張宇鵬
(陽煤寺家莊有限責(zé)任公司開拓二隊, 山西 晉中 045300)
目前,應(yīng)用于掘進(jìn)巷道防塵技術(shù)主要包括有采用風(fēng)幕、泡沫、布袋等裝置,以達(dá)到降塵的目的,還有基于抽塵凈化等防塵措施。但是,上述防塵措施僅針對固定點(diǎn)的粉塵防治有效果,無法對掘進(jìn)機(jī)截割頭部的粉塵進(jìn)行有效治理[1],因此根據(jù)掘進(jìn)巷道的工作特點(diǎn)提出將噴霧降塵技術(shù)應(yīng)用于其中。
實際生產(chǎn)中,掘進(jìn)機(jī)工作面各設(shè)備的布置如圖1所示。
圖1 掘進(jìn)工作面各設(shè)備布置示意圖
在實際掘進(jìn)過程中,掘進(jìn)機(jī)的截割頭的位置處于時刻變化中。因此,針對掘進(jìn)機(jī)的粉塵防治采取的降塵措施需解決產(chǎn)塵源點(diǎn)隨機(jī)變動的情況。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研可知,距離掘進(jìn)機(jī)3 m范圍內(nèi)粉塵的濃度最高,且隨著掘進(jìn)巷道的不斷深入,粉塵濃度逐步降低。但是,隨著巷道的深入,不斷提升了消除整個巷道內(nèi)粉塵的難度。
目前,應(yīng)用掘進(jìn)巷道的噴霧降塵裝置普遍置于掘進(jìn)機(jī)的后方,且降塵效果不佳。為此,本文提出將噴霧降塵裝置置于掘進(jìn)機(jī)的前方,且需滿足以下要求:降塵裝置能夠跟蹤產(chǎn)塵點(diǎn)達(dá)到實時降塵的目的;要求噴霧降塵裝置的覆蓋區(qū)域足夠;要求噴霧降塵裝置能夠完美使用于各類掘進(jìn)機(jī)[3]。
根據(jù)以上所提出的噴霧降塵裝置的功能要求,將噴霧降塵裝置安裝于截割頭后方,如圖2所示。
圖2 噴霧降塵裝置的布置示意圖
為增大該裝置的覆蓋范圍確保其降塵效果,將噴嘴傾斜安裝,并在噴霧過程中能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動[4]。
噴嘴的傾斜角是決定其覆蓋范圍的關(guān)鍵因素。本文將著重對噴嘴的傾斜角度進(jìn)行計算。其計算如式(1)所示:
式中:α為噴嘴的傾斜角度;D為掘進(jìn)巷道的寬度,結(jié)合現(xiàn)場可知D=4 m;d1為霧滴沿掘進(jìn)機(jī)截割大臂軸線方向的最小有效射程,經(jīng)查表可知d1=1.5 m;d2為噴嘴之間的距離,結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu),取d2=1 m。經(jīng)計算可知,α的最小值為45°,為了確保噴霧能夠覆蓋整個工作面,選取冗余系數(shù)為1.2,即α≤45°×1.2=54°,圓整為55°。為確保對整個巷道粉塵達(dá)到降塵的效果,取噴嘴與截割大臂軸線之間的夾角為55°。
噴霧降塵裝置對掘進(jìn)巷道降塵效果除了受噴嘴覆蓋范圍的影響外,還受降塵裝置的供水壓力、噴嘴的數(shù)量以及噴嘴的直徑等因素的影響。為確保噴霧裝置的降塵效果達(dá)到最佳,需確定各影響因素的具體參數(shù)[5]。為此,本文將基于Fluent軟件及Matlab軟件對不同影響因素下噴霧裝置的內(nèi)部流場及最終的降塵效果進(jìn)行仿真分析。根據(jù)經(jīng)驗,特設(shè)計如下頁表1所示的影響因素。
表1 影響降塵效果的各類因素
本文采取控制變量的原則,設(shè)計噴嘴個數(shù)為4,直徑為1.5 mm的情況下,對不同供水壓力的降塵效果進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同供水壓力降塵效果仿真結(jié)果
從圖3可知,隨供水壓力的增加,現(xiàn)場降塵效果不斷增加。在噴嘴個數(shù)及通徑一定的情況,供水壓力的增加一定程上能夠確保液體獲得更好的噴霧效果,使得水霧的噴射距離增加,增加了水霧的覆蓋范圍,進(jìn)而有效提升了降塵效果。因此,供水壓力為4 MPa時降塵效果最為顯著。
同樣,在供水壓力(3 MPa)和噴嘴通徑(1.5 m)一定的前提下,對比不同噴嘴數(shù)量下的降塵效果,如圖4所示。從圖4中可看出:降塵效果并不是隨著噴嘴數(shù)量的增加而提升的,當(dāng)噴嘴數(shù)量為4個時,此時噴霧裝置的降塵效果為最佳。原因在于,在供水壓力和噴嘴通徑一定的情況下,隨著噴嘴數(shù)量的增加,液體的出口速度降低,使得其有效射程降低,進(jìn)而降低其覆蓋范圍;且隨著噴霧出口速度的降低,其噴霧效果也降低,從而降低其降塵效果。
在供水壓力(3 MPa)和噴嘴個數(shù)(4個)一定的前提下,對不同噴嘴直徑下噴霧裝置的降塵效果進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖5所示。
如圖5所示,隨著噴嘴直徑的增大,噴霧裝置的降塵效果降低。原因在于,在噴嘴數(shù)量及供水壓力一定的前提下,隨著噴嘴直徑的增大,液體的出口速度降低,進(jìn)而影響其霧化效果及有效射程,進(jìn)而使其降塵效果降低。理論上,噴嘴直徑越小其降塵效果越好。但是,在掘進(jìn)巷道中噴嘴直徑過小會容易造成噴嘴堵塞,進(jìn)而間接影響其降塵效果。因此,噴嘴直徑應(yīng)為1.5 mm最為適宜。
圖4 不同噴嘴數(shù)量降塵效果仿真結(jié)果
圖5 不同噴嘴直徑下降塵效果仿真結(jié)果
在設(shè)計噴霧降塵裝置時,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況對噴嘴與掘進(jìn)機(jī)主軸線的夾角、噴嘴個數(shù)、噴嘴直徑以及供水壓力進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計,本文所設(shè)計噴嘴個數(shù)為4個,噴嘴直徑為1.4 mm,供水壓力為4 MPa,此時噴霧裝置的降塵效果為最佳。