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综掘工作面超音速活性喷雾除尘技术的实验研究

2024-08-10 38 上传者：管理员

摘要：为解决四通煤业综掘工作面高压喷头失效严重、煤岩尘亲水性较差导致的大部分掘进作业过程中粉尘污染严重的问题，通过测试平台实验测定雾化特性，研究表明，同等水压、气压条件下，超音速雾化喷嘴形成的喷雾粒径更小，雾滴与粉尘接触得更充分，可取得更好的捕尘效果，因此优选其为适用于四通煤业掘进工作面实际作业环境的降尘喷嘴。开发设计出掘进面绿色高效复合型润湿-凝聚化学抑尘剂，将粉尘的降尘效率达到85%以上。研究结果可为煤矿喷雾降尘设计提供依据，对于实现煤矿矿井粉尘的有效治理和安全生产具有十分重要的现实意义。

关键词：
半煤岩巷
喷雾粒径
煤尘
综掘工作面
超音速喷嘴
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目前，煤尘已成为威胁矿井安全生产和井下工人健康的严重灾害之一[1-3]。许多专家和学者针对掘进工作面粉尘的产尘机理和防治措施进行了大量研究，取得了显著的成果，为井下粉尘的有效防治做出了巨大的贡献。而针对掘进工作面高效喷雾除尘技术的研究却相当薄弱，对其产尘机理、粉尘运移规律、影响因素及相应的治理措施缺乏系统的理论研究。因此本文以四通煤业二采区东回风巷掘进工作面为研究对象，通过测试平台实验测定雾化特性与喷雾降尘效率，优选适用于煤矿掘进工作面实际作业环境的降尘喷嘴，开发设计出掘进面绿色高效复合型润湿-凝聚化学抑尘剂。对实现矿井粉尘的有效治理具有十分重要的现实意义。

1、研究背景

山西焦煤汾西矿业四通煤业有限公司批准兼并重组整合后矿井生产能力为150万吨/年。水文地质类型划分为中等，属低瓦斯矿井，矿井采用“三斜一立”混合开拓(三进一回),通风方式为中央分列式。综掘工作面为二采区东回风开拓工作面，采用EBZ-260H型综掘机掘进，支护方式采用“锚网索喷”联合支护；综掘工作面煤岩类别为半煤半岩，岩石破碎粒径分布主要以大颗粒为主，粉尘类型主要为岩尘，岩尘含硅量较大，对人体的危害比一般煤尘高。综掘面通风良好，非工作状态粉尘质量浓度低，但掘进过程中粉尘污染极为严重，全尘质量浓度高达2 000～2 500 mg/m3.四通煤业自建矿以来就非常重视井下粉尘治理工作，尤其是掘进工作面的岩尘治理，主要采用了掘进机头高压喷雾、跟机喷雾、巷道洒水喷雾等防、降尘措施，对井下作业环境的改善起到了很大的作用。但由于岩尘亲水性较差，瞬时粉尘涌出量较高，加之除尘措施年久老化，高压喷头失效严重，大部分掘进作业过程中的粉尘污染问题较为突出，已严重威胁了现场作业人员的身心健康与矿井的安全、高效生产。掘进作业时隔尘措施相对简陋，产生的粉尘难以被传统降尘设备雾化封闭控除，除尘效果不显著。针对煤矿井下粉尘状况与存在的问题，需要研究一套适用于四通煤业掘进工作面高效喷雾除尘技术。

2、超音速气动喷嘴喷雾特性研究

2.1超音速气动喷嘴简介

超音速气动喷嘴将活性水通过超音速反重力作用，汲入超音速气流内，破碎成超微米级水雾，能够大范围覆盖粉尘污染区域，卷吸微细粉尘，极大地增加了雾滴与颗粒物的碰撞时间、碰撞几率、延长作用流线，增大了团聚效果，实现高效降尘、净化风流的目的[4-5]。同时无需高、低压水泵的额外供压，减少正压堵塞的风险，雾化效率高，达到国内外先进水平。该喷嘴耗水量极低，完全壁面湿式降尘对胶带、煤体、巷道地面、壁面的污染，减少井下水泵排水负荷。

2.2实验平台介绍

为分析超音速喷嘴喷雾的细观雾化特性，与太原理工大学安全工程学院合作搭建了测试喷嘴雾化特性的实验平台，如图1所示，该实验系统主要由Winner319激光粒度分析仪、PVC管、三脚架、空压机、喷嘴、高速摄像机组成。喷嘴的位置可通过移动三脚架而改变，同时喷嘴的高度可以上下调节。激光粒度分析仪工作原理：采用信息光学原理，通过测量颗粒群的散射谱来分析粒度分布。实验平台布置时，要在符合要求的实验条件下，将激光发射端、激光接收端两部分，分别水平放在各自的桌子上(仪器已用水平仪矫正过),中间间隔0.5 m左右，间隔空隙的中心放置喷头，喷头用三脚架支撑在空中，通过PVC管将喷头与空压机、水源连接起来，改变喷头与激光束的距离以及流量大小，得到不同的实验数据，实验平台基本搭建完毕，接通电源便可以实验。

图1喷嘴雾化特性实验平台

2.3不同喷嘴细观雾化特性研究

前期准备工作：实验仪器对中调试，从发射端部分射出的激光束需要在接收端形成均匀规则的绿色光斑，激光束需要通过傅里叶镜及准直透镜的中心且与准直透镜垂直。①接通电源，开启激光粒度分析仪，预热10～15 min,同时启动空压机，将压力维持在8 MPa.②启动计算机，运行激光粒度分析软件，设置好参数，先进行背景测量，累计10次后，开始能谱测试。能谱测试之前要保证能谱的前十环基本无数据显示。③调节控制阀，开始喷雾实验，得到雾滴粒度分布图。通过调节喷头与激光束的距离以及流量的大小，得到不同组的实验数据。④分析粒径值数据，归纳不同喷嘴在不同实验条件下的喷雾特性。经过对不同类型的喷嘴筛选后，考虑到成本、使用寿命、使用条件等因素，细选出如下3种喷头，分别为超音速雾化喷头、高压喷头和超声波喷头，对这3种喷嘴进行实验研究(图2)。

图2 3种类型喷嘴实物图

特征粒径是指小于某一粒径的体积占总体积的百分比。主要有：D50为粒径小于此雾滴体积占总雾滴体积的50%,同理D90意义如上。通过喷头雾化实验平台得到D50、D90粒径值数据，分别将3种喷头粒径值数据，用图表示出来。图3(a)为不同距离下超音速雾化喷头喷雾的粒径值，在激光粒度仪距离超音速雾化喷头15 cm测定的D50粒径为0.892μm,D90粒径为14.564μm.随着激光粒度仪与喷头距离的扩大，喷雾粒径值也随距离的变大而不断变大，距离为400 cm测定的D50粒径为55.426μm,D90粒径为105.246μm.图3(b)为不同距离下高压喷头D50、D90粒径值，在距离从15 cm增大为400 cm过程中，D50增大了63.753μm,D90增大了123.627μm,可以看出D90增长速度更快。图3(c)为不同距离下超声波喷头喷雾的粒径值，在距离从15 cm增大为400 cm过程中，D50增大了54.981 5μm,D90增大了145.375 7μm,极值变动幅度较大。经过图3(d)对比分析，超音速雾化喷头喷雾粒径值始终小于另外两种喷头，粒径越小，雾滴与粉尘接触得更充分，降尘效果越好，综合考虑，本次试点应用决定采用超音速雾化喷头。

图3距离对不同类型喷嘴雾化特性的影响

3、高效可降解抑尘剂复配技术

3.1高效可降解抑尘剂制备流程

本实验以植物纤维素为基料，加入少量功能单体，用溶液聚合法制备出一种环保抑尘剂。实验进行前，先将玉米秸秆进行去叶、切段、蒸馏水清洗、烘干等预处理，使用万能粉碎机将处理后的秸秆破碎碾磨成粉末状，制成10～200目的玉米秸秆粉末；再将玉米秸秆粉末用碱液浸泡碱化，加热搅拌后抽滤、洗涤、烘干，以去除玉米秸秆中的半纤维素；取干燥后的粉末，加入冰醋酸和亚氯酸钠混合试剂，加热搅拌，以去除玉米秸秆中的木质素；最后用丙酮浸泡、抽滤，用蒸馏水洗涤过滤，在烘箱中烘干得到玉米秸秆纤维素，作为本次实验基料。在基料中加入少量丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯等功能单体，用以提高溶液黏合润湿性，采用溶液聚合法制备出环保抑尘剂。

3.2高效可降解抑尘剂配比测试

实验采用东莞市晟鼎精密仪器有限公司的科研型SDC-350接触角测量仪，该仪器分析软件为contact angle v3/v5,既可以测定接触角也可以测定表面张力。选用质量分数为0.002%、0.005%、0.007%、0.01%、0.02%、0.03%的6组配比进行测试，测试结果如表1所示(当地水的接触角为54.549°,表面张力为73.744 mN/m)。由图4中数据可以看到，随着抑尘剂浓度增大，溶液接触角值和表面张力值都相应降低，在质量分数为0.01%出现拐点，0.01%～0.03%接触角值和表面张力值相差不大，从使用成本考虑，确定本抑尘剂的最佳浓度为0.01%.

表1溶液的降尘效率结果

图4测试结果

3.3高效可降解抑尘剂实验效果

采用自行设计搭建的模拟矿井巷道进行喷雾降尘实验，该实验系统由喷尘和喷雾系统组成。喷尘系统主要由巷道框体、粉尘气溶胶发生器、空气压缩机、喷尘固定支架、柜式离心风机、CCHZ-1000全自动粉尘测定仪组成(图5)。

图5主要构成组分分子结构

实验过程中煤尘由粉尘气溶胶发生器在一定风速下以进给速度35 mm/min均匀稳定地喷入框体，全自动粉尘测定仪定时采样检测框体内煤尘浓度。喷雾系统主要由水箱、空气压缩机、超音速虹吸式空气雾化喷嘴(固定在框体上方)组成。实验过程中，将0.01%抑尘剂溶液倒入水箱，由空气压缩机给定0.4 MPa的压力，使溶液能通过超音速虹吸式空气雾化喷嘴稳定喷出。为了增加系统对粉尘的捕捉效率，在工作面管道供水出口处，安装水质过滤器、供水水箱、活性剂自动配比添加装置。通过在工作面现有喷雾供水与增压系统中加入一定量的新型高效可降解复合型抑尘剂，经静态混合器，使其成为一定浓度且混合均匀的改性水，从而改变喷雾用水的润湿特性，提高喷雾降尘效率。

首先测定初始条件下(仅喷尘)的全尘质量浓度、呼尘质量浓度(测得初始全尘质量浓度为687.1 mg/m3,初始呼尘质量浓度为330.7 mg/m3),其次测定喷洒抑尘剂溶液后的全尘质量浓度、呼尘质量浓度，进行3次实验取平均值，并用清水做对照。溶液的降尘效率结果如表1所示。复配后活性剂溶液对于全尘、呼尘的降尘效率分别达到了89.7%、87.5%,均为清水喷雾捕尘效率的2倍以上，捕尘效率良好。

4、结语

雾化实验结果表明，在相同的气压、距离条件下，超音速喷嘴的粒径值始终小于另外两种喷嘴。通过分子建模与实验配比的方法，以植物纤维素为基料，在基料中加入少量丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯等功能单体，用以提高溶液黏合润湿性，采用溶液聚合法制备出环保抑尘剂。复配后表面活性剂可大幅降低水溶液的表面张力，平均表面张力为15～20 m·N/m,相比于单一水溶液降幅程度为80%左右。根据以上研究成果，将超音速高效活性喷雾除尘技术用于综掘机外喷雾及全断面喷雾。经过测试，结果表明四通煤业二采区东回风巷掘进工作面超音速活性喷雾降尘系统的粉尘的降尘效率达到85%以上。研究结果可为煤矿喷雾降尘设计提供依据。

参考文献:

[1]赵晓璐.综采工作面采煤机高压喷雾降尘系统设计及应用分析[J].西部探矿工程,2024,36(1):71-73.

[2]刘伟杰.掘进机高效喷雾降尘装置的优化研究[J].机械管理开发,2023,38(11):45-46.

[3]谢剑波.地下矿山防尘与除尘技术探究[J].四川水力发电,2023,42(S2):83-86.

[4]任凯.综掘岩巷粉尘治理技术研究[J].山西冶金,2023,46(10):225-227.

[5]薄乐.采掘巷道通风除尘系统优化应用[J].机械管理开发,2023,38(10):85-87.

文章来源:张俊岭.综掘工作面超音速活性喷雾除尘技术的实验研究[J].煤,2024,33(08):43-46.