区域受控循环通风过程中的高压喷雾降尘

李锦峰 谢贤平 章能胜 纪承子 王彦波

(昆明理工大学国土资源工程学院)

矿山在原有通风系统的基础上，有效增加系统进风量往往是比较困难的［1］。对于在建矿山而言，通过改变主扇的一些通风技术参数或对原有系统进行一些技术改造，可以解决一部分通风问题。但是，在综合考虑技术可行、经济合理等方面的因素后发现，单方面地考虑增加系统进风量，会导致系统通风阻力增大，大大提高通风成本。对于一个矿山的某些局部区域而言，需探求新的通风技术［2］，受控循环通风就是在这种情况下提出来的。就非煤矿山而言，应用该项技术必须注意这样一个原则:循环风流的引入不能使系统内的粉尘浓度超标，否则不能直接引用，须经有效净化后才能引用［3］。探求高效、合理、经济的粉尘净化措施是应用该项技术的研究重点。

1 受控循环通风系统粉尘的危害性

井下作业环境艰苦，光线较差，粉尘表现出极大的危害性，主要有以下几个方面:

(1)危害作业人员的健康，引起职业病。主要是可能造成尘肺病，这不但严重威胁矿山工作者的生命健康与安全，还给国家与矿山企业未来发展带来不良的社会影响和巨大的经济损失。井下粉尘问题已经引起了世界范围的关注，特别是使用受控循环通风系统的回采工作面。

(2)粉尘循环加剧工作面能见度较低的问题，造成意外事故。井下工作面本来能见度就很低，如果工作场所使用受控循环通风可能引起粉尘的二次污染，进一步降低工作场所的能见度。如果不加以控制，可能会增加事故的发生，造成人员的意外伤亡、设备的意外损害。同时长时间地在能见度很低的环境下工作，会伤害劳动者眼睛，引起视力疲劳，造成眼部疾病。

(3)某些粉尘在一定浓度条件下会发生爆炸事故。爆炸造成的次生灾害也是不可小视的，特别是在煤矿，其爆炸的后果就是人员伤亡或是设备设施的破坏，这无疑会给企业带来巨大的损失。

(4)粉尘可能会加速机械磨损，缩短机械寿命，特别是有些矿山使用精密仪器。

因此，受控循环通风系统防尘系统的设计与研究是十分必要的［4］。

2 受控循环通风系统内粉尘浓度变化

2.1 循环系统内粉尘的粒径分布

一般矿山生产活动产生的矿尘叫作粉尘，通常情况下，按照粉尘粒径的大小将其分为:①粗尘，粒径＞40μm;②细尘，粒径为10～40μm;③微尘，粒径为0.5～10μm;④超微尘，粒径小于0.5μm。

2.2 循环系统内降尘主体的研究

粉尘粒径的大小直接影响其物理特性，也是研究防尘措施需要考虑的重点。一般情况下，粒径为10μm以上的粉尘因其具有自身沉降的特性，故而在产尘点附近很快就会自然沉降对作业环境影响较小，况且粒径大于10μm的粉尘即使进入人体，也会被人体的鼻咽所阻留，减少其对人体的危害。而粒径小于10μm的粉尘，其在人体内具有较高的穿透能力，且粒径越小，穿透能力越强。国际上把能够吸入且穿透和沉降在末端细支气管的悬浮粉尘定义为“可吸入粉尘”，即呼吸性粉尘，一般其临界粒径就是10μm［5］。所以本研究主要探讨针对粒径为10μm以下粉尘的降尘措施。

2.3 各巷道的粉尘浓度变化研究

如图1所示，以后退式回采工作面为例，探讨采用受控循环通风前后工作面粉尘的浓度变化。该系统由用风地点、进风巷、回风巷、循环风机和循环联道构成。进风巷新鲜风量为Q1;循环联道风量为Q4;用风地点风量为Q2，Q2是循环联道风量与新鲜风量之和;Q3一般与Q2相等;Q5为Q3与Q4之差，与Q1相等［1］。

图1 退式回采受控循环通风系统布置

假设进风巷、混合进风巷、用风地点回风巷、循环联道、系统回风巷粉尘浓度分别为d1、d2、d3、d4、d5，用qd1表示进风巷粉尘量，qd表示工作面产尘量，净化器净化效率为η，有

有

常规通风时，循环联道中无风流通过，Q4=0，此时

有循环风时，用风地点回风流在循环风机作用下，部分被引入与新鲜风流混合，循环通风过程中，循环率F表示循环联道内引入污风多少的比例:

按风量平衡定律，各巷道风量之间的关系为

第1次循环时，有

第2次循环时，有

第n次循环时，有

上述公式表明，系统内粉尘浓度与新鲜风流的粉尘浓度、新鲜风量值、工作面的产尘量、降尘效率和循环系数等因素有关。

假设工作面单位时间内生成的粉尘量为q'd，工作面粉尘的初始浓度为d0，经过净化器净化处理后循环风的粉尘浓度为d4，工作面空间体积为V，m3，紊流扩散系数为E，则在d t时间内工作面产生污染物的量为q'dd t，工作面回风流带走的污染物量为

在同一时间内，循环风流带进工作面的污染物量为Q4d4d t，系统新鲜风带入工作面的污染物量为Q1d1d t，工作面空间污染物量的变化为V d d3，则

又因为Q4=FQ3，所以，式(9)变为

此方程为开路循环净化过程的微分方程式，也可以写成

当工作面污染物为连续产生，循环通风系统中有净化器，如凿岩、连续放矿、连续出矿，污染物浓度可以看成一个稳定状态，d d3/d t=0，代入式(12)简化可得

通过上式分析可得，在应用受控循环通风的区域，合理地选取循环率和净化效率是循环通风节能的关键。而在矿山通风节能方面可以适当提高净化效率，以达到降低风机能耗的目的。

3 高压喷雾降尘系统设计分析

呼吸性粉尘是矿山粉尘治理的主要对象，对于采用受控循环通风的矿山，对其治理尤为重要，这是因为通常矿山在湿式作业的条件下，10μm以下的粉尘占80%以上［6］。

3.1 高压喷雾降尘系统的优势

(1)降尘效率高。应用压力型喷雾措施进行循环通风系统的降尘处理，其效果的好坏取决于对喷雾雾粒及粉尘物理特性的研究。矿山井下空气中的粉尘粒径以10μm以下居多，而对于该粒径的粉尘，需要用相应粒径的喷雾来进行有效匹配沉降。高压喷雾具有荷电雾粒多、雾流涡流强度大、雾粒分布均匀等优点，对矿山井下呼吸性粉尘可以取得80%～90%降尘率的效果。

(2)投资低、管理方便。应用传统的机械除尘对井下空气进行净化，往往需要购置一些除尘净化设备，这种方式虽然可以取得较好的降尘效率，但是运行过程中需要进行经常性维护与管理，相比之下，高压喷雾系统所耗用的资金却少得多。

(3)可以进行区域降温。采用高压喷雾降尘系统，系统本身的功能是对区域受控循环通风系统进行降尘，但由于喷雾本身的特性，可以通过合理控制喷雾水温来对循环风的温度进行控制，最终达到控制循环区温度的目的。

(4)喷雾剂可调。在现场使用高压喷雾降尘系统的过程中，喷雾剂通常使用的是清洁用水，而对于一些特殊的粉尘，可以根据其本身物理特性，通过调节喷雾剂的特性与其进行合理匹配，从而达到提高降尘效率的目的。

(5)安全可靠。金属非金属地下矿山基本不存在瓦斯威胁，也很少有井下粉尘爆炸危险。利用高压喷雾降尘系统可以从根本上解决区域范围内粉尘浓度的问题，既节约时间，又节约资金，对矿井生产、安全也十分有利［7］。

3.2 高压喷雾参数对降尘系统的影响

高压喷雾降尘系统参数主要包括喷雾水压力、喷嘴直径、喷嘴间距、喷嘴方向等，这些参数间的合理匹配是达到理想降尘效率的关键。

3.2.1 水压对喷雾降尘的影响

具有一定压力的水经过喷嘴时，在其内部喷芯搅动作用下使水流运动方向成发散状态，由于搅动具有较大的相对速度，使水流的液滴不断破裂，形成水雾。从能量角度来看，较高的水压能使雾流具有较大的速度。

对于高压喷雾系统而言，喷雾压力决定了雾流形式。以螺旋槽芯的喷嘴为例，当压力在2.5～3.5MPa时，雾流呈现实心圆锥形，随着喷雾压力增大，雾流圆锥形区域缩短变成圆柱形，进一步提高喷雾压力会增加圆柱段长度，并伴随有强烈的涡流运动。由于粉尘在雾流内通过的路程长，从而提高了降尘效果。同时高压雾粒的电荷大也是其降尘效率高的原因。

3.2.2 喷嘴压力、直径与雾滴直径的匹配关系

雾粒大小决定了降尘效果。资料表明，一般情况下雾粒为80～100μm对呼吸性粉尘具有较好的降尘效果。而雾粒大小又由喷嘴直径和喷雾压力共同决定，其关系存在一个经验公式，见文献［8］。

通过喷嘴压力、喷嘴直径、喷雾粒径间的匹配关系研究表明:采用1.0 mm直径喷嘴在迎风向下45°、水压力为7.5～10 MPa间恒压喷雾时，雾粒的颗粒度为100μm左右，为最佳降尘雾粒直径，所以最佳水压力为7.5～10 MPa［9］。

3.2.3 喷嘴选型与布置

研究表明，喷嘴的雾化质量主要取决于其转化原理和结构［10］。本研究采用旋转压力式喷嘴。其具有以下优点:喷嘴零部件维修简单，拆装方便，且不易堵塞;雾化效果好，雾滴尺寸分布比较均匀;制造成本低;喷雾角的大小可以调节［11］。

喷嘴间距就是喷嘴与喷嘴间的距离(即单位长度或单位面积上要布置的喷嘴数量)。喷嘴间距越小，则单位长度或单位面积上要布置的喷嘴就越多，喷雾覆盖率也就越大，降尘效果也就越好，工程投资也就越大。试验研究表明，间距0.5 m可以取得较好的除尘效果［12］。

4 结论

(1)通过分析循环风对工作面粉尘浓度的影响可以得到:在采用受控循环通风的系统中，系统稳定后，用风地点回风流中粉尘浓度的大小与循环系数无关，决定于循环内工作面粉尘产生量、新鲜进风量及新鲜进风的风质。而混合进风道粉尘浓度大于常规时的浓度，决定于循环系数;系统内粉尘浓度与新鲜风流的粉尘浓度、新鲜风量值、工作面的产尘量、降尘效率和循环系数等因素有关。

(2)应用受控循环通风的区域，合理地选取循环率和净化效率是循环通风节能的关键。通常可以适当提高净化效率，以达到降低风机能耗的目的。

(3)研究表明:高压喷雾系统喷嘴迎风向下45°、喷嘴直径1.0 mm、喷水水压7.5 MPa、喷嘴间距0.5 m的布置形式可以使循环风中的呼吸性粉尘沉降率达到90%，此降尘率可以保障循环风安全运行。同时该种布置方式耗水量适中，对于矿山用水困难的区域较为适用。

(4)合理控制喷雾用水水温，能够对循环系统起到降温作用，这有利于改善矿山井下区域作业条件。

［1］ 谢贤平，李怀宇.受控循环通风方法的研究与应用［J］.有色矿冶，1995(1):36-41.

［2］ 张福群.深井系统可控循环通风的可行性研究［D］.沈阳:东北大学，2003.

［3］ 叶镇杰.谈谈矿井循环风流［J］.冶金安全，1979(2):33-36.

［4］ 王英敏.矿井通风与防尘［M］.北京:冶金工业出版社，1993.

［5］ 汪德淇.矿井通风防尘［M］.北京:冶金工业出版社，1994.

［6］ 吴 超.化学抑尘［M］.长沙:中南大学出版社，2003.

［7］ 程瑞端，黄 兢.矿井可控循环通风及其应用［J］.四川建材学院学报，1997(2):65-67.

［8］ 李新宏.高压喷雾在掘进工作面应用研究［D］.西安:西安科技大学，2011.

［9］ 陈海安.高压喷雾在炮采工作面应用研究［D］.西安:西安科技大学，2011.

［10］ 周 刚，程卫民，王 刚，等.薄煤层炮采工作面爆破多功能自动喷雾降尘系统的研制及应用［J］.煤炭工程，2010(9): 100-102.

［11］ 李 刚.高效水雾降尘技术的实验研究及工程应用［D］.长沙:湖南科技大学，2009.

［12］ 王伟能，张弘弛，王春玲.喷雾降尘工艺治理煤尘的应用［J］.能源环境保护，2007(3):47-49.