煤矿井下气水喷雾雾化效果实验研究及应用

马 威

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

煤炭作为我国能源的重要重要组成部分，为我国的工业和国民经济发展做出了巨大的贡献。近年来，随着机械工业以及煤矿开采技术的快速发展，我国煤炭开采已经逐步过渡到智能化开采。智能化开采的发展给煤矿粉尘治理技术及装备的创新研发提出了更高的要求，虽然近年来我国在煤矿粉尘治理技术及装备的发展取得了明显的进步，但总的来说，与智能化开采的要求之间仍存在着较大的差距[1-3]。

目前煤矿采掘面防尘技术仍以煤层注水、通风防尘、喷雾降尘、除尘器除尘等措施为主[4-5]。由于喷雾降尘技术简单可靠，经济实用等优点，被广泛应用。目前煤矿井下常采用一般的压力型喷嘴，由于压力的限制，导致其雾化效果较差，根长期煤矿井下调研发现，一般的压力型喷雾降尘效率在50%以下，并且该类型喷嘴耗水量大，对工作面视线造成一定影响[6-7]。气水喷雾是以压力水和压缩空气作为双动力的一种新型喷雾方式，相对于常规喷雾方式，其具有耗水量小、雾化效果好、降尘效果好等优点。目前气水喷雾应用较多的主要是在能源、化工方面[8-9]。近年来，相关学者将其引入到煤矿防尘领域，并取得了一定的研究成果。如：侯腾彦等基于旋转式雾化器和碰撞理论开发了一种雾化器，通过详细分析雾化器工作时的液滴破碎过程，及液滴破碎机理，提出影响降尘效率和水流损失的原因，通过不同供水压力下的试验研究，验证了雾化器改进的合理性及降尘效果[10]；蒋仲安等为提高气水喷嘴在煤矿井下高浓度粉尘作业场所的喷雾降尘效率,通过实验研究了气水喷嘴的雾化特性参数, 得出了雾滴平均直径与气、水流量的变化规律，并且推导出了气水喷嘴降尘效率的关系式[11]；王鹏飞等基于空气动力学、多相流、气溶胶等相关理论,建立了气水喷雾降尘效率的理论计算数学模型, 并采用模型实验考察了供水压力、供气压力、出口直径等工况参数对气水喷雾特性及降尘效率的影响[12-13]。但是，以上研究仅考虑单一参数对喷嘴雾化效果和降尘性能的影响，而多参数融合下的喷嘴结构优化及降尘性能研究则鲜见报道。因此，通过实验室实验方法分析多参数结构对气水喷嘴雾化效果的影响[14-15]，同时确定出最佳参数结构的喷嘴，并进行煤矿井下现场降尘效果测试试验。

1 实验系统及方案

1.1 实验方案

内混式喷嘴为煤矿井下气水喷雾降尘常用喷嘴，本次实验选取了6 种气道直径、水道直径以及空气帽直径各不同的喷嘴，选用喷嘴的具体参数见表1，内混式气水喷嘴结构示意图如图1。

表1 喷嘴参数Table 1 Nozzle parameters

图1 内混式气水喷嘴结构示意图Fig.1 Schematic diagram of internal mixing gas-water nozzle structure

本次实验共设计3 组实验。第1 组实验，利用气压流量计测试喷嘴在不同气压下的耗气量；第2 组实验，利用相机拍摄不同气压下的稳定的喷射状态，然后通过图像处理得出不同气压下不同参数喷嘴的射程；第3 组实实验，通过自行搭建试验平台，利用中煤科工集团重庆研究院有限公司承担的国家发展和改革委员会、国家安全生产监督管理总局“煤矿职业病危害分析鉴定实验室”中组成设备相位多普勒激光测速仪来分析不同参数喷嘴的雾化效果。

1.2 实验系统

气水喷嘴雾化特性参数测试系统图如图2。该系统主要由多普勒激光测速仪，喷雾巷道，空压机，泵站，水箱，流量阀等组成。喷雾巷道由入口段，测量段，喷雾段，风机段，出流段组成。高压泵将水箱内的水加压到一定压力后输送至巷道模型喷雾段内部的喷嘴形成喷雾场，由多普勒粒度分析仪分析喷雾场的粒径分布情况。

图2 气水喷嘴雾化特性参数测试系统图Fig.2 Test system diagram of atomization characteristic parameters of gas-water nozzle

2 实验结果

2.1 不同气压下的喷嘴耗气量

通过实验室实验，得出不同结构参数喷嘴在水压为0.4 MPa，气压在0.1～1.1 MPa 范围变化时喷嘴耗气量的变化，不同气压下不同结构参数喷嘴的耗气量变化曲线如图3。

图3 不同气压下不同结构参数喷嘴的耗气量变化曲线Fig.3 Variation curves of air consumption of nozzles with different structural parameters under different air pressures

从图3 可以看出，在水压一定时，随着气压升高，喷嘴的耗气量逐渐增加。气压与喷嘴耗气量成线性正比关系。对比喷嘴1、喷嘴2、喷嘴3 发现，喷嘴气道直径和水道直径一定时，空气帽直径与耗气量成正比。对比喷嘴1 和喷嘴4，可以得出，喷嘴空气帽直径一定时，气道直径和水道直径越大，耗气量越大。由于煤矿井下供气压力有限，故应该合理控制喷嘴的参数，以期在较小供气压力下，获得较好的雾化效果。

2.2 不同气压下的喷雾射程

通过实验室实验，得出不同结构参数喷嘴在水压为0.4 MPa，气压在0.1～1.1 MPa 范围变化时喷嘴射程的变化，不同气压下不同结构参数喷嘴的射程变化曲线如图4。

图4 不同气压下不同结构参数喷嘴的射程变化曲线Fig.4 Range variation curves of nozzles with different structural parameters under different air pressures

从图4 可以看出，在水压一定时，随着气压升高，喷嘴的射程逐渐增加，气压与喷嘴射程成线性正比关系。对比喷嘴1、喷嘴2、喷嘴3 发现，喷嘴气道直径和水道直径一定时，空气帽直径与射程成正比，当气压为1.1 MPa 时，喷嘴6 的射程能达到11 m。故井下在使用雅琪喷雾使，应尽量提高供气压力，以提高喷雾影响范围。

2.3 雾化效果

喷嘴喷雾形成的雾场是由大小不等的雾滴群颗粒组成，为描述和评价雾滴群的雾化质量和表示其雾化特性，需采用液滴尺寸分布表达式来衡量颗粒直径大小或者不同直径颗粒的数量或质量。评价液滴粒径的表示方法很多，选取具有代表行的参数D10、D30、D32、D43进行表述。其中D10为数量平均直径，表示将所有雾滴的粒径之和除以雾滴总数所得的平均粒径；D30为体积平均直径，表示具有此直径的雾滴，其体积恰好等于所有雾滴的体积平均值；D32为Sauter 平均直径，表示具有此直径的雾滴，其比表面（单位体积颗粒的表面积）恰好等于所有雾滴的比表面平均值；D43为现有的激光粒径分析系统上经常用到的平均直径[16-17]。不同参数结构喷雾化特性参数见表2。不同结构参数喷嘴在相同实验条件下的雾滴粒径分布情况如图5。

图5 不同结构参数喷嘴的雾滴粒径Fig.5 Droplet size of nozzles with different structural parameters

表2 不同参数结构喷雾化特性参数Table 2 Spraying characteristic parameters of different parameter structures

由于试验过程中测试数量较多，仅对实验条件中气压为0.4 MPa，水压1 MPa，流量为21.6 L/min时，喷嘴出口中心轴线方向距离喷嘴出口1～1.4 m范围的粒径进行分析。从表2 可知，在相同水压、气压、流量情况下，喷嘴的结构参数对其雾化特性影响较大。分别对比喷嘴1、喷嘴2、喷嘴3 与喷嘴4、喷嘴5、喷嘴6 可以发现，随着喷嘴空气帽直径增加，D10、D30、D32、D43逐渐增大，并且对应喷嘴的喷雾雾滴尺寸发散度相应增加，说明喷雾颗粒尺度范围变大，说明此类压气喷嘴的雾化效果与喷嘴空气帽直径成反比。对比喷嘴1 和喷嘴4 发现，在喷嘴空气帽直径一定时，适当增加喷嘴气道和水道直径，喷雾雾化特性参数明显下降，喷雾雾化效果明显改善。

从图5 可以看出，喷嘴4、喷嘴5、喷嘴6 的雾滴粒径分布范围较喷嘴1、喷嘴2、喷嘴3 明显集中，并且雾滴粒径分布在0～200 μm 范围占比较大，与煤矿井下粉尘尺寸更为接近，更有利于使粉尘沉降，同时对比喷嘴4、喷嘴5、喷嘴6 雾滴粒径分布，发现喷嘴4 雾化后小颗粒雾滴占比更多，40～60 μm 雾滴占比超过16%，60～80 μm 雾滴占比超过14.5%，雾化效果更好。综合以上分析结果，得出在实验的6 个喷嘴中喷嘴4 的结构尺寸最优。

3 现场试验

为了验证通过实验选出的气水喷嘴的具体降尘效果，在神东补连塔煤矿12513 综采工作面开展现场试验。将喷嘴安装在液压支架顶梁上，在支架四连杆位置固定气水联动控制阀，连接供水管路和供气管路，其中预湿顶板喷雾向两支架架间缝隙顶板上，远射程喷雾朝向采煤机滚筒，本次共安装12 台支架。

在采煤机正常割煤、工作面无其它控降尘措施且，其上风侧无降柱移架时，开启了8 组气水喷雾，采煤机上下风侧滚筒各4 组，采用CCZ20 型呼吸性粉尘采样器测试采煤机下风侧司机处和采煤机下风侧15～20 m 人行道处的呼吸性粉尘浓度。本次试验条件气压0.4 MPa，水压1 MPa，耗水量21 L/min，与实验室条件基本保持一致。在无降柱移架产尘影响的情况下，表现出较好降尘效果。气水喷雾降尘效率如下：

1）顺风割煤时，下风侧司机处与采煤机下风侧15～20 m 处原始呼吸性粉尘浓度为52.4、63.8 mg/m3，采取措施后呼吸性粉尘浓度为20.6、24.5 mg/m3；降尘效率分别为61%和62%。

2）逆风割煤时，下风侧司机处与采煤机下风侧15～20 m 处原始呼吸性粉尘浓度为61.4、71.2 mg/m3，采取措施后呼吸性粉尘浓度为23.2、26.2 mg/m3；降尘效率分别为62%和63%。

由于此次现场试验只安装了12 台支架，如果安装数量增加，并且配合其他控降尘措施，对整个工作面环境的改善会起到极大的促进作用。

4 结 语

利用实验室实验方法分析了内混式气水喷嘴结构参数对其雾化特性的影响规律，通过实验得出其最佳雾化效果的喷嘴结构参数，并进行现场应用。

1）在水压一定时，随着供气压力的增加，喷嘴的关键内部结构参数尺寸与耗气量、射程成正比。另外由于煤矿井下供气压力普遍较低，为了得到较好的雾化效果，应该匹配合理的内部结构参数喷嘴。

2）压气喷嘴空气帽直径与喷嘴的雾化效果成反比，即空气帽直径越大，喷雾雾化后粒径尺寸越大，粒径分布范围越广，小尺寸粒径占比越小。并且发现，在空气帽直径一定时，适当增加气道和水道直径能优化雾化效果。通过实验得出喷嘴4 雾化效果最好。

3）通过将喷嘴4 进行煤矿井下现场试验，得出在顺逆风割煤时，下风侧司机处与采煤机下风侧15～20 m 处降尘效率分别为61%、62%、62%、63%，表现出较好的降尘效果。