掘進機降塵裝置的優化研究

李龍基

（華陽新材料科技集團有限公司五礦，山西 陽泉 045000）

引言

掘進機是煤礦井下掘進作業的核心，其工作特性直接決定了巷道掘進的效率和安全性，由于掘進機在截割作業過程中會產生大量的粉塵，不僅遮擋視線，影響掘進作業安全，而且還會對掘進面作業人員的身體健康產生較大的影響。目前對掘進作業面的降塵主要是利用掘進機上的外置式噴霧降塵裝置，管路結構相對復雜、除塵效率低、噴嘴易堵塞，無法滿足高速掘進時快速降塵的需求，只能通過降低巷道掘進速度的方式來滿足井下掘進作業，嚴重限制了井下巷道掘進效率的提升。因此，本文提出了一種新的掘進機降塵裝置。

1 噴霧降塵裝置結構

針對現有的外置式噴霧降塵裝置的不足，本文提出了一種新的內置式的負壓降塵裝置，能夠在截割裝置的局部形成一個負壓空間，把截割后尚未擴散的粉塵給吸入到裝置內部進行過濾，從而有效地降低掘進作業時的粉塵濃度，具有結構緊湊、除塵效率高的優點，其整體結構如圖1所示[1]。

由圖1可知，該內置式除塵裝置主要由7個部分組成，吸入結構和鍵軸通過花鍵相互連接，除塵收集器、過濾裝置等均通過螺栓和負壓管路相組合。在負壓降塵系統的尾部設置有負壓泵，用于為整個系統提供真空負壓，掘進機在進行截割作業時，在吸入結構的端部形成一個局部的負壓區，截割作業時產生的粉塵在負壓作用下進入到除塵收集器和過濾裝置內，經過過濾后的粉塵經過排塵口排出，過濾后的空氣則通過排氣口排出，

圖1 內置式負壓除塵裝置結構示意圖

2 巷道掘進模型的建立

為了對該降塵裝置的實際降塵效果進行分析，利用CATIA仿真分析軟件建立帶負壓降塵裝置的掘進機截割頭三維模型，然后利用EDEM軟件建立煤壁的仿真分析模型[2]，對截割過程中的降塵情況進行實際仿真分析。

根據掘進機截割作業時的實際轉速，在仿真分析時截割轉速設置為60 r/min，進給速度設置為90 mm/min。為了最大限度地模擬井下煤壁的實際物理狀態，設置煤壁的泊松比為0.35，剪切模量為9.45×1010Pa，煤層密度為2 783 kg/m3，煤層的靜摩擦因數為0.56，粉塵的直徑設置為0.05～1.5 mm，符合實際掘進作業時的粉塵直徑狀態。為了防止粉塵在除塵裝置內的堵塞，根據煤粒直徑和密度分布，在仿真分析時其流速應選擇不低于32 m/s。

在仿真分析時必須考慮管路內的壓力損失，水平管路內的沿程靜壓力損失設置為217.02 MPa，在真空吸附力的作用下粉塵在管路內的加速壓力損失設置為192.71 MPa，在管路接頭位置的總的局部壓力損失可設置為55.72 MPa，負壓裝置的吸塵功率不低于0.19 kW，截割仿真分析模型如下頁圖2所示[3]。

圖2 截割機構截割仿真分析模型

3 不同孔徑除塵性能的研究

由于煤礦井下的環境相對復雜，截割作業時的粉塵濃度變化大，因此對內置式負壓吸附裝置的吸附要求更高，既不能出現堵孔的情況，也不能影響除塵的效率，因此在仿真分析時對孔徑為16 mm（方案一）、22 mm（方案二）、28 mm（方案三）三組不同孔徑下的除塵特性進行研究，通過對除塵裝置內煤塵和巖塵顆粒的累計質量統計[4]，進而獲取實際的除塵率。截割作業過程中區域內的煤塵累積質量變化情況如圖3所示。

圖3 區域內煤塵累積質量變化示意圖

由圖3可知，隨著仿真時間的增加，除塵裝置內粉塵的累積質量逐漸增加，在第20 s時方案一情況下粉塵累積質量為4 822.76 mg，方案二情況下的粉塵累積質量約為5 172.4 mg，方案三情況下的粉塵累積質量約為5 927.7 mg，由此可知，當降塵裝置孔徑為28 mm的情況下，系統對煤塵的降塵作用最好。

截割作業過程中，區域內的巖塵累積質量變化情況如圖4所示。

由圖4可知，隨著仿真時間的增加，除塵裝置內巖塵的累積質量逐漸增加，在第20 s時方案一情況下巖塵累積質量為0.051 1 mg，方案二情況下的巖塵累積質量約為0.056 2 mg，方案三情況下的巖塵累積質量約為0.058 6 mg，由此可知，當降塵裝置孔徑為28 mm的情況下，系統對巖塵的降塵作用最好。

圖4 區域內巖塵累積質量變化示意圖

由此可知，當負壓除塵裝置的進氣口直徑為28 mm的情況下具有最佳的降塵效果，同時通過對掘進機降塵方式的優化，能夠進一步提升掘進機掘進作業的速度，將巷道掘進效率提升7.2%，將粉塵濃度降低44.1%，對提升煤礦井下巷道掘進作業的經濟性和安全性具有十分重要的意義。

4 結論

1）內置式負壓降塵裝置，能夠在截割裝置的局部形成一個負壓空間，把截割后尚未擴散的粉塵給吸入到裝置內部進行過濾，從而有效降低掘進作業時的粉塵濃度，具有結構緊湊、除塵效率高的優點；

2）利用仿真分析的方法能夠對截割作業過程進行仿真，模擬不同情況下的降塵效果，當負壓除塵裝置的進氣口直徑為28 mm的情況下的降塵效果最優；

3）新的降塵系統能夠提升巷道掘進效率，將巷道掘進效率提升7.2%，將粉塵濃度降低44.1%。