綜采及掘進工作面強力除塵裝置的設計

梁 先

（山西平舒煤業有限公司， 山西 壽陽 045400）

引言

當前，隨著綜掘工作面生產效率的不斷提升，作業人員對其工作環境提出了更高的要求。傳統噴霧降塵措施不僅耗水量大，噴頭容易阻塞，無形中增加了煤炭開采的成本；更重要的是其降塵效果不佳。因此，設計了一款泡沫降塵裝置。

1 泡沫降塵機理研究

綜掘工作面采用泡沫降塵能夠有效降低其粉塵、煤塵濃度的機理主要體現在以下幾個方面：

1）泡沫能夠無限擴散至綜掘設備的截割四周，從而能夠阻斷粉塵的傳播源頭。

2）泡沫相對于噴霧而言，泡沫與粉塵、煤塵相接觸的面積較大，從而極大增加了泡沫與粉塵、煤塵相接觸概率，阻斷了粉塵、煤塵的傳播途徑。

3）泡沫制備過程中添加的活性成分能夠明顯降低水的表面張力，從而能夠有效改善粉塵的濕潤性能，縮短粉塵被濕潤的時間。即，泡沫降塵措施對呼吸性粉塵、煤塵的治理效果最佳。

4）泡沫能夠吸附于煤塵或落煤上，在其上形成一層泡沫保護層，從而有效抑制了粉塵、煤塵的二次揚塵的效果[1-2]。

2 泡沫降塵裝置的設計

2.1 泡沫除塵裝置的系統組成

泡沫除塵裝置的結構組成如圖1 所示。

如圖1 所示，泡沫除塵裝置主要由五部分組成，分別為泡沫液添加裝置、高壓膠管、發泡器、泡沫噴射裝置以及泡沫傳輸膠管。泡沫液及其添加劑加入泡沫添加裝置中，經高壓膠管進入發泡器中；經發泡器產生泡沫后由泡沫噴射裝置形成高壓泡沫再由傳輸膠管噴射至工作面，實現對綜掘工作面降塵的目的[3]。

圖1 泡沫除塵裝置結構示意圖

2.2 發泡器結構尺寸的設計

發泡器作為泡沫降塵裝置的核心部件，直接決定其噴射出泡沫的質量，最終決定綜掘工作面降塵效果。本發泡器是基于文丘里管設計而成的，為達到最佳泡沫發生效果，需對文丘里管內各部分尺寸進行詳細設計[4]。

結合泡沫除塵裝置在實際應用中的流量及流速，并在查閱機械手冊的基礎上，設計發泡器的最大通徑為97 mm，修正為D0=100 mm，設計發泡器的進水口直徑d=30 mm。則有：

喉管直徑d3=d/3=10 mm；喉嘴距Lm=6d3=60 mm；喉管長Lk=3d3=30 mm；漸縮管大端直徑D1=D0=100 mm；漸縮管長度L1=3d3=30 mm；漸擴管大端直徑D2=D0=100 mm；漸擴管長度經計算得出發泡器文丘里管的結構尺寸如圖2 所示。

圖2 文丘里管尺寸結構示意圖

2.3 泡沫噴射裝置的設計

泡沫噴射裝置決定泡沫最終的噴射覆蓋面積，從而決定綜掘工作面的降塵效果。經對比研究，泡沫噴頭采取一字形結構，將采煤機或者掘進機滾筒的截齒進行包裹，從而防止粉塵、煤塵的擴散[5]。綜合考慮掘進機滾筒的直徑及泡沫噴頭的傾角、泡沫噴射裝置的噴射距離，擬定在噴射裝置上安裝6 個噴頭，其安裝示意圖如圖3 所示。

2.4 泡沫降塵裝置的安裝

鑒于掘進機在實際掘進過程中會有大塊巖石出現，為了避免降塵裝置被破壞，將其安裝于掘進機機身的后端，并根據現場工作面情況對降塵裝置的位置進行調整。降塵裝置在掘進機上的安裝示意圖如圖4 所示。

圖3 噴頭安裝示意圖

圖4 泡沫降塵裝置安裝示意圖

如圖4 所示，壓風管為發泡器提供穩定的氣源，壓水管為發泡器提供穩定水源，與發泡劑經添加泵進在比例混合器中充分混合后進入發泡器中。由發泡器所產生泡沫經高壓膠管進入泡沫分配器中，繼而分配至各個噴頭，由噴頭將泡沫噴出，達到對工作面降塵的目的。

3 泡沫降塵裝置的應用

3.1 應用背景

以我礦S645 掘進工作面為研究載體，該掘進工作面巷道橫截面積為5.2 m2，該工作面所屬煤層為地瓦斯礦井，基本頂為泥巖、粉砂巖，直接頂為粉砂巖。即，在掘進過程中所產生粉塵的濃度較大。目前，該工作面主要采用噴霧降塵措施。但是，在實際應用中發現采用噴霧降塵時耗水量大，且噴嘴容易被阻塞，嚴重影響了綜采工作面的降塵效率。故，將本文所設計泡沫降塵裝置應用于其中，以對比前后兩種降塵措施的效果。

該工作面采用噴霧降塵措施后，在司機操作位置所測得的粉塵質量濃度為4 531 mg/m3，掘進機機身后5 m 所測得粉塵質量濃度為3 621 g/m3。

3.2 應用效果

根據如圖4 所示的安裝示意圖，將泡沫降塵裝置安裝于掘進機機身，并為其提供穩定的水源和風源。其中，水源的壓力為0.5 MPa，風源的壓力為0.5 MPa，發泡器中泡沫添加劑的比例為2.5%。對該工作面司機位置處，掘進機機組5 m 后，距迎頭50 m、100 m 處四個位置的粉塵濃度進行監測。監測結果如表1 所示。

表1 泡沫降塵效果對比表

如表1 所示，采用泡沫降塵裝置后工作面的降塵效果明顯得到提升，其中距離噴霧裝置安裝位置越近的位置改善效果最佳。其中，司機位置處的改善效率高達93.3%，距離迎頭100 m 處降塵改善效果僅為56.7%。究其原因，在于距迎頭100 m 的位置處粉塵的粒度較大，粉塵、煤塵可依靠自身重力達到降塵目的，而距迎頭50 m 的粒度較小，粉塵、煤塵處于懸浮狀態。

綜上所述，采用噴霧降塵裝置后能夠明顯改善作業人員的工作環境。

4 結論

將本文設計的泡沫降塵裝置應用于S645 掘進工作面。經現場測試可知，泡沫降塵裝置能夠有效降低司機位置處的粉塵濃度，為作業人員提供安全、舒適的作業環境奠定了基礎。