金属矿山爆破微细粉尘云雾除尘机理及试验研究

郭敬中 金龙哲 李 刚 王天暘1

（1.华北科技学院安全工程学院，北京101601；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083；3.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽马鞍山243000；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000）

金属矿山开采以爆破采矿为主，随着开采强度持续增强，采场粉尘产生量大幅增加。矿尘，尤其是微细粉尘随着风流经回风道流向地面空气，严重污染了井下及地面周边环境，给附近居民身心健康带来了伤害，因而加强金属矿山爆破粉尘净化十分必要。

喷雾是常用的降尘方式，水在压力的作用下经过喷嘴雾化并分散到空间，捕捉空气中游离的粉尘颗粒，喷嘴雾化的雾滴粒径越接近粉尘颗粒粒径［1］，自然沉降效果越佳［2-3］。程卫民等［4］、周刚等［5］通过喷嘴雾化试验，发现只有高压喷雾才能很好地实现对呼吸性粉尘的捕集。但高压喷雾耗水量大、成本高，对此，侯腾彦等［6］、王晓英等［7］、蒋仲安等［8］以气水喷嘴为研究对象，建立了数学模型，认为当水流量一定时，气体流量越大除尘效果越好；当气体流量一定时，降尘效率随着水流量的增加先增大后降低。李刚等［9］、邹声华等［10］，徐廷万［11］、原路安［12］以干雾喷头为工具，分析了抑尘机理，测定了不同工况下的雾流参数与降尘效果，认为气水两相喷嘴较压力喷嘴具有更好的雾化效果和降尘效果。张小艳等［13］通过试验发现，在气压0.45 MPa、水量40 L/h情况下，超声雾化喷头雾化效果最佳；除尘系统的除尘效率受雾滴粒径和雾滴数量影响，且雾滴粒径影响更显著。

综上分析，目前对于微细粉尘的防治研究主要集中于各类喷嘴雾化特性（尤其是雾滴粒径和雾滴数量方面）［14-19］、除尘系统组成和现场试验效果［20］等方面，总体上存在雾化降尘机理不明、喷雾除尘效率与影响因素之间的定量关系不清晰、除尘装置复杂及体积庞大等方面的不足。本研究在分析云雾除尘机理的基础上，搭建喷雾实验平台，寻求云雾喷嘴最佳工况点，研发云雾除尘主机和气水源处理装置，形成金属矿山巷道全断面云雾除尘技术，并进行现场试验，为改善矿山周边环境提供解决方案。

1 云雾喷嘴除尘机理与雾化特性

1.1 云雾喷嘴除尘机理

云雾喷嘴雾化能力强、雾化粒径小、性能稳定，主要由进水路、进气路、水气混合室和超声共振腔组成（图1）。其雾化机理可表述为：喷嘴开启时，按一定比例的压力空气和水分别自气路和水路进入混合室，气液混合且液体被部分破碎；当水气两相流从圆形喷嘴喷出时，气流速度较大，水流速度较小，二者因速度差而产生摩擦，水在气流的撕裂与剪切作用下被一次雾化；当混合两相流喷出后，冲击到共振室，气流反射产生振荡波，细水颗粒在振荡波作用下形成二次撞击雾化，从而形成云雾。

云雾在空气中易蒸发，使空气中的水气达到饱和状态，在一定的温度和外力作用下，会发生水气的凝结作用。当空气中含有异质（微细粉尘颗粒）时，水气以微细颗粒为凝结核，发生异质核化作用，形成新的混合液滴；新生成的混合液滴同样具有液滴捕尘、自重降落、群体凝聚等作用，从而加速粉尘颗粒沉降。

1.2 云雾喷嘴雾化特性分析

1.2.1 试验

为分析喷嘴喷雾粒径与气压、水压、气流量和水流量的关系，自行设计、搭建了喷雾实验平台（图2）。喷雾实验平台主要由供水、供气、喷嘴、检测4个部分部分组成。在室温常压条件下，利用空气压缩机提供压缩空气，工作压力为0～0.7 MPa；采用水压直读式增压水泵提供水压，给水压力为（1.5～2.5）×105Pa，且实时显示水泵的出水水压。利用JL-3000型喷雾激光粒度测试仪测定雾化粒径，量程为0.5～1 300 μm。测试指标选用雾滴平均粒径D50，D50指粒径大于它的颗粒占50%，小于它的颗粒也占50%。

试验过程分两个阶段进行：第一阶段试验不同气压（GP）、水压（WP）条件下的喷雾雾滴粒径，并记录不同工况条件下的气流量（GQ）和水流量（WQ），其中气压调节范围为0.2～0.7 MPa，水压调节范围为0.18～0.24 MPa，每种工况条件下测量3次，取平均值，获得最佳工况点；第二阶段，调整云雾喷嘴与喷雾激光粒度测试仪之间的距离，调整范围为0.5～2.0 m，每次0.5 m，并记录不同位置的中位粒径D50。

1.2.2 云雾喷嘴流量特性

喷嘴内两种流体的运动不是独立存在的，气压、气流量、水压及水流量之间相互影响［3］。通过调节气压和水压，获得了不同水压条件下水流量及气流量的变化曲线，分别如图3、图4所示。

由图3、图4可知：当水压一定时，水流量随着气压增大而减小，气流量随着气压增大而增大；当水压增大时，水流量随气压增大而增大，气流量变小，但并不明显。说明水压与水流量、气压与气流量的关联性大于水压与气流量、气压与水流量的关联性；在一定条件下，通过调节气压与水压可以获得喷嘴最佳工况点。

1.2.3 云雾喷嘴最佳工况点

通过分析雾滴粒径随气压的变化特征（图5）可知：随着水压增大，雾滴粒径D50变大；当水压一定时，随着气压不断增大，雾滴粒径D50在一定范围内不断减小，但气压达到一定值后，雾滴粒径D50减小的趋势不再明显，有跳高现象；当GP=0.5 MPa，WP=2.0×105Pa时，雾滴粒径D50最小，约6.0 μm，即该喷头的最佳工况点。此时，水流量为35 L/h，气流量为2.65 m3/h。

1.2.4 雾滴粒径与喷射距离的关系

受外界环境影响，在不同喷射距离上，雾滴分散度是不相同的。通过调整粒度测试仪与喷头之间的距离，获得了不同喷射距离处的雾滴中值粒径D50，如图6所示。

由图6可知：距离喷嘴出口处越近，微细粒径雾滴所占比例越大，如喷射距离0.5 m处中值粒径只有3.12 μm；随着喷射距离增大，雾滴中值粒径加速增大，这是因为在喷嘴远端会有部分已经雾化的微细雾滴再次碰撞凝结成较大的雾滴，造成微细雾滴颗粒比例下降。在喷射距离不大于2.0 m的范围内，雾滴中值粒径在20 μm以内，对呼吸性粉尘能够起到有效的抑制作用。

2 巷道云雾除尘技术

云雾除尘技术是基于气液两相流理论，将空气和水通过调节阀按一定的比例压缩进云雾发生器，经过两次雾化，形成众多高速运动的微细水雾，迅速扩散到整个封闭半封闭空间，并且水滴雾化粒径大部分小于20 μm，与微细粉尘粒径匹配效果好，二者碰撞概率高，不断发生团聚，易在重力作用下自然沉降。

根据本研究对于云雾喷嘴的雾化特性与最佳工况点的分析，自行研制了云雾除尘装置。该装置主要由云雾除尘主机和气水源处理装置两个部分组成，其中云雾除尘主机解决云雾喷嘴及其他组件的布局问题，气水源处理装置完成对云雾喷嘴工作介质的处理，提高云雾喷嘴的工作效率和使用寿命。

2.1 云雾除尘主机

云雾除尘主机指将云雾喷嘴按照一定角度与方向固定在拱形钢架结构上，分别向巷道四周和内部喷雾，使云雾充满巷道整个断面，形成巷道全断面雾帘，阻截粉尘扩散并加速其沉降。由于金属矿山爆破地点多且较为分散，故将云雾除尘装置设计为手推车形式，移动灵活，其他组件集成于小车上方箱体内。

为使微细喷雾充满巷道整个断面，巷道内各处雾滴粒径分布较为均匀，参照井下巷道断面形状（三心拱），自行研制了云雾除尘主机。主机上部为底角45°的等腰梯形，下部为矩形的钢架结构（图7）。云雾喷头固定于钢架的设定位置。喷雾时，可充满整个巷道断面，正面喷头正对着风流方向喷雾，填补截面喷雾的不足。

与传统装置方式相比，云雾除尘装置特点鲜明：①云雾除尘主机单位时间内产生的雾滴颗粒数量大，雾滴粒径小，分布更加均匀细密，吸附能力强，能充分增加与粉尘颗粒的接触面积，实现定向抑尘，消除呼吸性粉尘效果更好；②云雾除尘主机体积小、占用空间小、移动方便，尤其适用于金属矿山巷道、巷道型采场等有限空间内的降尘。

2.2 气水源处理装置

针对金属矿山井下水路中杂质较多、硬度较高，喷嘴易发生堵塞的问题，设计了水源两级处理系统。选用800目的不锈钢超滤网作为水源的一级过滤材料，双层叠加使用，经一级过滤后，水中颗粒物直径可下降至10 μm左右；经二级过滤器处理后，水中颗粒物降到5 μm以下，且具有反冲洗功能，完全能够满足云雾喷嘴对水质的要求。在高压气源的冲击与摩擦作用下，压风管路中含有较多铁锈杂质，影响喷嘴喷雾效果。参照水源处理思路，采用气源二级过滤装置净化气源中杂质，使之满足云雾喷嘴对气源的要求。气、水经过气水源处理装置（图8）净化后，可大幅提高云雾喷嘴雾化效果。

3 巷道云雾除尘现场试验

3.1 工程背景

试验场所选在梅山铁矿-318 m水平西区北16巷道采场。采场断面尺寸为6.0 m×4.0 m（宽×高），回采炮孔呈垂直扇形布置。采用中孔单排孔爆破落矿，单次爆破装药量近1.0 t，炸药大多数能量用于爆破破岩并抛掷岩块，部分能量转化为空气冲击波在回采进路中传播。空气冲击波受到回采进路密闭空间约束，经巷道壁面的反射作用，比地表炸药爆炸冲击波的传播特性复杂，对回采巷道内人员、设备与管线等设施产生了潜在威胁。为避开爆炸冲击波的破坏，云雾除尘装置移至与爆破主巷道间隔两个巷道距离的回风道拐角处，即携带大量粉尘风流经过的区域。

3.2 试验方案

在采场爆破前和采场爆破后，分别测定经过云雾除尘装置的粉尘浓度，研究云雾除尘装置现场应用效果。以云雾除尘装置为中心，在除尘装置前方5 m（A点）和后方5 m（B点）处分别安放一台观测台车（图9），观测台车上方安放一台CCZ20呼吸性粉尘采样器和一台ICF-2粉尘采样仪，分别进行呼吸尘和全尘采样。

3.3 试验结果分析

云雾除尘装置开启后，借助风流的作用，云雾迅速充满整个巷道，巷道云雾填充距离达100 m，试验效果如图10所示，测定结果见表1。

综合分析图10及表1可知：①爆破前，云雾除尘装置开启后，全尘、呼吸尘浓度分别下降到1.24 mg/m3、1.20 mg/m3，降尘效率分别为97.18%、95.20%，说明云雾除尘效果良好，可有效降低沿风流方向的呼吸性粉尘浓度；②爆破后，启用云雾除尘装置，全尘、呼吸尘的降尘效率分别为96.89%、96.04%，说明应用云雾除尘装置能加速风流中粉尘沉降，净化爆破粉尘，改善金属矿山井下及地面环境。

4 结论

（1）云雾喷嘴雾化特性试验结果表明：当水压为一定值时，云雾喷嘴的水流量随气压的增大而减小，喷嘴的气流量随气压的增大而增大；当水压增大时，云雾喷嘴水流量随气压增大而增大，其气流量变小，但变化并不明显。说明水压与水流量、气压与气流量的关联性大于水压与气流量、气压与水流量的关联性。

（2）试验结果显示，当气压为0.5 MPa，水压为0.2 MPa，水流量为35 L/h，气流量为2.65 m3/h时，云雾喷嘴雾滴中值粒径D50最小，约6.0 μm，即为云雾喷嘴最佳工况点。

（3）研发了云雾除尘装置，包括云雾除尘主机和气水源处理两部分。现场试验结果表明：爆破落矿后，经云雾除尘装置净化后，回风流中全尘、呼吸尘的降尘效率分别为96.89%、96.04%，说明云雾粒径与粉尘粒径匹配效果好，可有效降低沿风流方向的微细粉尘浓度，提高降尘效率，改善金属矿山井下及地面环境。