掘進機工作面泡沫除塵系統的設計及應用

張旭峰

（陽煤寺家莊有限責任公司開拓三隊， 山西 晉中 045300）

引言

隨著采掘技術和巷道掘進速度的不斷提升，所產生的粉塵也在不斷增加，嚴重威脅著掘進工作面作業人員的身體健康。為此，急需一款有效的降塵裝置服務于巷道的掘進機[1]。噴霧降塵裝置作為當前應用較為廣泛的降塵措施，盡管其能夠實時跟蹤產塵點達到高效降塵的效果，但是，噴霧裝置的降塵耗水量大，且在實際應用中容易出現噴嘴阻塞的問題。為解決噴霧裝置的上述缺陷，提出了泡沫除塵的技術。

1 掘進工作面產塵特點的分析

掘進工作面的粉塵主要來源于機械打眼產生的粉塵、裝車和裝載點產生的粉塵。其中，機械打眼產生的粉塵為原生粉塵，占據掘進工作面全部粉塵的80%左右。因此，針對機械打眼產生的粉塵為掘進工作面粉塵防治的重點[2]。裝車和裝載點產生的粉塵為次生粉塵，即積累與地面及表面的粉塵在外界的作用下重新揚起的粉塵。

目前，應用于實際生產的降塵措施主要有利用掘進機內噴霧裝置、外噴霧裝置進行降塵除塵操作；采用壓入式風筒產生螺旋風流達到降塵的目的；在掘進機司機的位置處設置擋塵屏障，在此基礎上利用除塵器所產生的負壓吸收粉塵達到降塵的目的。經實踐應用可知，上述降塵措施或多或少的存在一定的缺點，導致無法實現高效的除塵[3]。經對比分析，噴霧除塵的改造成本最低。針對噴霧降塵裝置耗水量大且噴嘴易堵塞的缺陷，本文基于泡沫除塵技術解決上述問題。

2 發泡器的設計

泡沫除塵技術的核心為發泡器的設計。目前，泡沫發泡器主要包含有網式、液體射流式、渦輪式、同心管式以及擋板式泡沫發泡器。經對比分析，上述各類泡沫發泡器或多或少存在一定的缺陷。其中，擋板式泡沫發泡器應用于掘進工作面容易造成堵塞；渦輪式泡沫發泡器的結構相對復雜，其制造成本較高，不適用于掘進工作面中；其他類型的泡沫發泡器對發泡條件比較嚴苛。綜上所述，本文將針對掘進工作面設計成本低、結構簡單、維護方便的新型泡沫發泡器。

2.1 發泡器的功能要求

掘進工作面泡沫除塵效果與泡沫的效果相關，而泡沫的效果與發泡器及發泡條件息息相關。因此，為確保泡沫質量對發泡器提出如下要求：保證發泡器內的氣體和液體形成高速紊流；確保液體能夠形成相對分散的薄膜，增大氣體與薄膜的接觸面積；確保所產生的泡沫為細小均勻的；確保在發泡過程中不會出現堵塞的現象[4]。

2.2 發泡器結構參數的設計

結合2.1所提出的發泡器的功能要求，為確保發泡器內氣體和液體形成高速紊流，在發泡器的入口設計成文丘里管的樣式，加裝擾流器，增大氣體與薄膜的接觸面積，增加擋板，確保所產生的泡沫細小而均勻，如圖1所示。

如圖1所示，發泡器的關鍵結構為漸縮管（2）、喉管（3）、漸擴管（4）、擾流器（5）以及擋板（9）。發泡器關鍵結構尺寸如下頁表1所示。

表1 發泡器關鍵結構尺寸 mm

3 發泡質量影響因素的分析

發泡器產泡量除了與上述機械結構相關外，還與外界因素相關。外界因素主要指：供氣量、供氣壓力、供液量及發泡劑的濃度等。本文將對比分析上述各外界參數對發泡量的影響程度，并確定具體的發泡條件，已達到最佳的發泡效果。影響發泡量外界因素如表2所示。

表2 外界因素統計表

采取控制變量的原則，對比分析不同外界因素條件下發泡器的發泡量。經過反復試驗得出如圖2所示的關系曲線。

分析圖2可知：在供液量一定的前提下，發泡量隨著供氣量先增大后減小的趨勢變化，發泡量與供氣壓力呈平穩變化趨勢，且最佳供氣壓力為0.3～0.5 MPa；在供氣壓力一定的前提下，發泡量隨著供液量的增加而增加，且當供液量增加到一定程度后其發泡量增幅不明顯；在供液量一定的前提下，發泡量隨著泡沫劑濃度的增加呈現先增大后減小的變化趨勢，其最佳發泡量的泡沫劑濃度應在0.4%～0.6%之間。

圖2 外界因素與發泡量關系曲線

綜上所述，該發泡器的最佳發泡條件如下：供液量在35～50 L/h；供氣量在35～45 m3/h;供氣壓力在0.3～0.5 MPa；泡沫劑濃度在0.4%～0.6%的范圍之內。

4 泡沫除塵效果驗證

基于本文所設計的泡沫發泡劑設計對應的泡沫除塵方案并將其應用于掘進工作面的實際掘進過程中，并在該工作面選取5個位置進行粉塵濃度的監測，對比采用泡沫除塵和噴霧除塵的效果[5]。對比結果如表3所示。

表3 不同除塵方案降塵效果對比

經應用對比可知，采用泡沫除塵效率的55%優于采用噴霧裝置除塵效率的32%。即，說明本文所設計泡沫除塵器發泡劑及發泡條件的可行性和高效性。

5 結論

1）經反復試驗得出該發泡器的最佳發泡條件為：供液量在 35～50 L/h；供氣量在 35～45 m3/h;供氣壓力在0.3～0.5 MPa；泡沫劑濃度在0.4%～0.6%的范圍之內。

2）本文所設計發泡劑及發泡條件的泡沫除塵方案的降塵效率可達55%，遠大于噴霧降塵的32%。