掘進機噴霧降塵系統(tǒng)的設計與分析

張宇鵬

（陽煤寺家莊有限責任公司開拓二隊， 山西 晉中 045300）

引言

目前，應用于掘進巷道防塵技術主要包括有采用風幕、泡沫、布袋等裝置，以達到降塵的目的，還有基于抽塵凈化等防塵措施。但是，上述防塵措施僅針對固定點的粉塵防治有效果，無法對掘進機截割頭部的粉塵進行有效治理[1]，因此根據掘進巷道的工作特點提出將噴霧降塵技術應用于其中。

1 掘進工作面粉塵特點分析

實際生產中，掘進機工作面各設備的布置如圖1所示。

圖1 掘進工作面各設備布置示意圖

在實際掘進過程中，掘進機的截割頭的位置處于時刻變化中。因此，針對掘進機的粉塵防治采取的降塵措施需解決產塵源點隨機變動的情況。經現場調研可知，距離掘進機3 m范圍內粉塵的濃度最高，且隨著掘進巷道的不斷深入，粉塵濃度逐步降低。但是，隨著巷道的深入，不斷提升了消除整個巷道內粉塵的難度。

2 噴霧降塵裝置的設計

目前，應用掘進巷道的噴霧降塵裝置普遍置于掘進機的后方，且降塵效果不佳。為此，本文提出將噴霧降塵裝置置于掘進機的前方，且需滿足以下要求：降塵裝置能夠跟蹤產塵點達到實時降塵的目的；要求噴霧降塵裝置的覆蓋區(qū)域足夠；要求噴霧降塵裝置能夠完美使用于各類掘進機[3]。

根據以上所提出的噴霧降塵裝置的功能要求，將噴霧降塵裝置安裝于截割頭后方，如圖2所示。

圖2 噴霧降塵裝置的布置示意圖

為增大該裝置的覆蓋范圍確保其降塵效果，將噴嘴傾斜安裝，并在噴霧過程中能夠進行旋轉運動[4]。

噴嘴的傾斜角是決定其覆蓋范圍的關鍵因素。本文將著重對噴嘴的傾斜角度進行計算。其計算如式（1）所示：

式中：α為噴嘴的傾斜角度；D為掘進巷道的寬度，結合現場可知D=4 m；d1為霧滴沿掘進機截割大臂軸線方向的最小有效射程，經查表可知d1=1.5 m；d2為噴嘴之間的距離，結合掘進機的結構，取d2=1 m。經計算可知，α的最小值為45°，為了確保噴霧能夠覆蓋整個工作面，選取冗余系數為1.2，即α≤45°×1.2=54°，圓整為55°。為確保對整個巷道粉塵達到降塵的效果，取噴嘴與截割大臂軸線之間的夾角為55°。

3 影響降塵效果的關鍵因素

噴霧降塵裝置對掘進巷道降塵效果除了受噴嘴覆蓋范圍的影響外，還受降塵裝置的供水壓力、噴嘴的數量以及噴嘴的直徑等因素的影響。為確保噴霧裝置的降塵效果達到最佳，需確定各影響因素的具體參數[5]。為此，本文將基于Fluent軟件及Matlab軟件對不同影響因素下噴霧裝置的內部流場及最終的降塵效果進行仿真分析。根據經驗，特設計如下頁表1所示的影響因素。

表1 影響降塵效果的各類因素

3.1 供水壓力

本文采取控制變量的原則，設計噴嘴個數為4，直徑為1.5 mm的情況下，對不同供水壓力的降塵效果進行仿真分析。仿真結果如圖3所示。

圖3 不同供水壓力降塵效果仿真結果

從圖3可知，隨供水壓力的增加，現場降塵效果不斷增加。在噴嘴個數及通徑一定的情況，供水壓力的增加一定程上能夠確保液體獲得更好的噴霧效果，使得水霧的噴射距離增加，增加了水霧的覆蓋范圍，進而有效提升了降塵效果。因此，供水壓力為4 MPa時降塵效果最為顯著。

3.2 噴嘴個數

同樣，在供水壓力（3 MPa）和噴嘴通徑（1.5 m）一定的前提下，對比不同噴嘴數量下的降塵效果，如圖4所示。從圖4中可看出：降塵效果并不是隨著噴嘴數量的增加而提升的，當噴嘴數量為4個時，此時噴霧裝置的降塵效果為最佳。原因在于，在供水壓力和噴嘴通徑一定的情況下，隨著噴嘴數量的增加，液體的出口速度降低，使得其有效射程降低，進而降低其覆蓋范圍；且隨著噴霧出口速度的降低，其噴霧效果也降低，從而降低其降塵效果。

3.3 噴嘴通徑

在供水壓力（3 MPa）和噴嘴個數（4個）一定的前提下，對不同噴嘴直徑下噴霧裝置的降塵效果進行仿真分析，仿真結果如圖5所示。

如圖5所示，隨著噴嘴直徑的增大，噴霧裝置的降塵效果降低。原因在于，在噴嘴數量及供水壓力一定的前提下，隨著噴嘴直徑的增大，液體的出口速度降低，進而影響其霧化效果及有效射程，進而使其降塵效果降低。理論上，噴嘴直徑越小其降塵效果越好。但是，在掘進巷道中噴嘴直徑過小會容易造成噴嘴堵塞，進而間接影響其降塵效果。因此，噴嘴直徑應為1.5 mm最為適宜。

圖4 不同噴嘴數量降塵效果仿真結果

圖5 不同噴嘴直徑下降塵效果仿真結果

4 結語

在設計噴霧降塵裝置時，應根據現場情況對噴嘴與掘進機主軸線的夾角、噴嘴個數、噴嘴直徑以及供水壓力進行適應性設計，本文所設計噴嘴個數為4個，噴嘴直徑為1.4 mm，供水壓力為4 MPa，此時噴霧裝置的降塵效果為最佳。