器；5.掘進面；6.體化泡沫降塵裝置供給車；7.掘進機；8.礦井高壓風管；9.儲液箱；10.掘進機人員操作位置；11.抽出式風管；12.礦井高壓水管； 13.壓入式風管；14.刮板輸送。圖5　泡沫降塵裝置整體布置示意Fig.5　Whole arrangement of foam dust settling device

井下使用時用礦井高壓水管12(圖5)替代本發明的水泵，礦井高壓風管8(圖5)替代本發明的氣泵。首先開啟高壓風管和水管的總閥門，讓發泡劑與水在混合器19(圖3)內混合，混合好的液體通過礦井高壓水管12(圖5)運送至錐型殼體的集液層6(圖3)內，同時，用礦井高壓風管8(圖5)將氣體輸送至錐型殼體的集氣層8(圖3)，混合液從集液層6(圖3)的出水孔均勻噴出，與集氣層8(圖3)出氣孔均勻噴出的高壓氣體在鐵篩網7(圖3)處進行摩擦碰撞，劇烈沖擊；在此期間要通過調控閥門調節泡沫液質量濃度和氣液比，使其產生高倍泡沫，再通過礦井高壓風管8(圖5)產生的高壓氣體將泡沫通過泡沫運輸管運送至掘進頭1(圖5)位置，并從泡沫噴頭2(圖5)噴出，從而實現泡沫降塵。

3　可調控雙錐形一體化泡沫降塵裝置實驗效果分析

為檢驗裝置的降塵效果，根據掘進面實際情況，建立了模擬實驗巷道如圖6所示。

1.模擬巷道；2.壓風管路；3.高壓風管；4.高壓水管；5.粉塵采樣器；6.泡沫降塵裝置供給車；7.模擬掘進機；8.噴射裝置；9.粉塵發生裝置。圖6　模擬實驗巷道Fig.6　Simulated test tunnel

巷道斷面面積約為14 m2。模擬巷道左邦距離地面2 m處安裝有壓入式風筒，風筒直徑450 mm，出風量210 m3/min。粉塵發生裝置能夠產生不同粒徑的粉塵，為模擬巷道的實際粉塵存在狀況，將其安置在粉塵發生裝置9(圖6)處。泡沫降塵裝置安置在模擬掘進機后側1.5 m處，距離產塵點10 m的位置布置測塵點5(圖6)。

為準確測定掘進頭處泡沫降塵效果和降塵效率，制定了實驗方案(見表1)。實驗時，首先測定巷道內的全塵與呼塵的濃度作為掘進面的原始數據，然后分別將泡沫液調成2%，2.5%，3.0%，3.5%的質量濃度進行泡沫降塵，用AKFC-92A礦用粉塵采樣器對濃度進行測定，采樣流量20 L/min，采樣時間5 min。每次測定5組數據，將數據進行整理，測量數據見表2。

表1　泡沫降塵測定方案

表2　泡沫發生裝置的降塵效果

由表2中的實驗數據可知：(1)泡沫降塵前的全塵、呼塵濃度平均值分別為1 110.4，319.0 mg/m3。使用質量濃度為2%，2.5%，3.0%，3.5%泡沫液降塵后測得全塵平均質量濃度分別為93.1，72.9，69.8，67.7 mg/m3；呼塵平均質量濃度值分別為39.9，31.4，29.6，28.7 mg/m3。由此可以得出全塵的降塵效率91.6%～93.9%，呼塵的降塵效率87.5%～91.0%。(2)降塵效率隨泡沫液質量濃度增加呈上升趨勢，但增加到一定程度后降塵效率變化不明顯。考慮降塵效率、降塵效果和發泡劑使用成本等因素，發泡劑濃度在2.5%時，降塵效果最佳，此時全塵降塵效率為93.4%，呼塵降塵效率為90.2%。

泡沫降塵裝置發泡劑的流量為0.3 L/min。發泡劑價格約為450元/桶，每桶容量25 L。礦井工作制度采用“三八制”，每天工作16 h，掘進面開機率為30%，年工作日330 d。可預算，該掘進面降塵時，僅發泡劑一項每年約花費51萬元。

4　結論

1)裝置結構簡單、便于組裝拆卸、維修且操作方便、控制靈活、高效節能；以礦山動力源為裝置動力，不需要電源，避免產生電火花，無需防爆處理，安全性好、適合礦井粉塵濃度大的環境使用。

2)泡沫供給車能隨機自由移動，既解決發生器及儲液箱安裝的難題，又避免了裝置阻擋掘進司機視線的問題；通過調節氣-液調控箱的控制閥門能夠控制泡沫的粒徑與產泡量，從而實現對呼吸性粉塵與不同粒徑粉塵的防治。氣動式泡沫液回收裝置能夠安全、高效回收裝置內殘留的泡沫液，避免了泡沫液的浪費，節約成本。

3)裝置能夠直接對掘進面的粉塵進行噴射降塵，泡沫直接與粉塵碰撞，增加了粉塵與泡沫接觸幾率，實現全方位的立體降塵。全塵降塵效率91.6%～93.7%，呼塵降塵效率87.5%～91.0%。實驗和數據分析表明，發泡劑濃度在2.5%時，降塵效果達到最佳，此時全塵降塵效率為93.4%，呼吸性粉塵降塵效率為90.2%。

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