采煤機機載噴霧引射除塵裝置的設計及應用

孟凡龍 高理鵬 徐士龍

（山東能源棗礦集團高煤公司，山東 濟寧 277600）

隨著煤礦開采設備的快速更新，各生產礦井大量使用大功率采煤機進行截煤作業。在截煤過程中會產生大量的煤塵和粉塵，如果降塵效果不理想，煤塵、粉塵懸浮在空氣中，濃度達到一定極限，遇到高溫或明火會有煤塵和瓦斯爆炸的危險。山東能源棗礦集團高煤公司井下采煤機截煤過程中的粉塵主要是采用內外噴霧進行降塵作業，從實踐應用效果可知，在截煤逆風狀態下，采煤機機面與搖臂根部區域粉塵濃度過高，危害較大。因此，針對性地設計了引射除塵的機載噴霧除塵裝置[1-6]，對采煤機截煤作業過程導致的粉塵濃度過高問題進行治理。

1 機載噴霧引射除塵裝置的基本原理

基于引射除塵的機載噴霧除塵裝置其工作原理如圖1。噴嘴經由管內向管外進行噴霧的噴射作業時，形成的擴散水霧直徑如果大于鋼管內徑，噴射過程中就會出現水霧活塞，形成的水霧產生動力將鋼管前段空氣連續推出去，在鋼管后段可形成有效的真空狀態，使吸氣口區域位置達到負壓狀態，進而實現將環境中的含塵氣流吸入噴射鋼管的目的。

圖1 基于引射除塵的機載噴霧除塵裝置原理示意圖

噴射鋼管內水霧和粉塵之間經相互碰撞形成霧滴，經噴嘴從鋼管高速噴出后就會進行快速沉降，實現一次降塵的目的；在噴嘴噴射高速霧滴的過程中還可以卷吸環境中的含塵氣體一起進入到射流當中，對含塵氣體進行洗滌，實現二次降塵的目的。

2 噴管引射風量的引射試驗研究

2.1 設計試驗系統

將噴管在單位時間內吸入的空氣體積量定義為噴管引射風量，基于噴管引射除塵技術可以采用引射風量指標來對其性能進行評定。引射風量的大小與含塵氣體吸入量為正比例關系，引射風量的數值越大，含塵氣體的吸入量越大，降塵效果較為理想。

從噴射裝置的工作原理可知，影響噴管引射風量的參數主要有喉管長度、喉管直徑、噴嘴類型、噴霧壓力四個。為全面研究噴管引射風量的影響因素，設計了噴管引射風量影響因素試驗裝置圖，如圖2。補償式微壓計測量噴管進風口位置負壓數值；采用溫度計和氣壓計測量工作環境溫度和氣壓，經計算得到引射風量值；采用流量傳感器測量噴嘴流量數值。

圖2 噴管引射風量影響因素試驗裝置示意圖

噴射測試裝置設計如圖3。噴管采用典型的文莊里管，主要包括噴嘴安裝座、喉管、減擴段、漸縮段、微壓計測試孔。

圖3 文莊里管噴射測試裝置設計示意圖

噴嘴為噴管的核心零部件，安裝在噴管中部，一般是采用高壓噴嘴增加引射風量。

2.2 正交試驗方案設計

喉管直徑分為Φ100 mm、Φ200 mm、Φ300 mm 共3 種；噴嘴類型分為SD314 型、SB403 型、SD314 型共3 種；噴霧壓力設置4 MPa、6 MPa、8 MPa。試驗按L9（34）正交表進行。

2.3 試驗結果分析

經正交試驗結果分析可得，噴霧引射除塵裝置中喉管確定采用直徑Φ300 mm；選用SD314 型噴嘴（孔徑Φ2.5 mm、霧化角60°）；噴霧壓力設置為6 MPa。

3 采煤機引射除塵的機載噴霧除塵裝置的設計

從采煤機截煤作業現場可知，當采煤機進行逆風截煤作業時，產生的高濃度粉塵會在采煤機設備自身阻擋下分兩個方向進行運移。一部分粉塵沿采煤機的機面運移，一部分在擴散作用下進入支護支架內。因此，需要在機載噴霧除塵裝置中設置兩組噴管來分別對以上兩部分運移的粉塵進行降塵處理。

基于引射除塵原理的采煤機機載噴霧除塵裝置設計如圖4。由噴霧引射在噴管內產生負壓作為動力源，從而實現對環境高濃度粉塵的降塵處理。為提高降塵效果，機載噴霧除塵裝置中將2 個噴管并列組合形成噴管組，用來提高裝置的引射風量。同時，在裝置的引射出口位置設置有導流板，對高速水霧噴射方向進行引導和調整。

圖4 機載噴霧除塵裝置設計示意圖

4 現場應用及效果分析

4.1 工程概況

山東能源棗礦集團高莊煤業有限公司（簡稱高煤公司）井田面積32 km2，地質儲量2.7 億t，可采儲量1.01 億t，設計生產能力320 萬t/a。礦井開拓方式為立井分區式集中下山開拓，設主井、副井、風井3 個井筒。高煤公司3上1108 工作面位于西十一采區西翼，走向長度1215 m，傾向長度282.7 m，主采3上煤層。煤層厚度為2.9～6.1 m，平均厚度5.25 m，含一層夾矸，厚度為0.19～0.45 m；煤層傾角2°～10°，平均傾角7°；總體為一單斜構造，煤巖層產狀較穩定。

4.2 現場應用及效果分析

3上1108 工作面采用MG400/900-WD 型采煤機進行截煤作業，采高3.8 m。MG400/900-WD 型采煤機以往采用內外噴霧進行降塵作業，效果不佳。為有效控制采煤機截煤過程中的粉塵濃度，將設計的新型機載噴霧除塵裝置在采煤機上進行改造安裝，并投入實際應用。

改造前后，對采煤機截煤過程產生的呼吸性粉塵濃度進行監測，監測結果見表1。

從表1 數據可知，應用機載噴霧引射除塵裝置后，呼吸性粉塵濃度大幅度下降，對比應用前呼塵平均降塵率達59.58%。這表明：機載噴霧除塵裝置對采煤機截煤過程中產生的粉塵起到了較好的降塵作用，可促進煤礦安全生產。

表1 機載噴霧除塵裝置應用前后粉塵濃度

5 結語

山東能源棗礦集團高煤公司井下采煤機截煤過程中的粉塵主要是采用內外噴霧進行降塵作業，在截煤逆風狀態下，采煤機機面與搖臂根部區域粉塵濃度過高，危害較大。設計了一種基于噴霧引射管的噴霧除塵裝置，并探索了影響管實際引射風量大小的因素。應用結果表明：機載噴霧引射除塵裝置能有效降低采煤機順風和逆風區域的粉塵濃度，對比之前呼塵平均降塵率達59.58%，大幅度提高除塵效率。機載噴霧引射除塵裝置結構簡單，成本低廉，安裝、檢修、更換方便，使用后降塵效果良好，在降低煤塵、粉塵的同時，可促進煤礦安全生產。