采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)霧化途徑的優(yōu)化

邢永峰

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

為了防止采煤機(jī)工作過程中造成嚴(yán)重的粉塵擴(kuò)散，一般情況下會(huì)在采煤機(jī)的滾筒位置裝上噴霧降塵系統(tǒng)，傳統(tǒng)工藝中噴嘴的結(jié)構(gòu)是影響降塵效果的主要裝置，所以需要加強(qiáng)對(duì)采煤機(jī)噴霧裝置噴嘴結(jié)構(gòu)的研究，采用合理的霧化途徑提高噴霧降塵的效果，從而有效地改善井下工作面的工作環(huán)境。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展使得煤礦企業(yè)的開采力度不斷加大，采煤機(jī)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了許多粉塵，從而使得井下工作環(huán)境不斷惡化，環(huán)境的不斷惡化對(duì)井下作業(yè)人員的身體健康造成了很大程度的影響，同時(shí)粉塵的大量聚集可能對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)形成一定的威脅，導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生。所以需要加強(qiáng)對(duì)采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)的研究，采用科學(xué)合理的方式提升采煤機(jī)系統(tǒng)的霧化效果，有效地改善井下作業(yè)的環(huán)境，這也是煤礦企業(yè)當(dāng)前需要重點(diǎn)研究的問題。噴霧降塵系統(tǒng)是采煤機(jī)工作面中主要應(yīng)用的防塵措施，所以需要對(duì)采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)的機(jī)理進(jìn)行分析，并結(jié)合當(dāng)前采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)的現(xiàn)狀，改進(jìn)和優(yōu)化噴霧系統(tǒng)的霧化途徑。本文對(duì)汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)的霧化途徑的優(yōu)化措施進(jìn)行了分析和闡述。

1 噴霧系統(tǒng)的降塵原理分析

在采煤機(jī)噴霧裝置中的噴嘴結(jié)構(gòu)中裝有液體，而液體受到噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)和張力的作用呈現(xiàn)出發(fā)散狀態(tài)，四周的空氣會(huì)對(duì)高速噴出的液體形成擠壓作用，液體受到空氣的阻力形成液膜形態(tài)，液膜在空氣中運(yùn)動(dòng)的過程中與粉塵相互作用形成一體，從而使得粉塵顆粒呈凝聚的狀態(tài)增加了重量而降落。液體的運(yùn)行距離受到噴嘴的噴射速度影響，噴射速度越快，空氣中運(yùn)行的距離越遠(yuǎn)[1]。使得液體在空氣運(yùn)行的過程中與更多的粉塵形成碰撞而降低粉塵。空氣是濕度越大使得粉塵顆粒的凝聚力越大從而重量和體積就越大，濕潤(rùn)后的粉塵顆粒在空氣中運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)極大地吸附其他粉塵顆粒的概率。不管是哪一類粉塵物質(zhì)只要遇到空氣中運(yùn)行的液膜就會(huì)被包圍，空氣中的物質(zhì)被濕潤(rùn)后可以充分地降低粉塵顆粒在碰撞過程中反彈的概率，加強(qiáng)降塵的效果，這個(gè)過程就是粉塵的凝聚。而粉塵的慣性碰撞是指液體在運(yùn)動(dòng)過程中與粉塵碰撞，較大的粉塵顆粒受到慣性的作用會(huì)改變?cè)镜倪\(yùn)行方向；而質(zhì)量較大的粉塵顆粒與質(zhì)量較小的粉塵顆粒受到的慣性作用不同，質(zhì)量較小的顆粒會(huì)隨著氣流空間呈布朗擴(kuò)散狀態(tài)，并不會(huì)受到氣體的影響而形成流線運(yùn)行，擴(kuò)散捕集是指當(dāng)液膜與空氣中粉塵顆粒相結(jié)合，在粉塵顆粒呈無規(guī)律運(yùn)行的過程中會(huì)被液膜捕獲。

2 噴霧系統(tǒng)噴嘴結(jié)構(gòu)的工藝改進(jìn)

當(dāng)前采煤機(jī)噴霧裝置中所采用的噴嘴結(jié)構(gòu)是壓力性霧化噴嘴，然而這種噴嘴結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過程中呈現(xiàn)的性能較差，容易出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象。結(jié)合以上問題設(shè)計(jì)出一種新型的噴嘴結(jié)構(gòu)，這種噴嘴結(jié)構(gòu)是對(duì)壓力型霧化噴嘴結(jié)構(gòu)的升級(jí)改造，將一個(gè)引風(fēng)罩裝在噴嘴的外側(cè)。能夠使噴嘴噴出的液漿形成霧狀顆粒時(shí)起到引風(fēng)的作用，使得噴出的霧狀范圍更大，這種新穎的霧化噴嘴被稱為引風(fēng)霧化噴嘴，在一定程度上擴(kuò)展了降塵的范圍。由于將一個(gè)帶有中心通孔的旋流芯裝到引風(fēng)霧化噴嘴的內(nèi)部，加強(qiáng)了霧化噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)噴射出的水流，改造后的噴嘴結(jié)構(gòu)在很大程度上加強(qiáng)了液體的旋流效果，大大地提高了噴嘴的霧化效能。噴嘴噴出液體后形成的霧狀水滴會(huì)經(jīng)過引風(fēng)罩，噴嘴出口對(duì)空氣形成的前推作用力使得噴嘴周圍的空氣形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)能使氣體再次通過引風(fēng)空吸入噴嘴內(nèi)部，低速氣流和高速氣流在噴嘴內(nèi)部形成渦流旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，液滴再次受到擠壓作用而破碎，在很大程度上加強(qiáng)了霧化的效果。新型的采煤機(jī)噴霧降塵裝置的噴嘴結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 新型采煤機(jī)噴霧降塵裝置噴嘴結(jié)構(gòu)（單位：mm）

3 噴霧系統(tǒng)工藝的改造

3.1 優(yōu)化供水管路

采煤機(jī)在井下作業(yè)過程中為了提升降塵的效率，在噴霧機(jī)構(gòu)中增添了供水壓力裝置。這種裝置不但給設(shè)備造成嚴(yán)重的負(fù)載，還使得采煤機(jī)的功率消耗更大，與此同時(shí)加強(qiáng)了管道的振動(dòng)和磨損效果。采煤機(jī)噴霧除塵裝置在實(shí)際運(yùn)行中受到噴射泵數(shù)量小的影響，造成水量在空載循環(huán)過程中水溫的持續(xù)升高。采煤機(jī)在作業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生較多的水霧影響駕駛員的視線，采煤的效率也因此而降低，還會(huì)給開采工作造成一定的安全隱患。通過對(duì)以上問題分析提出了幾種霧化改造途徑，并通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)認(rèn)為雙向供水方案最為合理。經(jīng)過泵噴出的水可以先射到單向供水工作面上，之后將水分成兩路進(jìn)行供水，將一路36 mm 液壓軟管和28 mm 管路相互配合完成工作。如此一來有效地改善了管路口徑并加強(qiáng)了水量，水的溫度也因此而減低，從而有效地解決了內(nèi)部噴霧效果差的問題。

3.2 優(yōu)化冷卻系統(tǒng)與噴霧裝置

冷卻水系統(tǒng)的改進(jìn)主要應(yīng)用了反沖洗先導(dǎo)閥原理且其中包括四個(gè)通道，在第一個(gè)通道需要經(jīng)過電機(jī)和泵的水通道[2]，泵在通過軸箱水通道后與滾筒的噴嘴相連接；第二個(gè)通道將左搖臂和外側(cè)噴嘴相連接；第三個(gè)經(jīng)過水槽的通道需要與右滾筒的噴嘴相連通；第四個(gè)需要通過右搖臂，并且要與右搖臂的噴嘴相連通。噴霧裝置系統(tǒng)的優(yōu)化需要在采煤機(jī)上裝上一個(gè)新型的外噴裝置，主要是為了避免采煤機(jī)在切割的過程中覆蓋噴霧結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的外側(cè)噴霧塊從原本的一個(gè)噴霧嘴變成三個(gè)噴霧嘴。分別將兩個(gè)上下結(jié)構(gòu)噴霧嘴裝置到切割頂板和地板處，正好對(duì)應(yīng)采煤機(jī)滾筒的切割頂板和底部，能夠多角度地進(jìn)行噴霧工作。如圖2所示，管路護(hù)板改進(jìn)工藝，在原來的上護(hù)板上增加了下護(hù)板設(shè)計(jì)，以此來加強(qiáng)對(duì)左右兩個(gè)搖臂噴霧裝置的保護(hù)。

圖2 改進(jìn)后的裝置

4 噴霧系統(tǒng)材質(zhì)的選擇及路徑優(yōu)化措施

4.1 選擇抗腐蝕性和抗沖擊性的材料

采煤機(jī)在井下作業(yè)的過程中，采煤機(jī)噴霧裝置受到各方面作用力的影響，并且煤層中含有的一些物質(zhì)與采煤機(jī)噴霧材質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)對(duì)其造成腐蝕作用，所以噴霧材料是設(shè)計(jì)噴霧機(jī)構(gòu)非常重要的一項(xiàng)。不僅需要噴霧材料具有較高的耐磨性，而且要有非常強(qiáng)的抗腐蝕性和抗沖擊性能。可以將42CrMo、35CrMnsi 等合金結(jié)構(gòu)鋼作為噴霧結(jié)構(gòu)的材料。這幾種材質(zhì)具有較高的鍛造性能和抗腐蝕性能，并且具有較強(qiáng)的抗沖擊性能。

4.2 表面強(qiáng)化技術(shù)的優(yōu)化

熱噴是噴霧結(jié)構(gòu)加工過程中經(jīng)常使用的一種技術(shù)，熱噴技術(shù)的應(yīng)用需要將一些耐磨性強(qiáng)的合金添加到噴霧結(jié)構(gòu)的周圍，如此可以有效地加強(qiáng)噴霧結(jié)構(gòu)的硬度同時(shí)提高噴霧結(jié)構(gòu)的耐磨性能，并加強(qiáng)采煤機(jī)截齒刀頭的耐磨性。高合金材質(zhì)需要采用激光熔覆技術(shù)溶于噴霧結(jié)構(gòu)的表面，起到保護(hù)噴霧結(jié)構(gòu)的作用并且可以加強(qiáng)截齒的耐磨性和硬度，使用的壽命也會(huì)有效延長(zhǎng)。改進(jìn)后的技術(shù)通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，利用激光熔覆技術(shù)改進(jìn)的噴霧結(jié)構(gòu)，不僅可以有效地提高使用采煤機(jī)部件的使用壽命并且是未使用激光熔覆技術(shù)的3 倍。與此同時(shí)，改進(jìn)后的涂層工藝能夠保證噴霧結(jié)構(gòu)不變性。通過對(duì)涂層技術(shù)的不斷研究發(fā)現(xiàn)，等離子束表面冶金技術(shù)的耐磨性和硬度更強(qiáng)。這種技術(shù)是在原來的熔覆、堆焊等工藝上進(jìn)行的改造，以粉末狀呈現(xiàn)，能夠進(jìn)行任意的配比，之后與噴霧機(jī)構(gòu)自身的涂層進(jìn)行結(jié)合形成密度均勻的合金層。此種方式可以更好地延長(zhǎng)噴霧結(jié)構(gòu)的使用壽命，采煤機(jī)的維護(hù)和更換成本也因此降低。

5 噴霧系統(tǒng)改造后的應(yīng)用效果

當(dāng)對(duì)采煤機(jī)噴霧結(jié)構(gòu)的裝置進(jìn)行改造后將其應(yīng)用到實(shí)際的作業(yè)中，發(fā)現(xiàn)改造后的噴霧結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果非常好[3]，大大提高了噴霧降塵的工作范圍，并且加強(qiáng)了噴射的水量和強(qiáng)度，采煤機(jī)的冷卻效果也得到了強(qiáng)化，與此同時(shí)延長(zhǎng)了噴霧結(jié)構(gòu)噴頭的使用壽命。表層的涂層對(duì)外噴管道起到了很大的保護(hù)作用，有效地避免了出現(xiàn)管道破碎的問題，為井下作業(yè)的安全生產(chǎn)提供了有效的保障。改造后的噴霧結(jié)構(gòu)從某個(gè)角度分析降低了企業(yè)的投資成本，通過加強(qiáng)采煤機(jī)的冷卻效果有效地降低了采煤機(jī)的消耗。截齒的使用壽命延長(zhǎng)降低了截齒的更換次數(shù)，并且有效地降低了工作面的灰塵，提高了采煤效率，井下工人的安全生產(chǎn)得到了保障。通過對(duì)以往的采煤機(jī)截齒的消耗統(tǒng)計(jì)，平均每年需要更換9 個(gè)左右，而進(jìn)行技術(shù)改造后截齒每年的平均消耗降低到4 個(gè)左右，在很大程度上降低了截齒的消耗數(shù)量。

8 個(gè)月的試驗(yàn)期間截齒消耗統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 8 個(gè)月試驗(yàn)期間截齒消耗統(tǒng)計(jì)

噴霧結(jié)構(gòu)改進(jìn)后提高了煤的質(zhì)量。將兩個(gè)高壓管上分別裝置一個(gè)截止閥，有利于高巖軟管的單獨(dú)操作，能夠更好地調(diào)節(jié)噴霧的外流速度并且可以單獨(dú)關(guān)閉，不需要另外噴涂，從而保證了煤的質(zhì)量。與此同時(shí)工作環(huán)境的質(zhì)量也得到很大的改善，為工人的安全與健康奠定了良好的基礎(chǔ)。將一個(gè)新的外部噴霧裝置連到原本的采煤機(jī)外噴裝置上，不需要采用減壓處理就可使水源直接引入進(jìn)水口，從而保證噴霧壓力的合理性，充分地起到噴霧降塵的效果，并且有效地改善了工人的工作環(huán)境。搖臂結(jié)構(gòu)的改造可以有效地保護(hù)噴水管，從而對(duì)采煤機(jī)的整體起到保護(hù)作用。

6 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)高陽(yáng)煤礦采煤機(jī)噴霧結(jié)構(gòu)裝置霧化途徑的改造，可以大大地提高采煤機(jī)的工作效果，并且對(duì)采煤機(jī)的各個(gè)部件起到了很強(qiáng)的保護(hù)作用，為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益帶來了更多的保障。