煤矿井下喷雾降尘装置雾化特性和降尘效果的研究

张云龙

（山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西 宁武 036700）

引言

随着科技的进步和煤矿井下综采作业机械化水平的不断提高，对煤炭的开采强度和开采效率迅速提升，造成井下综采工作面粉尘含量剧增，不仅影响作业人员在综采作业面的工作视线，带来严重的安全隐患，而且还极大地增加了作业人员罹患尘肺病等疾病的概率，因此如何有效降低煤矿井下作业面的粉尘含量是需要不断研究的课题[1]。

喷雾降尘装置作为一种有效的降尘装置，自发明以来便凭借其结构简单、可靠性好的特点，在煤矿井下得到了广泛的应用，在实际工作中，当采煤机等设备连续、大负荷运行导致粉尘量剧增时，人们通常采用增加喷雾压力的方式进行降尘，但盲目提升工作压力不仅对系统工作的可靠性造成了巨大的影响，而且使降尘时的耗水量大幅增加，造成了水资源的巨大浪费，也增加了企业喷雾降尘的成本。本文针对喷雾降尘装置在不同工作压力下的雾化特性和降尘效果进行研究，目的是获得相应的降尘效率与工作压力的关联曲线，为煤矿实际生产时的降尘作业提供理论和技术支持，提升降尘作业效率和喷雾降尘装置的工作可靠性。

1 试验系统设计及试验方案

为准确模拟煤矿井下的产尘环境，并对高压喷雾装置的雾化特性和降尘效果进行研究，本文采用干粉扩撒器、高速雾滴粒度分析仪、高压泵、粉尘浓度测试仪等组成的试验平台进行验证[2]。在工作时，利用高压泵输出不同的工作压力，将水从喷嘴喷出，通过高速雾滴粒度分析仪对形成的雾场情况进行分析，利用可调速风机模拟巷道内的气流流动情况，通过粉尘扩散器模拟不同浓度下的巷道环境，对喷雾前空间内的粉尘浓度和喷雾后空间内的粉尘浓度进行统计，便可得出在不同喷雾压力下对粉尘的沉降效果，喷雾降尘装置喷雾降尘效果模拟试验系统如图1所示。

图1 喷雾降尘试验平台（单位：mm）

2 雾化特性试验结果分析

高压喷雾装置雾化特性的优劣，通常采用单位空间为雾滴的尺寸分布进行表示，在该评价体系中，用D[3，2]表示液滴的索泰尔平均直径，用D50表示中位径，用D[4，3]表示液滴的加权平均直径[3-4]。不同喷雾压力下的雾滴的雾化参数如表1所示。

表1 不同喷雾压力下的雾化特征参数

由表1可知，随着喷雾降尘装置工作压力的升高，喷雾时的雾化锥角由2 MPa工况下的57.82°逐渐减少到10 MPa下的33.65°，因此随着喷雾降尘压力的逐渐增加，其雾化锥角则随之降低，造成喷雾降尘装置在喷雾时的有效降尘面积不断降低，影响了对粉尘的沉降效果，喷雾锥角的变化如下页图2所示。

图2 不同喷雾压力下的雾化锥角

表征喷雾装置雾化参数的索泰尔平均直径、加权平均直径及颗粒中位径均随着喷雾降尘压力的增加而减小，说明其工作压力越高对水滴的雾化效果越好，但当工作压力大于8 MPa后其水滴的雾化效果提高并不显著。

喷雾降尘装置在不同喷雾压力下对粉尘的沉降效果如表2所示。

表2 不同喷雾压力下的粉尘浓度变化

由表2可知，随着喷雾压力的增加，粉尘浓度呈现逐渐降低的趋势，对全尘和呼尘的沉降效果改善显著，全尘的沉降由2 MPa时的122.89 mg/m3逐渐降低到10 MPa时的60.19 mg/m3，呼尘的沉降由2 MPa时的47.67 mg/m3逐渐降低到10 MPa时的22.97 mg/m3。

3 粉尘沉降试验结果分析

不同喷雾压力下喷雾降尘装置对呼尘和全尘[4]的沉降效率变化曲线如图3所示。

由图3可知，当在各工作参数固定的情况下，喷雾降尘效率随着喷雾压力的增加而逐渐增大，并且呼尘的沉降的效率变化幅度要大于全尘随压力的变化幅度，造成这种现象的主要原因是喷雾降尘装置的工作压力越高，对水滴的雾化效果越好，其雾化颗粒的外径就越小，在运动过程中雾滴的速度也相对较高，是雾滴颗粒与空气中的粉尘颗粒的结合成功率更高。当喷雾降尘装置的工作压力为2~6 MPa时全尘的沉降效率基本与压力变化趋势呈线性关系，当工作压力大于8 MPa后全尘的沉降效率的变化情况要远低于工作压力的变化情况，当喷雾压力从8 MPa增加到10 MPa时，压力增加的幅度达到了25%，但喷雾降尘效率仅增加了约2.34%。结合表1不同压力情况下粉尘的雾化特征参数，在10 MPa情况下液滴的索泰尔平均直径仅比8 MPa情况下的液滴的索泰尔平均直径降低了3.47 μm，其雾化锥角降低了3.82°，极大地限制了其喷雾降尘的效果。

图3 挖掘机动臂升降控制系统现场试验图片

喷雾降尘装置在不同压力情况下对呼尘的沉降效率也是随着工作压力的增加呈逐渐上升的趋势，当工作压力低于8 MPa时其对呼吸尘的沉降效率增加较为明显，当超过8 MPa时沉降效果的增幅并不显著。

综合分析可知，在煤矿井下的粉尘中，其对水滴具有一定的排异性，单纯通过增加排水量来达到增加粉尘沉降效率的手段具有较大的局限性。当喷雾降尘装置的工作压力在8 MPa情况下，对呼尘和全尘均表现出了较高的沉降效果和雾化特性，当超过8 MPa时对粉尘的沉降效率增幅将迅速降低，且会对喷雾降尘装置的系统结构和使用寿命产生较大的影响，因此在进行喷雾降尘作业时，选择8 MPa的工作压力最为合理。

4 结论

通过建立喷雾降尘装置模拟试验台，对某型喷雾降尘装置在不同工作压力下的雾化特性进行研究，结果表明随着工作压力的升高，液滴的雾化效果越好，其雾滴直径逐渐降低，当工作压力超过8 MPa时雾滴直径随压力变化的幅度将大幅下降。喷雾降尘装置对全尘和呼吸尘的沉降效率均随着压力的增加而逐渐增大，当压力超过8 MPa时对粉尘的沉降效率的增加幅度将迅速降低，因此喷雾降尘装置的工作压力为8 MPa时具有最佳的喷雾降尘效果和雾化特性。