综采面雾化喷嘴优选及其降尘性能研究

摘要：针对平煤八矿综采面降尘喷雾耗水量大、抗风干扰能力弱、雾化范围小的问题，为提高喷雾降尘防尘效果，基于溶液雾化性能测试系统，从喷嘴耗水量、喷射距离、雾化范围、雾滴粒径等方面，并结合综采面采煤机截割及支架移架产尘特点，系统优化了雾化喷嘴类型及孔径，最终确定采煤机喷雾、架间喷雾分别选用孔径为2.0 mm、1.6 mm的锥形喷嘴，所形成的喷雾场能较好地覆盖产尘区域。经平煤八矿综采面测试，喷嘴优化后总粉尘、呼吸尘平均降尘效率分别达到了88.62%、85.58%，工作环境得到明显改善。

关键词：综采面；煤尘；喷嘴优化；雾化性能；喷雾降尘

1综采面产尘特点及喷嘴情况

平煤八矿综采面采用MG550/1290-WD型电牵引采煤机采取一次采全高的方式进行割煤作业。由于采煤机割煤推进速度较快，同时煤体硬度较大使得在采煤作业过程中粉尘产生量较大，总粉尘、呼吸尘浓度分别达到了1300 mg/m3、800 mg/m3以上，严重影响了煤矿井下工作环境。综采工作面现采用的粉尘防治技术还是以传统的水喷雾降尘技术为主。但是，由于井下降尘用水对煤尘的湿润性弱，因而在喷雾降尘过程中，对粉尘的捕捉效率很低，同时落煤容易导致雾化喷嘴堵塞，使得喷雾系统无法正常工作，不能高效捕捉沉降粉尘。此外，该工作面属于高瓦斯煤层，为了能更好地稀释瓦斯，工作面通风量较大，特别是在采煤机附近，由于煤机导致巷道空间变小，导致割煤滚筒附近风速较大，使得现有外喷雾在风流的作用下易于被吹散，无法有效包裹割煤滚筒。同时综采支护架喷雾射程较短，无法有效覆盖巷道空间。因此，为了能对综采面主要产尘区域形成具有良好覆盖面的喷雾场，针对煤机割煤及移架产尘特点，对雾化喷嘴进行了优选，同时也对其排布方式进行了设计，以便能形成高效的降尘喷雾场。

2实验设备及方法

为了能更好地测试喷嘴装置耗水量、喷射距离、雾化性能等参数，采用喷雾雾化测试系统对不同类型及孔径喷嘴进行了系统研究，实验所采用的喷嘴类型主要包括：1#-扇形喷嘴、2#-实心锥形广角喷嘴、3#-实心方锥形喷嘴、4#-直线型空心锥形喷嘴、5#-实心锥形标准型喷嘴。雾滴粒径测试设备采用济南微纳生产的喷雾激光粒度分析仪，雾化角拍摄采用高速摄像机并利用Photoshop软件进行分析。

（1）为了探究不同类型喷嘴耗水量、喷射距离、雾化角等参数的差异，选用同种孔径1.6 mm的喷嘴，对以上参数在不同喷雾压力条件下的变化进行系统分析，以便更好地确定适合于煤矿井下降尘用的喷嘴类型。

（2）针对所确定的喷嘴类型，为了更好地探究出水孔径对喷嘴雾化性能的影响，选取了五种不同孔径（1.2 mm、1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm、2.4 mm）来测试其对喷雾场耗水量及雾滴粒径的影响，进而针对综采面不同区域产尘特点，选择合适的喷嘴。

3综采面降尘雾化喷嘴的优选

3.1不同类型喷嘴宏观雾化参数随喷雾压力的变化

在喷雾压力与雾场液滴粒径及耗水量测试过程中，发现随着喷雾压力的增加其喷嘴雾化角逐渐减少，这也预示着喷雾场覆盖面积与雾化角具有相互影响关系，即雾化角越大所形成的喷雾覆盖面积越大。为了清楚地探究喷雾压力对喷嘴雾化角的影响，采用高速摄像机快速捕捉不同喷雾压力条件下所形成的雾化角图像，并采用Photoshop图像分析软件对雾化角进行分析，同时也测试了喷雾压力对有效射程、耗水量的影响，喷嘴都用1.6 mm孔径，测试结果如图1所示。

从图1可以看出，喷雾压力对雾场雾化范围、喷射距离及耗水量等参数具有显著影响作用。针对所选择的五种类型喷嘴，都展现了以下变化规律：随着喷雾水压的增加，喷嘴雾化角明显减小同时有效射程及耗水量增加，但喷雾压力增加到一定数值后，随着压力的增加以上三种宏观雾化参数变化幅度减小。比如在水压从2 MPa增加到6 MPa， 5#喷嘴射程及耗水量明显增加，增幅分别达到了39.2%、111.1%，射程从3.42 m增加到4.76 m、耗水量从3.32 L/min增加到7.01 L/min；然而超过6 MPa后，随着水压从6 MPa增加到8 MPa，5#喷嘴射程及耗水量仅分别增加了4.6%、6.5%。这可能因为随着喷雾压力的增加喷嘴内部湍流度大幅增强，阻碍了溶液的喷出。此外，从图1还可得出，雾化角偏大的喷嘴其有效射程相对较小，比如在2 MPa喷雾压力条件下1#喷嘴雾化角比5#喷嘴大31°，幅度为30.8%，但喷雾射程却比5#小了1.64 m，幅度为48%。为了能使喷嘴所形成的雾场具有良好的抗风干扰能力，应该保证相应喷嘴具有较大的射程，来使雾滴获得较大的喷射速度。从雾化角、有效射程及耗水量等方面对比五种类别的喷嘴，可以得出第五种喷嘴（实心锥形喷嘴）的雾化特性较好，比较满足高风量条件下形成降尘喷雾的需求。

图1喷嘴宏观雾化参数随喷雾压力的变化

3.2喷嘴孔径对雾场雾化性能的影响

通过对喷嘴宏观雾化特性的研究，确定5#喷嘴比较适合煤矿井下喷雾降尘使用，以上只是从一种喷嘴孔径进行测试，为了能更好地选择适用于井下喷雾装置的喷嘴，本文对不同孔径条件下喷嘴细观雾化特性进行了测试，喷嘴的五种出水孔径分别为1.2 mm、1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm、2.4 mm。

正如图2所示，喷嘴孔径对喷雾耗水量具有较大影响，在水压大于4 MPa条件下，随着喷嘴孔径的增加耗水量逐渐增加，但在孔径大于1.6 mm后，随着喷嘴孔径的增加耗水量增加幅度降低，可能是因为随着水压的增加，喷嘴内部雾化室湍流度明显增大，一方面会利于雾滴的形成，但水压增加到一定数值后，由于雾化室内湍流度过大，阻碍了喷雾溶液的流出，进而导致在孔径增加到一定值后其耗水量并没有得到明显增加。从图2还可得出，喷嘴孔径对雾滴粒径具有重要影响，对于所优选的这类喷嘴，在相同水压条件下，随着喷嘴孔径的增加，雾滴粒径呈现了三个阶段的变化，即缓慢增加-较快增加-快速增加。孔径从1.2 mm增加到1.6 mm时由于耗水量增加较大弥补了雾滴出口速度，使得雾滴粒径轻微增加；在1.6-2.0 mm增加时由于耗水量增加的幅度不足以弥补雾滴速度的减少，使得雾滴粒径较快增加；超过2.0 mm后，雾滴粒径增加幅度更大。

根据喷嘴孔径对雾场空间特征的影响研究结果，同时结合雾滴粒径、溶液消耗量及液滴数量密度三者的相互作用关系，为在煤矿井下形成良好的喷雾雾化环境，针对采煤机截割滚筒产尘特点，溶液所形成的雾滴应具有良好的抗风吹散能力，所形成的雾滴粒径应较大，同时考虑到耗水量及喷雾堵塞问题，最终选择用于采煤机喷雾装置的喷嘴孔径为2.0 mm；此外，针对综采支架移架过程中需要捕捉工作空间逸散粉尘，应要求喷嘴具有良好的雾化性能，雾滴粒径不易过大，同时耗水量不应过大，以免造成巷道内湿度太大，确定煤矿井下综采面液压支架的喷嘴孔径为1.6 mm。

4现场应用

基于所优选的喷嘴，分别对采煤机、综采支护架外喷雾进行了优化，针对采煤机截割产尘这一主要尘源，通过安装所优选的孔径为2.0 mm的喷嘴，对采煤机构建了高压二次负压喷雾系统，对切割滚筒形成较为封闭的喷雾场；此外，为了进一步防治割煤逸散粉尘及移架过程产尘，对综采支护架喷雾进行了优化，一方面将原有外喷雾喷嘴替换成所优选的1.6 mm孔径喷嘴，同时在采煤机割煤过程中通过随机喷雾控制系统，开启割煤滚筒附近两架喷雾，进一步雾化覆盖煤机截割滚筒，实现高效降尘。

为了能更好地验证针对平煤八矿某综采面产尘特点所构建喷雾场的降尘效果，选取了四个测点（1-采煤机司机、2-采煤机下风侧15 m、3-采煤机下风侧30 m、4-回风巷距切眼15 m）对喷雾降尘效果进行测试，所用的降尘水基介质都采用强湿润性活性磁化水。通过滤膜采样法，对采取原有及优化后喷雾措施的降尘效果分别进行了相关测试，测试结果如表1所示。

表1各测点应用降尘措施前后粉尘浓度对比

正如表1所示，综采面喷雾装置优化后，总粉尘、呼吸尘浓度得了明显的降低，相对于原有喷雾措施，采煤机司机处总粉尘、呼吸尘浓度分别降低了231.1 mg/m3、118.2 mg/m3，大幅改善了井下工作环境。为了更好地对比喷雾装置优化前后降尘效率的变化，对四个测试点的降尘效率取平均值，如图4所示。优化后的喷雾装置对割煤滚筒及综采支架这两个主要尘源点形成了具有良好覆盖面的强湿润性活性磁化水喷雾场，对总粉尘、呼吸尘的降尘效率分别达到了88.62%、85.58%，相对于原有喷雾降尘方式，分别增加了13.19%、12.06%，有力保障了井下职工的身心健康。

5总结

（1）系统研究了喷嘴类型对喷雾射程、耗水量及雾化角等宏观雾化参数的影响。研究结果表明5#喷嘴具有良好的抗风干扰能力，该喷嘴相对于其他类型喷嘴具有较大的射程，同时耗水量较小，比较满足高风量条件下形成降尘喷雾的需求。

（2）针对采煤机截割滚筒产尘特点，溶液所形成的雾滴应具有良好的抗风吹散能力，所形成的雾滴粒径应较大，同时考虑到耗水量及喷雾堵塞问题，最终选择用于采煤机喷雾装置的喷嘴孔径为2.0 mm；此外，针对综采支架移架过程中需要捕捉工作空间逸散粉尘，应要求喷嘴具有良好的雾化性能，同时耗水量不应过大，以免造成巷道内湿度太大，确定煤矿井下综采面液压支架的喷嘴孔径为1.6 mm。

（3）优化后的喷雾装置能对割煤滚筒及综采支架这两个主要尘源点形成具有良好水雾覆盖范围的喷雾场。经平煤八矿综采工作面测试，喷嘴优化后总粉尘、呼吸尘平均降尘效率分别达到了88.62%、85.58%，工作环境得到明显改善。

参考文献:

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作者简介：王稳飞（1987-），男，汉族，河南平顶山人，硕士研究生，现从事矿井通风与安全、矿井瓦斯防治工作。