掘進(jìn)機(jī)降塵系統(tǒng)的設(shè)計

呂奇峰

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045300）

引言

煤炭開采主要包括掘進(jìn)工作面巷道的掘進(jìn)和綜采工作面煤層的開采兩項任務(wù)。其中，威脅綜掘工作面安全生產(chǎn)的因素主要包括有粉塵、瓦斯以及設(shè)備的可靠性等。其中，粉塵問題存在于掘進(jìn)和綜采工作面。對于掘進(jìn)工作面而言，巷道在掘進(jìn)過程中其屬于盲道，掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際工作中所產(chǎn)生的粉塵很難在短時間內(nèi)迅速擴(kuò)散，是掘進(jìn)工作面的主要威脅源。粉塵污染不僅制約著巷道的掘進(jìn)效率，還嚴(yán)重威脅著作業(yè)人員的身心健康[1]。為此，有效降低甚至消除掘進(jìn)工作面的粉塵污染是十分有必要的。鑒于掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中產(chǎn)塵點(diǎn)是時刻變化的，因此設(shè)計一款與掘進(jìn)機(jī)工作需求及其實(shí)時工作位置相匹配的降塵系統(tǒng)才能有效解決掘進(jìn)工作面粉塵污染的問題，改善掘進(jìn)工作面的工作環(huán)境。本文將根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，設(shè)計一款旋轉(zhuǎn)噴霧降塵系統(tǒng)。

1 掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)塵機(jī)理研究

掘進(jìn)工作面的粉塵主要來源于機(jī)械打眼產(chǎn)生的粉塵、裝車和裝載點(diǎn)產(chǎn)生的粉塵。其中，機(jī)械打眼產(chǎn)生的粉塵為原生粉塵，占據(jù)掘進(jìn)工作面全部粉塵的80%左右。因此，針對機(jī)械打眼產(chǎn)生的粉塵為掘進(jìn)工作面粉塵防治的重點(diǎn)[2]。裝車和裝載點(diǎn)產(chǎn)生的粉塵為次生粉塵，即積累于地面及表面的粉塵在外界的作用下重新?lián)P起的粉塵。由于掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)速及粉塵擴(kuò)散特性等因素，掘進(jìn)工作面粉塵濃度時刻變化，如表1 所示。

表1 掘進(jìn)工作面粉塵質(zhì)量濃度變化情況

由表1 可知，距離掘進(jìn)機(jī)3 m 范圍內(nèi)粉塵濃度最大，即嚴(yán)重威脅著作業(yè)人員的身心健康。隨著巷道的不斷掘進(jìn)，盡管粉塵濃度降低，但是，粉塵覆蓋于整個工作面增加了降塵的難度。

目前，應(yīng)用于掘進(jìn)巷道的防塵技術(shù)主要采用風(fēng)幕、泡沫、布袋等裝置達(dá)到降塵的目的，還有基于抽塵凈化等防塵措施[3]。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。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。

2 掘進(jìn)機(jī)降塵系統(tǒng)的設(shè)計

經(jīng)對掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)塵機(jī)理的分析可知，實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)工作面降塵的主要手段為對原生粉塵的消除。因此，本文將根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工況設(shè)計旋轉(zhuǎn)噴霧降塵系統(tǒng)對塵源處的粉塵進(jìn)行治理。

2.1 降塵方案的設(shè)計

為確保降塵系統(tǒng)能夠?qū)崟r跟蹤截割頭的工作位置，將噴霧降塵裝置安裝于掘進(jìn)機(jī)截割大臂尾端的平臺上（安裝示意圖如圖1 所示），并將噴嘴傾斜布置，以至于各個噴嘴噴出的水霧形成一定的角度，使得靜態(tài)噴霧改進(jìn)為動態(tài)旋轉(zhuǎn)噴霧，噴頭所噴出的水霧將掘進(jìn)機(jī)截割頭包裹住，進(jìn)而覆蓋整個掘進(jìn)巷道斷面，達(dá)到有效的降塵效果[4]。

如圖1 所示，為確保噴霧降塵裝置不會被掘進(jìn)過程中所產(chǎn)生的巖石塊砸壞，為其設(shè)計對應(yīng)的安裝支架和防護(hù)裝置。

圖1 噴霧降塵裝置安裝位置示意圖

2.2 噴霧降塵裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計

為確保噴霧裝置所噴水霧的壓力接近于入水口的壓力，要求將分水軸中的壓力損失降至最低。分水軸壓力損失的計算公式如式（1）所示：

式中：Δpe為分水軸壓力損失；μ 為液體的運(yùn)動黏度，取μ=1×10-6m2/s；l為分水軸管道的長度；v為分水軸內(nèi)液體的流速；ρ 為分水軸內(nèi)液體的密度，取ρ=1×103kg/m3；d為分水軸管內(nèi)徑。

根據(jù)噴霧降塵裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，取分水軸的長度l=186 mm，分水軸管道內(nèi)徑d=10 mm；設(shè)定降塵裝置的最大耗水量Q=60.6 L/min。根據(jù)式（2）得出分水軸內(nèi)液體的流速。

經(jīng)計算，得出v=12.9m/s。將上述計算結(jié)果代入式（1）可得，分水軸管道內(nèi)壓力損失為414 Pa，可見其壓力損失較小，可忽略不計，滿足將壓力損失將至最低的要求，因此符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

此外，降塵裝置水槽蓋圓錐面的傾斜角是決定所噴出水霧是否能夠覆蓋整個掘進(jìn)機(jī)截割頭的關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)合該掘進(jìn)機(jī)工作面的巷道寬度為4 m，噴霧裝置的有效射程為1.5 m，且每個噴霧裝置之間的距離為1 m。經(jīng)計算可知，滿足上述生產(chǎn)條件所需的最小水槽蓋圓錐面的傾斜角為45°。

2.3 噴嘴直徑的確定

噴嘴直徑過大或者過小將直接決定噴霧效果。為此，本文以噴嘴數(shù)量為4 個，工作壓力分別為3 MPa、4 MPa 為背景，基于試驗對比噴嘴直徑為1 mm、1.5 mm以及2 mm 的噴霧效果。對比結(jié)果如表2、表3 所示。

對比表2、表3 可知，當(dāng)噴嘴直徑為1.5 m 時，該噴霧降塵系統(tǒng)的覆蓋范圍、噴霧最大射程均為最佳。當(dāng)噴嘴直徑過大，而工作壓力不夠大時所噴出水霧的直徑過大，導(dǎo)致其覆蓋范圍及最大射程較小，而且直徑過大所噴出的水霧容易在工作面與粉塵混合為泥漿。當(dāng)噴霧直徑過小時，盡管其水霧直徑能夠達(dá)到最小，但是在惡劣的掘進(jìn)工作面中容易造成噴嘴阻塞，降低其降塵效率[5]。因此，應(yīng)將噴嘴直徑設(shè)定為適中即可。此外，在一定噴嘴直徑下應(yīng)將系統(tǒng)的工作壓力根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)定為可達(dá)到的最大值。

3 噴霧系統(tǒng)的工業(yè)性試驗

將本文所設(shè)計噴霧系統(tǒng)應(yīng)用于掘進(jìn)工作面，并采用側(cè)塵儀對距離掘進(jìn)機(jī)截割頭固定位置的粉塵濃度進(jìn)行對比。對比結(jié)果如表4 所示。

表2 工作壓力為3 MPa 時不同噴嘴直徑的噴霧效果

表3 工作壓力為4 MPa 時不同噴嘴直徑的噴霧效果

表4 降塵效果

分析表3 可知，該降塵系統(tǒng)對掘進(jìn)機(jī)司機(jī)所在位置及距離截割頭3 m 處的降塵效果最為明顯，在一定程度上達(dá)到降塵的目的。

4 結(jié)語

粉塵污染是影響掘進(jìn)及綜采工作面生產(chǎn)的主要威脅源，實(shí)現(xiàn)對其的有效消除或者降低能夠有效提升掘進(jìn)工作面和綜采工作面的生產(chǎn)效率，為工作面作業(yè)人員的身心健康提供保障基礎(chǔ)。本文所設(shè)計的噴霧降塵裝置能夠根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時工作位置對其塵源處的粉塵進(jìn)行有效效果。經(jīng)工業(yè)性試驗表明：該噴霧降塵系統(tǒng)能夠有效降低司機(jī)所在位置處及距離截割頭3 m 位置處的粉塵濃度，其降塵效率可達(dá)77.35%。