矿井通风与除尘(蒋仲安版) 12 矿井通风与除尘新技术

图 12-9 扩散效应示意图
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12.2.1 泡沫除尘技术——1.泡沫除尘机理
（3）湿润
矿尘大多数都是疏水性质，很难被水湿润而沉降，这正 是水雾捕尘的缺点。而泡沫除尘技术由于发泡剂的加入 ，克服了这一缺点，能够实现对粉尘的快速湿润。
设粉尘颗粒表面的固相与泡沫液膜中的液相接触并被湿 润，即消失一个固—气和一个液—气界面，产生了一个 固—液界面。取固—液接触面的单位面积，恒温恒压条 件下，湿润作用导致的自由能差值就可以表示为：
图8-1 可控循环通风系统 1—主要通风机；
2—循环通风机；（或设于⑥、⑦分支）； 3—工作面；4—风量瓦斯浓度监测点
3
12.1.2 脉动通风技术
“脉动通风”技术是利用风流的紊流扩散系数与风流 脉动特性直接相关的理论依据，在局部积聚瓦斯位置处安设 脉冲通风机，在正常通风风流中产生脉动风流，从而大大地 增加瓦斯积聚区风流的紊流系数，风流驱散局部瓦斯积聚的 能力，从根本上解决煤层巷道中和回采工作面上隅角瓦斯积 聚问题。
第十二章 矿井通风与除尘新技术
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12.1 矿井通风新技术
12.1.1 可控循环通风技术 12.1.2 脉动通风技术 12.1.3 稳态通风模拟技术 12.1.4 均压通风技术
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12.1.1可控循环通风技术
在低瓦斯矿中，当 采掘工作面位于矿井的边 远地区，原有通风系统不 能保证按需供风，而该地 区的回风的风质又比较好 时，可以在局部通风系统 的进、回风之间安置通风 设备、设施和监控设备， 对回风进行合理循环控制 加以再利用，以增加用风 地点的实际风量。此种通 风方法称为可控循环风。
7
=0。 12.1.3 稳态通风模拟技术
矿井通风是一个动态的变化过程。 矿井通风的这一动态特性要求通风工程师做到两点： ➢ 一是及时掌握井下的通风状况； ➢ 二是根据需要及时调整风量分布。 稳态通风模拟技术——通过定期的风量测定，获得大量 的井下通风状况数据，分析和利用这些数据，应用成熟的通 风计算理论和计算机技术，进行矿井通风的模拟与控制计算。
4
=0。 12.1.2 脉动通风技术
脉动通风方法是局部通风机的风筒口装有风流断续器， 使其向工作面送入连续的脉冲式风流，风流速度随时间发生 周期性的变化。当风流断续器工作时，空气被周期性地“封 闭”并储存在风筒中，然后在过剩的压力下抛向工作面空间。
正常通风条件下，风量波动范围小，因而脉动速度也 低。
（4）在低用量的情况下，能将气体快速卷吸到水中，促使水和 气体混合产生分散均匀、泡沫细腻、数目众多、稳定性强的泡沫
（5）保证液膜具有较大的粘度和机械弹性强度；
（6）要保证粉尘颗粒和泡沫碰撞时所形成的颗粒—泡沫集合体 有相当强的稳定性。
（7）价格低廉、绿色环保、来源广泛。
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3.发泡原理
泡沫降尘装置主要有进风口、进水口、过滤器、发泡器、发 泡剂添加装置、储液罐、泡沫分配器、泡沫喷射支架、喷头 及输送管路。其主要工艺流程如图12-13。
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=0。 12.1.3稳态通风模拟技术
矿井稳态通风解算的条件是指在一定时期内，矿井没 有影响风网结构的巷道构成，局部区域的工作面推进、风 阻增大对通风状况的影响可以忽略或并不重要。
此时，井下巷道风阻保持不变，通风设施的变更都是 人为进行的，影响通风状况的风流温度保持稳定，因而， 可以应用稳态通风的理论进行通风解算。
图12-12 泡沫黏附粉尘示意图
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2.泡沫剂及泡沫剂溶液
除尘泡沫的发泡倍数、分散度、黏附和湿润能力是决定泡沫抑 尘效果的重要因素，良好的除尘泡沫发泡剂必须符合以下要求：
（1）在气-液、固－液界面上发生吸附，能显著降低溶液的表 面张力；
（2）具有能使粉尘颗粒表面由疏水性变为亲水性的性质；
（3）具有适当的溶解度；
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12.2.1 泡沫除尘技术——1.泡沫除尘机理
（5）黏附
泡沫外表面具有黏附粉尘的功能，其作用机理如图12-12 所示。当具有一定速度的泡沫（图a）向粉尘运动（图b） ，粉尘经过碰撞、截留和扩散等一系列作用后到达泡沫表面 （图c），被泡沫所黏附（图d）。由于泡沫质量的不断增 加，并在重力的作用下，使得泡沫上表面液膜逐渐变薄直至 破裂，最终形成许多包裹粉尘的泡沫小碎片（图e）降落到 地面。
在调压区段防火墙墙体外侧一定的距离增建一道新的
防火墙后所构成的气室。通过向两墙体间压入或从中排出相
应量的气体来调节其间的气体压力与火区防火墙内侧的气体
压力，使其达到平衡状态。
调压风机或 连通管
火区防火墙
火区 调压风窗
水柱计
调压防火墙
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=0。 3均压方式
根据所采用的调压手段不同，分为单一调压和综合调压。 ✓ 单一调压方式是指应用一种调压手段对调压对象实施调
局部均压最常用的方法有：并联风路法，调压风墙、 调压风门、调压风窗法及调压气室法。
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12.2 矿井除尘新技术
12.2.1 泡沫除尘技术 12.2.2 附壁风筒控尘技术 12.2.3 磁化水降尘技术
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12.2.1 泡沫除尘技术——1.泡沫除尘机理
（1）碰撞
在泡沫运动路径中的粉尘颗粒，只有在b 之内的能与泡沫发 生接触。在这个区域之外的粉尘颗粒将流过泡沫而不与其发 生接触，如图12-8所示。 b的值是未知量，必须通过dp/2流线的数 学模型得到，而该流线的方程很难求解，b 也不易确定，故很难得到碰撞效率的解析解。 该碰撞是在模型的理想状态下，而实际过程 中，由于粉尘颗粒具有一定的质量，并受井 下风流的影响，会形成无规则的扩散运动， 由于重力、惯性和扩散的影响，粉尘颗粒并 不是严格按照图中所示的轨迹运动，惯性和图12-8 泡沫与粉尘碰撞示意图 扩散将对粉尘与泡沫碰撞产生一定的影响。
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图12-14泡沫降尘布置图
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4.泡沫降尘技术在综掘工作面的应用
掘进面的产尘点位于截齿处，经现场实践观察，保持1/3厚度 的泡沫喷射在截齿上，2/3的泡沫喷射到截齿外围，此时的降
尘效果最佳。由于掘进机进行下部切割会与底板和底部碎岩发
生碰撞和挤压，因此泡沫喷头的布置主要在截割头的上部和两
翼，共布置6个喷头，如图12-15所示。
D2
hL K
C
3 T
B1
M
h
h
N
C
图8-6 调压风机与调压风墙互配调压的特性 （a）风机设在风墙回风侧；（b）风机设在风墙进风侧
1—矿井主要通风机；2—调压风机；3—调压风墙
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=0。 4均压方法
均压方法是指一种调压手段或多种调压手段组合实施 的具体做法。
区域均压中可用调整矿井主要通风机的工况，改造矿 井通风系统，调整调压风墙、调压风门、调压风窗的具体位 置，建立调压气室等手段实现单一或综合调压。
在脉动通风情况下，风量波范围大，因而脉动速度高。
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=0。 12.1.2 脉动通风技术
巷道风流中含有CO2或CH4气体时，由于与空气介质之 间存在密度差，他们的惯性不同。当风流加速时，瓦斯微团 与空气介质不能同步。
因此，在瓦斯微团与空气介质微团之间形成负压区或 增压区，导致瓦斯介质微团由高压区向低压区运动，这种运 动具有脉动的特点。
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=0。 12.1.4 均压通风技术
1均压通风
均压通风是指降低采空区或已采区漏风通道两侧的 风压差，减少漏风，以达到预防和消灭火灾的措施。按照 均压对象不同，分为区域均压和局部均压两种。 区域均压是指对全矿井或矿井的某一翼、某一阶段水
平实施的均压措施。 局部均压是指对特定的地点、地段实施的均压措施。
用于调整或改变矿井或一翼、某一阶段水平、某一既
定区域的风压分布状态的矿用各种类型的风机。风机运行最
重要的是保证长时间稳定运转和可调性。如图8-4所示，可 使A—D段风压降低，D—B段风压升高。
A
2
B1
D
L h
h K
C
图8-4 调压风机调压特性图 1—矿井主要通风机；2—调压风机
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=0。 ➢⑥ 调压气室
压的方式，常用于局部均压场合。 ✓ 综合调压方式是指使用多种调压手段对一个或几个施治
区的风压分布状态实施调整的方法，可以用于局部均压 和区域均压。 综合均压使用的手段有多种互配方式，常用的是调压风 机与调压风墙、调压风门及调压风窗的互配。
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=0。 3均压方式
A
3 T
D
K
h
L
2 E
N h
M
B1 A h
G SL Sg Lg
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12.2.1 泡沫除尘技术——1.泡沫除尘机理
（4）截留与覆盖
截留效应为粒子（粒径小于5μm或者无质量）随气体流线 运动的过程。模型中，对于直径为dp的粒子（实心球体） ，当其运动轨迹在极限流线以下b范围之内，就有可能会被 泡沫截留，如图12-10所示。
截留效应宏观上表现为泡沫除 尘的覆盖性能，当n个相距 f dp / 2 的泡沫同时作用于尘源处，将 有可能拦截泡沫4nb范围内的粉 尘，如图12-11所示。
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=0。 2均压手段
均压手段是指用于调整和改变风流压力分布的设施和 设备。包括调压风墙、调压风门、调压风窗、调压风筒、调 压风路、调压风机和调压气室。
➢① 调压风墙
A
设在巷道中拟调压点
处，以调整风压的挡风墙。
目的是隔断风流，同时改
变和调整风压的分布状态。
只用于需调整风压分布状
态而对风量无要求的场合。
调整或改变风流特性如图
8-3所示。
1T
B2
D
K
h
h L
M
C
图8-3 调压风墙调压特性图 1—调压风墙；2—主要通风机
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=0。 2均压手段
➢② 调压风门、调压风窗 设在巷道内某一拟调压点处用以调节风压
的风门、风窗。目的是在改变和调整设定地区风 压分布状态的同时，仍然保时一定的风量，并不 妨碍行人和运输。 ➢③ 调压风筒
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12.2.2 附壁风筒控尘技术
附壁风筒的结构，根据使用地点生产技术条件的差异(巷道断 面大小，供风量大小，除尘器配套方式等)，通常分为三种。 （2）径向出风附壁风筒 由于附壁风筒将普通风筒向巷道轴向供风方式改变为径向出风向 工作面方向螺旋前进的供风方式，利用附壁效应大大地降低了沿 巷道轴向的风流速度，增大巷道边沿区域风流速度，从而使巷道 断面上的风流分布趋于均匀。径向出风附壁风筒结构如图12-19 所示。
用于调整和改变风压分布状态的风筒。
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=0。 ④ 调压风路
设置在调压区段中用于调整或改变该区段的风压分布 状态的风路分支。可用于增阻或减阻调压的场合。特点是在 保持风流继续流动的同时，进行调压。
增阻调压常使用缩小通风断面或增设风阻物来实现； 减阻调压是扩大巷道断面或开辟并联风路来实现。
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=0。 ➢⑤ 调压风机
图12-13泡沫降尘工艺流程图
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4.泡沫降尘技术在综掘工作面的应用
井下泡沫降尘装置布置如图12-14所示，将泡沫降尘装置布置 在掘进机司机侧，方便调节与使用；除尘风机安装在掘进机后方 运输皮带支架上；吸尘口布置在掘进机回转台上；喷射装置安装 在掘进机回转台前方，距截割头最前方1.5-2m。
泡沫降尘技术制备泡沫必 须具备水源和压风。一般 情况下宜采用掘进面侧壁 配备的压水和压风，要求 水的流量为1-2m³/h，压 力2-3Mpa；压风管路要 求流量为40-80m³/h，压 力0.4-1Mpa。
上部喷头以30°倾斜扇 形喷出，中部左右两翼
的两个喷头以60°倾斜
扇形喷出，底部左右两
翼的两个喷头以135°
向斜下方喷出，喷头扩
散角度均为45°。井下
应用情况如图12-16。
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12.2.2 附壁风筒控尘技术
附壁风筒的结构，根据使用地点生产技术条件的差异(巷道断 面大小，供风量大小，除尘器配套方式等)，通常分为三种。 （1）螺旋出风附壁风筒 附壁风筒轴向出风端设计一个蝶阀，并通过连杆与狭缝出口的出 风阀门连动，可以利用手动或气动实现轴向经导风筒供风和径向 螺旋出风的风流转换。当掘进机工作时，手动或者通过气动控制 将阀门关闭，风流即从窄条喷口喷出，将压入的轴向风流改变为 沿巷道壁旋转并前移的风流。螺旋出风附壁风筒的结构如图1218所示。
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12.2.1 泡沫除尘技术——1.泡沫除尘机理
（2）扩散
气流中的粉尘颗粒当尺寸小于一定值（dp<1μm）时，在 风扰和分子热运动的作用下会做无规则的扩散运动。在运动 过程中，微尘撞击泡沫液壁而被析出的液体俘获或被湿润后 沉降，如图12-9所示。
这种无规则的扩散运动称作布 朗运动，其运动的剧烈程度与 温度成正比，温度越高布朗运 动加剧，其气体流速增快，而 方向仍是随机的。
6
=0。 12.1.2 脉动通风技术
脉动通风方法还可用于排尘。 在水平巷道中，粉尘的重力与风流对粉尘的作用力作 用方向互相垂直。 根据沃洛宁的研究，使粉尘处于悬浮状态条件是：紊 流风流横向脉动速度的均方大于或等于粉尘的沉降速度。 脉动通风不仅使纵向脉动速度增加，横向脉动速度也 增加了，这就有利于阻止粉尘的下降。