采煤機降塵裝置的設計研究

張 博

（大同煤礦集團永定莊煤業公司生產技術科， 山西 大同 030724）

引言

采煤機將煤炭從煤壁上剝離及落煤的過程中會形成大量的微小煤炭顆粒，在綜采區域形成粉塵懸浮區，不僅易導致綜采區工作人員罹患“塵肺病”等也會使綜采面的能見度急劇的降低，加大了綜采面工人因視線受阻造成工傷的隱患[1]，嚴重阻礙了綜采面的開采工作，因此迫切需要針對采煤機在綜采過程中的塵源分布及采煤機特點，對采煤機在切割煤層至煤炭顆粒擴散過程中實施有效的降塵措施，降低綜采面的粉塵濃度。

1 采煤機產塵機理分析

采煤機的滾筒在巷道內切割煤壁時，煤層逐漸受到旋轉截齒的擠壓，使受擠壓區域內煤層的密度和強度加大，這部分的煤層稱之為煤塊的壓固核。壓固核不僅增加了采煤機在截割煤層時的阻力而且隨著截齒的不斷旋轉，使截齒對煤層的擠壓力不斷上升，直到壓固核與煤層產生分離，其過程如圖1所示。截齒在切割煤層的過程中壓固核越大，其與煤層分離時產生的粉塵的量就會越多，特別是隨著采煤機截齒的磨損，使其在切割煤層時與壓固核之間會產生更大的擠壓與摩擦，在壓固核破裂過程中的動載荷會使之間的裂隙增加，從而產生更多的粉塵顆粒。當粉塵脫離壓固核之后會隨高速旋轉的滾筒進行離心運動，距滾筒中心距離的增加其速度逐漸減少，直至粉塵逐漸的降落到地面上。

根據采煤機在切割巖壁過程中壓固核的形成過程、產塵機理，以及采煤機在落煤過程中粉塵的運動規律，可分析出采煤機產塵的主要區域是滾筒在破煤時的落煤區。

圖1 壓固核形成過程及產塵機理

2 負壓降塵原理

根據云物理學的原理，潮濕的氣體在冷卻的時候，當水蒸汽趨于飽和時遇到粉塵顆粒，就能夠將粉塵顆粒進行包裹并捕獲。當含有粉塵顆粒的氣流在通過水霧層時，運動的過程中在慣性力的作用下，氣流內的粉塵顆粒將會從原來的流線路徑中向一側偏離出來并與霧滴相碰，被液滴捕獲。與此同時，粉塵在流經水霧層時，水霧會從粉塵的四周繞過去，并在粉塵的四周形成高速的水霧流，但在粉塵的后側其水霧的流速近乎于零[2]，如圖2所示。

圖2 粉塵在穿越水霧層時的流速（m/s）等值線

由以上分析可知，在負壓降塵裝置中，清水在經過高壓噴嘴后，產生速度極高、液滴極小的水霧氣流，水霧流與空氣中的粉塵顆粒在空中相碰，粉塵顆粒被水珠潤濕后重量和體積均發生變化，進而開始沉降。因流體的靜壓和速度是成反比的，因此在高壓噴嘴前端的內腔的壓力較小，而在噴管后側及除塵裝置的周圍的氣壓相對較大，在壓差的作用下四周的粉塵濃度高的空氣就被吸入到除塵裝置中，形成二次浸潤，從而進一步加強了除塵的效率，其原理如下頁圖3所示[3]。

3 采煤機降塵裝置的設計

根據以上分析，采煤機降塵裝置可采用負壓降塵的機理，在采煤機切割滾筒處設置負壓降塵裝置，使其形成的高速霧流能夠形成一個嚴密的、包圍采煤機截割滾筒的隔離霧層，從而實現高壓水霧層將采煤機截割煤層時的產塵點進行充分隔離[4]，防止粉塵擴散，水霧層的隔離效果如圖4所示。

圖3 負壓除塵原理

圖4 水霧層隔離區域示意圖

除塵裝置在采煤機上的安裝結構如圖5、圖6所示。該降塵裝置中為了避免長期在高粉塵狀態下工作時噴嘴管路的堵塞，經驗證，采用了直徑為10mm的高壓直通膠管，其與噴嘴之間采用快接接頭連接，便于在噴管堵塞后被迅速地更換。同時為了避免采煤機割煤時，煤渣等雜質從噴管進入除塵器箱體內部，造成除塵器的堵塞，因此在除塵器背板下側設置有有排渣口。便于箱體內的雜質和水的自動排出。避免除塵器內腔的堵塞，確保除塵裝置工作時的連續性和可靠性。

圖5 除塵裝置在采煤機上的安裝總圖

圖6 除塵裝置在采煤機上的安裝示意圖

該采煤機降塵裝置中最核心的部分在于噴嘴形成的水霧墻能否將采煤機在生產過程中的產塵點進行完全的封閉，因此我們根據煤礦井下實際所用的采煤機噴霧裝置，在噴管的水霧錐角為28°的情況下對不同的噴嘴數量對產塵點的封閉效果進行了驗證，根據實際的驗證結果，在噴管采用的水霧錐角一致的情況下，采用4根噴管所形成的各水霧錐角之間會形成較大的水霧層死角，而采用5根噴管時，所形成的水霧層之間基本沒有空隙，且能夠將除塵點進行嚴密的包圍，因此在該采煤機除塵裝置噴嘴口設置時，我們采用了5根噴管的形式，對比效果如圖7所示。

圖7 不同噴管數量對產塵點的包圍效果

4 采煤機降塵裝置的實際應用效果

根據該采煤機降塵裝置的結構原理，我們實際在某礦井下了現場實際驗證，將除塵裝置分別固定在采煤機前后截割滾筒處的外殼上，在16～18 MPa的壓力下，噴嘴所產生的水霧墻能夠完全封閉落煤點的粉塵擴散，如圖8、圖9所示。

圖8 除塵器及固定裝置

圖9 除塵器噴霧降塵效果圖

分別在采煤機落煤點附近設置10個粉塵監測點，對應于采煤機降塵裝置前后空氣中的粉塵含量進行監測，監測結果如表1所示。

表1 采煤機降塵裝置降塵效果匯總表

根據監測結果，測塵結果表明在采煤機上風位置5 m處和下風位置10 m的范圍內，降塵點空氣中全塵和呼吸塵的質量濃度分別降低了86.4%和85.2%，降塵效果顯著。

5 結論

1）采用五根噴管時，所形成的水霧層之間基本沒有空隙，且能夠將除塵點進行嚴密的包圍，降塵效果最優。

2）在采用該采煤機降塵裝置后能夠將降塵點空氣中全塵和吸塵的質量濃度降低分別降低了86.4%和85.2%，具有非常理想的降塵效果。