回风巷断面突然扩大段风流净化水幕喷雾系统的设计＊

2014-04-20郁钟铭吴桂义

中国煤炭 2014年10期

莫樊郁钟铭吴桂义

（

1.贵州民族大学建筑工程学院，贵州省贵阳市，550025；2.六盘水师范学院，贵州省六盘水市，553000；3.贵州大学矿业学院，贵州省贵阳市，550003）

对贵州省六盘水矿区煤矿进行现场调研发现，该地区回风巷最常用的除尘方法是利用风流净化水幕，且由现场工人根据观察到的粉尘量决定是否开启水幕洒水降尘。水幕自动控制系统在六盘水矿区个别矿井得到了采用，但由于技术不成熟，降尘效果也没有得到很好的提高，解决不了粉尘污染的实际问题。此外，在贵州省部分煤矿，底板由粉砂质泥岩、炭质泥岩等软弱岩层所组成，力学强度低，在积水后会变形膨胀，给巷道支护及工作面的推进带来不便。另外，由于个别煤层的低空隙率，注水不容易，所以该类型煤矿会非常谨慎地使用煤层注水和喷雾降尘方法。粉尘污染问题严重的威胁到井下职工的身体健康和生命安全，已成为当前煤矿安全工作的难题之一。因此探索新型、有效的降尘方法具有重要的意义。

1 水幕喷雾液滴捕尘效率

1.1 单个液滴综合捕尘效率的计算

单个液滴综合捕尘效率ηE 是由所有的除尘机理共同决定的。

式中：ηP ——液滴惯性碰撞捕尘效率；

ηR——截留捕尘效率；

ηD——布朗扩散捕尘效率；

ηG——重力效应捕尘效率；

ηe——静电凝结捕尘效率。

然而惯性碰撞是实际湿式除尘过程中最主要的机理，其余捕尘效率可以忽略不计，所以可将公式（1）化简为：

式中：β0 ——实验常数，取β0 =1。

1.2 喷雾除尘效率的计算及分析

假定粉尘与喷雾液滴在巷道内任意断面上均匀分布，尺寸大小都一致。液滴运动方向与气流方向垂直，且仅在dx 范围内捕集粉尘，液滴捕集粉尘的过程完全独立。液滴捕尘模型示意图如图1 所示。

图1 液滴捕尘模型示意图

粉尘微元控制体内Adx 的单位时间质量平衡方程为：

式中：A——通道的截面积，m2；

c——粉尘浓度，kg／m3；

ug——粉尘随空气流动速度，m／s；

ud——液滴速度，m／s；

udg——气液相对速度，m／s；

Dc——液滴粒径，m；

q——液滴含量，m2。

孤立液滴惯性碰撞捕集效率为：

式中：kp——斯托克斯准数。

式中：β——坎宁汉滑动修正系数；

dp——粉尘粒径，m；

ρp——尘粒密度，kg／m3；

μg——气体粘度，Pa·s。

将公式（3）化简得：

设原始粉尘浓度为c0，即当x=0时，c=c0，液滴的作用长度为x，积分得：

则除尘效率可表示为：

将公式（7）、（8）合并得：

2 回风巷断面突然扩大段水幕喷雾系统的设计

以六盘水矿区响水煤矿为例，响水煤矿生产能力为300万t／a，属于煤与瓦斯突出矿井，矿井通风量大，因此井下巷道空气流动速率较大。W134综采工作面回风巷是煤炭矿井的主要风流行走巷道，该回风巷距离较长，连接着工作面一直到回风井，是整个矿井的回采巷道之一，同时也是采煤工作面粉尘的排出巷道，工作面煤块在下落过程中做抛物线运动，产生的粉尘在巷道风流与空气沿程阻力的相互作用下，长期在空中悬浮且扩散在风流中，肉眼基本无法发现。

2.1 综采面回风巷道断面突然扩大降尘方法

利用流体动力学中通风管道断面突变理论，设置一处断面突然变化段在回风巷中。由于巷道断面的突扩和突缩，在惯性作用下，风流与壁面脱离，进而形成风流的旋涡区。污风中含有的粉尘颗粒被旋涡处的循环风流吸附，同时由于旋涡中心风速降低以及粉尘自身重量，在巷道运动时，自身沉降到旋涡区中心区域，保证了后部巷道的卫生条件。其断面粉尘浓度分布通过FLUENT 软件模拟后，粉尘浓度规律及断面突然变化粉尘运动轨迹如图2（a）、（b）所示，距离巷道两帮粉尘浓度在不同位置处沿程变化趋势如图2 （c）所示。

图2 回风巷断面突然变化段粉尘沿程浓度模拟图

由图2 （a）、（b）和（c）可见，在回风巷中，距离靠近巷道两帮越近，粉尘浓度越低，这种趋势在回风巷中面积扩大处25～30 m 之间较为明显；从距离回风巷入口30m 处开始，靠近巷道两帮处的粉尘浓度均下降到6mg／m3以下。

2.2 喷雾除尘效率的计算

分别对直径为1.0mm、1.5mm、2.0mm 的喷嘴进行高压喷雾试验，当喷雾压力达到3～5 MPa以上时，喷雾锥角、扩张角及喷雾圆柱直径取常数，雾柱直径约为0.8m。故使用单个喷嘴喷雾覆盖不了整个回风巷宽度，需要把多个喷嘴通过喷雾管串联起来使用。

2.2.1 参数量化

利用式（8）计算得到液滴捕尘效率，针对响水煤矿W134综采面回风巷喷雾除尘的实际情况，当仅考虑惯性碰撞捕尘机理时，β0=1，且取β=1，肯宁汉修正系数C=1，煤尘的堆积密度ρ=600 kg／m3，标准条件下空气的动力粘度μ =1.8×10-5Pa·s，并且v0=udg。将各参数代入现场实测值进行求解：

（1）粉尘颗粒运动速度为W134综采面工作面风速ug=3.3m／s；

（3）相对于液滴运动速度，气流速度可以忽略，则udg=ud；

（5）液滴直径由公式D0=K2（1.85d-1）／p求得，为喷雾液滴平均直径；

（6）液滴作用宽度与深度的乘积即为作用截面积A。设将喷嘴安装在回风巷顶部2.5～3 m 处，作用宽度为喷雾雾柱的宽度0.8m，取顶部作用长度为3m，则A=2.4m2；

对于给定的喷嘴孔径，可将喷雾液滴群的除尘效率η转化为喷雾压力p 的一元函数。

2.2.2 喷雾的有效距离

沉降粉尘的喷雾雾滴尺寸现普遍采用D50来代表（即雾滴粒径小于雾滴质量占雾滴总质量为50%时的粒径值）。通过实验测得，当喷雾密度ρ液为1000mg／m3，20℃时水的表面张力σ为0.0728 N／m，动力粘度μ为0.001N／m2·s。喷雾有效长度在不同压力下的计算值如表1所示。

表1 不同压力下喷雾有效距离

2.3 数值计算

煤矿风流净化水幕普遍使用静压水喷雾降尘，其压力普遍为1.5～4 MPa，利用MATLAB7.0软件编程，横坐标为粉尘粒径dp，纵坐标为除尘效率η，模拟喷嘴直径分别为1.0 mm、1.2 mm、1.5mm 和2.0mm 时，雾滴粒径D 的除尘效率曲线如图3 （a）、（b）、（c）和（d）所示。

图3 不同压力下喷嘴除尘效率

结合对回风巷断面突然扩大降尘方法的研究，以断面宽度扩大2m，长度为12m 为例，在利用断面扩大区域旋涡处沉降粉尘的基础上，于风流进入区域后风速最低处，即扩大断面的8～10m 处，架设一组水幕，把水幕净化风流的降尘方法与断面扩大的降尘方法相结合，形成两道横向雾屏，进一步提高综合降尘效率，以达到最好的降尘效果。回风巷断面突然变化喷雾系统喷嘴设计布置如图4所示。