采煤機(jī)降塵裝置的設(shè)計(jì)研究

張 博

（大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司生產(chǎn)技術(shù)科， 山西 大同 030724）

引言

采煤機(jī)將煤炭從煤壁上剝離及落煤的過程中會(huì)形成大量的微小煤炭顆粒，在綜采區(qū)域形成粉塵懸浮區(qū)，不僅易導(dǎo)致綜采區(qū)工作人員罹患“塵肺病”等也會(huì)使綜采面的能見度急劇的降低，加大了綜采面工人因視線受阻造成工傷的隱患[1]，嚴(yán)重阻礙了綜采面的開采工作，因此迫切需要針對(duì)采煤機(jī)在綜采過程中的塵源分布及采煤機(jī)特點(diǎn)，對(duì)采煤機(jī)在切割煤層至煤炭顆粒擴(kuò)散過程中實(shí)施有效的降塵措施，降低綜采面的粉塵濃度。

1 采煤機(jī)產(chǎn)塵機(jī)理分析

采煤機(jī)的滾筒在巷道內(nèi)切割煤壁時(shí)，煤層逐漸受到旋轉(zhuǎn)截齒的擠壓，使受擠壓區(qū)域內(nèi)煤層的密度和強(qiáng)度加大，這部分的煤層稱之為煤塊的壓固核。壓固核不僅增加了采煤機(jī)在截割煤層時(shí)的阻力而且隨著截齒的不斷旋轉(zhuǎn)，使截齒對(duì)煤層的擠壓力不斷上升，直到壓固核與煤層產(chǎn)生分離，其過程如圖1所示。截齒在切割煤層的過程中壓固核越大，其與煤層分離時(shí)產(chǎn)生的粉塵的量就會(huì)越多，特別是隨著采煤機(jī)截齒的磨損，使其在切割煤層時(shí)與壓固核之間會(huì)產(chǎn)生更大的擠壓與摩擦，在壓固核破裂過程中的動(dòng)載荷會(huì)使之間的裂隙增加，從而產(chǎn)生更多的粉塵顆粒。當(dāng)粉塵脫離壓固核之后會(huì)隨高速旋轉(zhuǎn)的滾筒進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)，距滾筒中心距離的增加其速度逐漸減少，直至粉塵逐漸的降落到地面上。

根據(jù)采煤機(jī)在切割巖壁過程中壓固核的形成過程、產(chǎn)塵機(jī)理，以及采煤機(jī)在落煤過程中粉塵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可分析出采煤機(jī)產(chǎn)塵的主要區(qū)域是滾筒在破煤時(shí)的落煤區(qū)。

圖1 壓固核形成過程及產(chǎn)塵機(jī)理

2 負(fù)壓降塵原理

根據(jù)云物理學(xué)的原理，潮濕的氣體在冷卻的時(shí)候，當(dāng)水蒸汽趨于飽和時(shí)遇到粉塵顆粒，就能夠?qū)⒎蹓m顆粒進(jìn)行包裹并捕獲。當(dāng)含有粉塵顆粒的氣流在通過水霧層時(shí)，運(yùn)動(dòng)的過程中在慣性力的作用下，氣流內(nèi)的粉塵顆粒將會(huì)從原來的流線路徑中向一側(cè)偏離出來并與霧滴相碰，被液滴捕獲。與此同時(shí)，粉塵在流經(jīng)水霧層時(shí)，水霧會(huì)從粉塵的四周繞過去，并在粉塵的四周形成高速的水霧流，但在粉塵的后側(cè)其水霧的流速近乎于零[2]，如圖2所示。

圖2 粉塵在穿越水霧層時(shí)的流速（m/s）等值線

由以上分析可知，在負(fù)壓降塵裝置中，清水在經(jīng)過高壓噴嘴后，產(chǎn)生速度極高、液滴極小的水霧氣流，水霧流與空氣中的粉塵顆粒在空中相碰，粉塵顆粒被水珠潤濕后重量和體積均發(fā)生變化，進(jìn)而開始沉降。因流體的靜壓和速度是成反比的，因此在高壓噴嘴前端的內(nèi)腔的壓力較小，而在噴管后側(cè)及除塵裝置的周圍的氣壓相對(duì)較大，在壓差的作用下四周的粉塵濃度高的空氣就被吸入到除塵裝置中，形成二次浸潤，從而進(jìn)一步加強(qiáng)了除塵的效率，其原理如下頁圖3所示[3]。

3 采煤機(jī)降塵裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，采煤機(jī)降塵裝置可采用負(fù)壓降塵的機(jī)理，在采煤機(jī)切割滾筒處設(shè)置負(fù)壓降塵裝置，使其形成的高速霧流能夠形成一個(gè)嚴(yán)密的、包圍采煤機(jī)截割滾筒的隔離霧層，從而實(shí)現(xiàn)高壓水霧層將采煤機(jī)截割煤層時(shí)的產(chǎn)塵點(diǎn)進(jìn)行充分隔離[4]，防止粉塵擴(kuò)散，水霧層的隔離效果如圖4所示。

圖3 負(fù)壓除塵原理

圖4 水霧層隔離區(qū)域示意圖

除塵裝置在采煤機(jī)上的安裝結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。該降塵裝置中為了避免長期在高粉塵狀態(tài)下工作時(shí)噴嘴管路的堵塞，經(jīng)驗(yàn)證，采用了直徑為10mm的高壓直通膠管，其與噴嘴之間采用快接接頭連接，便于在噴管堵塞后被迅速地更換。同時(shí)為了避免采煤機(jī)割煤時(shí)，煤渣等雜質(zhì)從噴管進(jìn)入除塵器箱體內(nèi)部，造成除塵器的堵塞，因此在除塵器背板下側(cè)設(shè)置有有排渣口。便于箱體內(nèi)的雜質(zhì)和水的自動(dòng)排出。避免除塵器內(nèi)腔的堵塞，確保除塵裝置工作時(shí)的連續(xù)性和可靠性。

圖5 除塵裝置在采煤機(jī)上的安裝總圖

圖6 除塵裝置在采煤機(jī)上的安裝示意圖

該采煤機(jī)降塵裝置中最核心的部分在于噴嘴形成的水霧墻能否將采煤機(jī)在生產(chǎn)過程中的產(chǎn)塵點(diǎn)進(jìn)行完全的封閉，因此我們根據(jù)煤礦井下實(shí)際所用的采煤機(jī)噴霧裝置，在噴管的水霧錐角為28°的情況下對(duì)不同的噴嘴數(shù)量對(duì)產(chǎn)塵點(diǎn)的封閉效果進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)際的驗(yàn)證結(jié)果，在噴管采用的水霧錐角一致的情況下，采用4根噴管所形成的各水霧錐角之間會(huì)形成較大的水霧層死角，而采用5根噴管時(shí)，所形成的水霧層之間基本沒有空隙，且能夠?qū)⒊龎m點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)密的包圍，因此在該采煤機(jī)除塵裝置噴嘴口設(shè)置時(shí)，我們采用了5根噴管的形式，對(duì)比效果如圖7所示。

圖7 不同噴管數(shù)量對(duì)產(chǎn)塵點(diǎn)的包圍效果

4 采煤機(jī)降塵裝置的實(shí)際應(yīng)用效果

根據(jù)該采煤機(jī)降塵裝置的結(jié)構(gòu)原理，我們實(shí)際在某礦井下了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，將除塵裝置分別固定在采煤機(jī)前后截割滾筒處的外殼上，在16～18 MPa的壓力下，噴嘴所產(chǎn)生的水霧墻能夠完全封閉落煤點(diǎn)的粉塵擴(kuò)散，如圖8、圖9所示。

圖8 除塵器及固定裝置

圖9 除塵器噴霧降塵效果圖

分別在采煤機(jī)落煤點(diǎn)附近設(shè)置10個(gè)粉塵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于采煤機(jī)降塵裝置前后空氣中的粉塵含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 采煤機(jī)降塵裝置降塵效果匯總表

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，測(cè)塵結(jié)果表明在采煤機(jī)上風(fēng)位置5 m處和下風(fēng)位置10 m的范圍內(nèi)，降塵點(diǎn)空氣中全塵和呼吸塵的質(zhì)量濃度分別降低了86.4%和85.2%，降塵效果顯著。

5 結(jié)論

1）采用五根噴管時(shí)，所形成的水霧層之間基本沒有空隙，且能夠?qū)⒊龎m點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)密的包圍，降塵效果最優(yōu)。

2）在采用該采煤機(jī)降塵裝置后能夠?qū)⒔祲m點(diǎn)空氣中全塵和吸塵的質(zhì)量濃度降低分別降低了86.4%和85.2%，具有非常理想的降塵效果。