掘進機降塵系統的設計

呂奇峰

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司， 山西 晉中 045300）

引言

煤炭開采主要包括掘進工作面巷道的掘進和綜采工作面煤層的開采兩項任務。其中，威脅綜掘工作面安全生產的因素主要包括有粉塵、瓦斯以及設備的可靠性等。其中，粉塵問題存在于掘進和綜采工作面。對于掘進工作面而言，巷道在掘進過程中其屬于盲道，掘進機在實際工作中所產生的粉塵很難在短時間內迅速擴散，是掘進工作面的主要威脅源。粉塵污染不僅制約著巷道的掘進效率，還嚴重威脅著作業人員的身心健康[1]。為此，有效降低甚至消除掘進工作面的粉塵污染是十分有必要的。鑒于掘進機在掘進過程中產塵點是時刻變化的，因此設計一款與掘進機工作需求及其實時工作位置相匹配的降塵系統才能有效解決掘進工作面粉塵污染的問題，改善掘進工作面的工作環境。本文將根據實際生產需求，設計一款旋轉噴霧降塵系統。

1 掘進機產塵機理研究

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，即積累于地面及表面的粉塵在外界的作用下重新揚起的粉塵。由于掘進巷道內風速及粉塵擴散特性等因素，掘進工作面粉塵濃度時刻變化，如表1 所示。

表1 掘進工作面粉塵質量濃度變化情況

由表1 可知，距離掘進機3 m 范圍內粉塵濃度最大，即嚴重威脅著作業人員的身心健康。隨著巷道的不斷掘進，盡管粉塵濃度降低，但是，粉塵覆蓋于整個工作面增加了降塵的難度。

目前，應用于掘進巷道的防塵技術主要采用風幕、泡沫、布袋等裝置達到降塵的目的，還有基于抽塵凈化等防塵措施[3]。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。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。

2 掘進機降塵系統的設計

經對掘進機產塵機理的分析可知，實現對掘進工作面降塵的主要手段為對原生粉塵的消除。因此，本文將根據掘進機工況設計旋轉噴霧降塵系統對塵源處的粉塵進行治理。

2.1 降塵方案的設計

為確保降塵系統能夠實時跟蹤截割頭的工作位置，將噴霧降塵裝置安裝于掘進機截割大臂尾端的平臺上（安裝示意圖如圖1 所示），并將噴嘴傾斜布置，以至于各個噴嘴噴出的水霧形成一定的角度，使得靜態噴霧改進為動態旋轉噴霧，噴頭所噴出的水霧將掘進機截割頭包裹住，進而覆蓋整個掘進巷道斷面，達到有效的降塵效果[4]。

如圖1 所示，為確保噴霧降塵裝置不會被掘進過程中所產生的巖石塊砸壞，為其設計對應的安裝支架和防護裝置。

圖1 噴霧降塵裝置安裝位置示意圖

2.2 噴霧降塵裝置關鍵部件的設計

為確保噴霧裝置所噴水霧的壓力接近于入水口的壓力，要求將分水軸中的壓力損失降至最低。分水軸壓力損失的計算公式如式（1）所示：

式中：Δpe為分水軸壓力損失；μ 為液體的運動黏度，取μ=1×10-6m2/s；l為分水軸管道的長度；v為分水軸內液體的流速；ρ 為分水軸內液體的密度，取ρ=1×103kg/m3；d為分水軸管內徑。

根據噴霧降塵裝置的結構尺寸，取分水軸的長度l=186 mm，分水軸管道內徑d=10 mm；設定降塵裝置的最大耗水量Q=60.6 L/min。根據式（2）得出分水軸內液體的流速。

經計算，得出v=12.9m/s。將上述計算結果代入式（1）可得，分水軸管道內壓力損失為414 Pa，可見其壓力損失較小，可忽略不計，滿足將壓力損失將至最低的要求，因此符合標準要求。

此外，降塵裝置水槽蓋圓錐面的傾斜角是決定所噴出水霧是否能夠覆蓋整個掘進機截割頭的關鍵參數。結合該掘進機工作面的巷道寬度為4 m，噴霧裝置的有效射程為1.5 m，且每個噴霧裝置之間的距離為1 m。經計算可知，滿足上述生產條件所需的最小水槽蓋圓錐面的傾斜角為45°。

2.3 噴嘴直徑的確定

噴嘴直徑過大或者過小將直接決定噴霧效果。為此，本文以噴嘴數量為4 個，工作壓力分別為3 MPa、4 MPa 為背景，基于試驗對比噴嘴直徑為1 mm、1.5 mm以及2 mm 的噴霧效果。對比結果如表2、表3 所示。

對比表2、表3 可知，當噴嘴直徑為1.5 m 時，該噴霧降塵系統的覆蓋范圍、噴霧最大射程均為最佳。當噴嘴直徑過大，而工作壓力不夠大時所噴出水霧的直徑過大，導致其覆蓋范圍及最大射程較小，而且直徑過大所噴出的水霧容易在工作面與粉塵混合為泥漿。當噴霧直徑過小時，盡管其水霧直徑能夠達到最小，但是在惡劣的掘進工作面中容易造成噴嘴阻塞，降低其降塵效率[5]。因此，應將噴嘴直徑設定為適中即可。此外，在一定噴嘴直徑下應將系統的工作壓力根據現場實際情況設定為可達到的最大值。

3 噴霧系統的工業性試驗

將本文所設計噴霧系統應用于掘進工作面，并采用側塵儀對距離掘進機截割頭固定位置的粉塵濃度進行對比。對比結果如表4 所示。

表2 工作壓力為3 MPa 時不同噴嘴直徑的噴霧效果

表3 工作壓力為4 MPa 時不同噴嘴直徑的噴霧效果

表4 降塵效果

分析表3 可知，該降塵系統對掘進機司機所在位置及距離截割頭3 m 處的降塵效果最為明顯，在一定程度上達到降塵的目的。

4 結語

粉塵污染是影響掘進及綜采工作面生產的主要威脅源，實現對其的有效消除或者降低能夠有效提升掘進工作面和綜采工作面的生產效率，為工作面作業人員的身心健康提供保障基礎。本文所設計的噴霧降塵裝置能夠根據掘進機的實時工作位置對其塵源處的粉塵進行有效效果。經工業性試驗表明：該噴霧降塵系統能夠有效降低司機所在位置處及距離截割頭3 m 位置處的粉塵濃度，其降塵效率可達77.35%。