组合压气低压水吸风喷雾射流防控综掘割岩粉尘研究

孔德增，马中飞，周永康，刘新园，李 虎

江苏大学环境与安全工程学院 江苏镇江 212013

人们吸入岩尘导致尘肺病的风险比煤尘更大，综掘割岩的全尘、呼吸性粉尘产尘是最严重作业之一，对人体危害极大，且存在割岩瓦斯和火花隐患等安全隐患，因此，综掘割岩防尘是矿山防尘的重点之一[1]。在综掘割岩防尘方面，在掘进机内外喷雾的基础上，国内外主要对高压喷雾、电动叶轮式除尘风机配合附壁风筒、单喷嘴风水喷雾、挡尘风帘、化学降尘剂、泡沫降尘、风幕集尘结合叶轮式除尘风机、长压短抽通风降尘技术改进、综掘机内外喷雾改进、压力水旋转雾化降尘、直射出风和斜向分风结合等[2-14]进行了研究，对防控综掘割岩粉尘起到一定作用。但由于种种原因，其实际防控效果不尽如人意，如传统应用广泛的掘进机单喷嘴内外喷雾雾化效果差；高压喷雾系统结构复杂，对水质要求很高，因此，现场粉尘质量浓度 (特别是呼吸性粉尘) 严重超标，迫切需要研究结构简单、现场应用方便、安全可靠、成本低廉、效果显著的粉尘防治技术[15-16]，为此笔者对组合压气低压水吸风喷雾射流防控综掘割岩粉尘进行了试验研究。

1 组合压气低压水吸风喷雾射流作用原理

压气水喷雾射流气水幕是指压气与低压水混合，经压气水射流喷嘴喷出形成的气水幕。压气水喷嘴结构如图 1 所示，由连接部、六角棱、半球外壳和 6 个梭形孔组成，连接部、六角棱内部为流体过渡段，流体过渡段从入口的圆柱体渐变为半球体，半球外壳的外形呈半球体外表面，6 个梭形孔均布于半球外壳上，其梭形孔的外表面为梭形，内表面为椭圆形，长轴等于半球面半径，短轴长 1～4 mm，内外表面倒角为 15°～35°，水气流依次经过圆柱体、半球体，从 6 个梭形孔喷出。

图1 压气水喷嘴结构示意Fig.1 Structural sketch of pressurized water nozzle

压气和自然水在混合器混合后，由于压风对水产生切割分离作用，使得压气与水通过第一次惯性碰撞、切割分离后雾化成气水混合物；经过喷嘴导水芯时，压气水产生离心力，通过喷口高速喷出时，与静止的空气存在速度不连续的间断面，间断面受到不可避免的干扰，失去稳定而产生涡旋，涡旋卷吸周围的空气进入射流，同时不断移动、变形、分裂，产生紊动，这样，由于喷嘴出口处射流边界层的紊动扩散及黏滞作用，水射流与含尘空气产生动量交换，其压气水混合物被剪切分散形成细小液滴而进行二次雾化射流并形成气水幕。

压气水吸风喷雾器由压气水射流喷嘴和外部增设射流管 (含吸入室、喉管、扩散管) 组成，结构如图 2 所示。

图2 压气水吸风喷雾器结构示意Fig.2 Structural sketch of pressurized water air suction sprayer

气水射流喷嘴位于射流管中心，具有独特的通风功能。压气水通过压气水射流喷嘴快速喷出后在射流管内形成二次雾化射流，该射流与管内空气发生动量交换而产生负压，将吸入室及外界的气体卷吸到喉管；射流到达喉管时，因喉管断面最小，速度增至最高，使得气压降至低于吸入室及外界的气压，促使吸入室内及外界含尘空气向喉管流动；射流在喉管中运动时，气水射流和空气呈多相混合运动，它们进行能量和质量的传递，压力水速度减小，被吸空气速度增大，结果又使外界及吸入室的含尘气体增加；最后，射流水在扩散管运动时，含尘水气速度已经基本一致，由于扩散管断面呈增大趋势，水气速度减小，使得水气混合物的部分动能转化成压能，又增加了抽吸和压缩的效果。由于上述独特的通风功能，压气水喷雾二次雾化射流同时与被吸气体再次水气碰撞而形成三次气水混合射流。因此，雾化效果更好，抽吸的空气量大，通风作用更强，气水幕气流更稳定、雾滴更细。

如图 3 所示，综掘组合压气低压水吸风喷雾系统由多个压气水喷嘴、多个压气水吸风喷雾器、压气水混合分配器、阀门、高压软管等组成。压气水喷嘴、压气水吸风喷雾器并排间隔布置在伸缩臂后部的上半圆周表面，压气与低压水通过压气水混合器和分配器进入吸风喷嘴器后，抽吸较多的后部空气进入射流后形成稳定、细雾滴的多次气水混合射流，卷吸后部及周围的含尘空气进入气水混合射流，增加了多次气水混合射流的总体空气参与量并保证气水幕稳定性，从而在滚筒上半圆周围形成由多个压气水喷雾射流气水幕和压气水吸风喷雾射流气水幕组成的无间隙、环形吸风气水幕，拦截、湿润、控制掘进机截割的产尘，并将余尘抽吸到水幕中湿润降尘，同时还能有效地驱散截割处瓦斯，其压气水细水雾的还具备高效灭火作用，消除截割煤岩可能产生的火花，起到降尘、降瓦斯和消除火源的“三位一体”效果。

图3 压气水喷嘴与压气水吸风喷雾器布置示意Fig.3 Layout sketch of pressurized water nozzle and pressurized water air suction sprayer

2 试验地点与试验系统

2.1 试验工作面概况

工业性试验在涡北煤矿 85 采区运输石门及上山岩巷综掘工作面进行。该掘进面采用 EBZ-260B 型掘进机进行铣削式切割。

EBZ-260B 型掘进机原有喷雾系统包括内外喷雾和高压文丘里喷雾装置，整体雾化效果较差。其中，内喷雾在每个截齿处设有圆孔喷嘴，因旋转水密封漏水而无法使用；外喷雾为由截割电动机出来的冷却水通过环绕在截割部伸缩臂后部的十多个普通喷嘴进行半环形喷雾，其所需流量和压力与供水系统的流量和压力不匹配，设计喷雾水压为 1.0 MPa，所需水量为 100 L/min，而提供的供水压力 ＜ 1.0 MPa，供水流量远小于所需耗水量，故外喷雾效果甚微；高压文丘里喷雾装置由 BPW40/8J 型机载喷雾泵和 2 个安设在机身两侧的文丘里喷雾器组成，作用范围小，仅为截割头局部产尘点，且机载喷雾泵故障率较高，使用不正常。

施工范围内主要岩性为灰岩、煤、泥岩、铝质泥岩、细粉砂岩及断层破碎带，地温为 28.7～34.5 ℃，瓦斯含量为 0～2.21 m3/t，瓦斯压力为 0.1 MPa。巷道断面为三心拱形，支护形式为锚带索注，巷道净宽×净高=5 200 mm×3 600 mm，压风管路为 4 英寸，巷道内使用 4 英寸防尘供水管路，采用长压短抽通风，压入式通风的局部通风机型号为 FBD NO.6.3 (2×30 kW) 对旋式局部通风机，配套风筒直径为 800 mm，供风量为 320～590 m3/min，全风压为 760～5 900 Pa；抽出式除尘风机型号为 KCG-500D。

2.2 试验系统

现场压缩空气压力为 0.4～0.6 MPa，井下防尘自然水压力为 0.6～1.2 MPa。综掘组合压气低压水吸风喷雾现场试验系统由 2 个压气水喷嘴、3 个压气水吸风喷雾器，以及压气水混合分配器、阀门、高压软管等组成。每个压气水喷嘴的梭形孔外表面为梭形，内表面为椭圆形，长轴等于半球面半径，短轴为 3 mm，内外表面倒角为 25°，喷嘴耗水量为 3～5 L/min、耗气量为 30～50 L/min，雾滴索太尔平均直径 (SMD) 为 76.0 µm，雾化角为 60°，有效射程为 245 cm。单个压气水吸风喷雾器总长度为 120～150 mm，外径为 60～70 mm，喉嘴距为 25～40 mm，吸入室内径为 55 mm，喉管直径为 40～50 mm，喉管长 35～45 mm，扩散管的扩散角为 35°～45°，索太尔平均直径 (SMD) 为 64.0 µm，吸风量为 12 m3/min，雾化角为 65°，有效射程为 269.0 cm。现场压气和自然水接入压气水混合分配器后，其气水混合物通过间隔布置的 2 个压气水喷嘴和 3 个压气水吸风喷雾器进行喷雾降尘、降瓦斯和消除火源。

3 试验结果与分析

3.1 气水幕效果

该工作面原有喷雾系统整体雾化效果较差。采用组合压气低压水吸风喷雾系统后，在滚筒周围形成环形气流的吸风气水幕，雾化效果好，喷嘴喷孔直径大不易堵塞。吸风气水幕效果如图 4 所示。

图4 吸风气水幕效果Fig.4 Effects of air suction water curtain

3.2 降尘效果

按照国家规定，采用滤膜计重粉尘测定方法，分别测定全尘、呼吸性粉尘含量。使用承德产 DCH2Ⅱ型防爆粉尘采样器，采用十万分之一分析天平称重。粉尘质量浓度测点分别为司机处和掘进机回风 10～15 m 处。试验前后全尘、呼吸性粉尘质量浓度平均值如表 1 所列。

从表 1 可以看出，采用本防尘措施后，司机处的全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别为 36.1 和 16.1 mg/m3，相比无防尘措施降尘率分别为 96.1%、96.9%，相比原防尘措施降尘率分别为 95.4%、95.1%；工作面回风 10～15 m 处的全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别为 16.1 mg/m3和 13.6 mg/m3，相比无防尘措施降尘率分别为 96.8%、97.0%，相比原防尘措施降尘率分别为 96.3%、95.2%。

表1 平均粉尘质量浓度测定结果Tab.1 Measurements of average mass density of dust

3.3 降瓦斯和消除火花等效果

为了考察滚筒截齿附近的降瓦斯效果，在制定安全措施情况下，当滚筒截齿截割正常后，停止滚筒截割，测定滚筒截齿处的瓦斯情况。在原技术措施下，滚筒截齿处位于通风涡流区，瓦斯不易及时排放，瓦斯浓度为 0.15%；采用本措施后，由于安装了气水喷嘴和压气水吸风式喷雾器，共产生了 36 m3/min 的风量，瓦斯得以及时排放，滚筒截齿处的瓦斯浓度降为 0.05%，提高了现场生产安全系数。

在消除截割火花方面，其他工作面采用原有系统时，常有截齿截割火花产生，采用本措施后，未产生截齿截割火花。

4 结论

通过理论分析，并在淮北矿业集团涡北煤矿 85 采区运输石门及上山岩巷综掘工作面进行了组合压气低压水吸风喷雾射流防控综掘割岩降尘试验，可得出如下结论。

(1) 组合压气低压水吸风喷雾射流由多个压气水和压气水吸风喷雾形成的无间隙、环形吸风气水幕，不仅能拦截、湿润、控制掘进机截割的产尘，并将余尘抽吸到水幕中湿润降尘，同时也有效地驱散截割处瓦斯，其压气水细水雾具有高效灭火作用，消除了截割煤岩可能产生的火花，起到了降尘、降瓦斯和消除火源的“三位一体”效果。

(2) 降尘效果明显。与原措施相比，司机处和掘进机回风 10～15 m 处的全尘降尘率为 95.4%～96.3%，呼吸性粉尘降尘率为 95.1%～95.2%。

(3) 降瓦斯和消除火花效果明显。瓦斯降低率达 70% 左右，并可有效消除截割火花。

组合压气低压水吸风喷雾射流是至今防控综掘割岩粉尘的最有效方法之一，综合效果显著，系统简单、成本低廉、使用方便。