采煤機(jī)噴霧降塵裝置的應(yīng)用研究

陳鳳嬌

（山西大同煤礦集團(tuán)有限公司煤峪口礦， 山西 大同 037001）

引言

采煤機(jī)是煤礦井下綜采作業(yè)的核心，隨著綜采自動(dòng)化水平的不斷提高，采煤機(jī)綜采作業(yè)效率得到了極大的提升，由此導(dǎo)致綜采面的粉塵濃度居高不下，給井下綜采作業(yè)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患。目前采煤機(jī)的噴霧降塵裝置主要采用了內(nèi)噴霧降塵和外噴霧降塵相結(jié)合的方式，通過(guò)給噴霧系統(tǒng)施加極大的噴霧壓力將液體霧化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采區(qū)域的降塵。噴霧裝置的霧化效果和噴組直徑、噴霧壓力關(guān)系密切，受零部件使用壽命影響，噴霧降塵裝置的噴霧壓力一般不超過(guò)2 MPa，否則將嚴(yán)重影響噴霧降塵裝置的使用壽命，因此目前主要通過(guò)降低噴嘴直徑來(lái)保證噴霧降塵的范圍，由此導(dǎo)致了噴嘴極易被堵塞，嚴(yán)重影響了綜采面的噴霧降塵效果。

本文分析一種新的采煤機(jī)噴霧降塵裝置。該裝置中設(shè)置有負(fù)壓二次降塵系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在不改變采煤機(jī)現(xiàn)有降塵裝置布局情況下快速提升降塵能力的需求，利用流體仿真分析軟件對(duì)噴霧降塵裝置的工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明優(yōu)化后采煤機(jī)的降塵效果提升了62.74%以上，顯著提升了井下綜采作業(yè)環(huán)境和綜采作業(yè)效率。

1 新裝置負(fù)壓二次降塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

針對(duì)現(xiàn)有采煤機(jī)噴霧降塵裝置噴霧壓力不足導(dǎo)致噴口易堵塞、降塵效率不足的現(xiàn)狀，提出了一種新的負(fù)壓二次降塵系統(tǒng)，主要由增壓水泵、供水控制系統(tǒng)、高壓管路等構(gòu)成，其不改變現(xiàn)有采煤機(jī)噴霧降塵裝置的整體結(jié)構(gòu)，改造方便、經(jīng)濟(jì)性好。在工作時(shí)利用井下巷道內(nèi)的高壓管路傳輸液體，將負(fù)壓降塵裝置設(shè)置到采煤機(jī)的兩個(gè)截割滾筒處，通過(guò)增壓水泵將水轉(zhuǎn)化為高壓水，然后通過(guò)噴嘴噴向指定區(qū)域，從而達(dá)到提升噴霧壓力、提高降塵效果的目的[1]，該負(fù)壓二次降塵系統(tǒng)管路布置和降塵原理如圖1 所示。

圖1 二次負(fù)壓降塵裝置布置結(jié)構(gòu)示意圖

在噴霧降塵裝置工作的過(guò)程中，管路內(nèi)的靜壓水經(jīng)過(guò)增加泵的增壓后形成高壓水，然后通過(guò)噴嘴以高壓、高速?lài)婌F的形式噴出，在噴霧降塵的過(guò)程中可以根據(jù)降塵需求調(diào)整噴霧壓力和噴嘴角度。噴出的水霧在采煤機(jī)截割滾筒和搖臂間形成一個(gè)高壓的水霧隔離圈。高壓水霧在噴出后可以在截割滾筒附近區(qū)域形成一個(gè)負(fù)壓場(chǎng)[2]，能同時(shí)將截割滾筒附近的粉塵吸入到水霧圈內(nèi)，空氣中的粉塵和水霧結(jié)合后逐漸聚合，質(zhì)量加大，從而獲取良好的沉降效果。

2 新裝置噴霧降塵參數(shù)對(duì)降塵效果的影響

采煤機(jī)噴霧降塵裝置的噴霧降塵效果和噴霧壓力、噴射半角、噴霧降塵距離、噴嘴角度等密切相關(guān)。由于采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)噴霧降塵裝置距離截割滾筒的距離和角度一定，通過(guò)對(duì)粉塵直徑的分析，當(dāng)噴嘴處直徑大于3 mm 時(shí)堵孔概率會(huì)顯著降低，因此在假設(shè)其他條件一定的情況下，本文重點(diǎn)研究噴霧壓力和噴射半角對(duì)降塵效果的影響。

2.1 噴霧壓力對(duì)降塵效果的影響

噴霧壓力越大對(duì)水的霧化效果越好、噴霧降塵的范圍越大，但是噴霧壓力的增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)泄漏量增加，也會(huì)降低管路系統(tǒng)的使用壽命，因此本文利用FLUENT 流體仿真分析軟件[3]建立噴霧降塵系統(tǒng)的仿真分析模型，設(shè)置噴霧降塵壓力為2～12 MPa 之間變化，對(duì)噴霧降塵裝置的覆蓋范圍進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同噴霧壓力下的水霧覆蓋范圍

由圖2 可知，隨著噴霧壓力的上升，水霧覆蓋范圍由小到大，然后再由大到小，這主要是由于噴嘴直徑的限制，壓力的增加使出水速度已經(jīng)達(dá)到了噴嘴出口的最大流量，繼續(xù)增加壓力無(wú)法增大出水量，因此在現(xiàn)有噴嘴直徑下，二次負(fù)壓降塵系統(tǒng)的最佳工作壓力為 3～4 MPa。

2.2 噴射半角對(duì)降塵效果的影響

噴射半角主要會(huì)影響噴霧降塵時(shí)的負(fù)壓和降塵噴霧區(qū)域，若噴射半角過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致水霧噴出時(shí)和圓筒的四周相撞，在噴腔內(nèi)形成反射，影響噴霧時(shí)的連續(xù)性；如果噴射半角不足則會(huì)導(dǎo)致水霧噴出時(shí)的角度分布范圍縮小，影響負(fù)壓分布半徑。利用FLUENT 流體仿真分析軟件，建立噴射半角在不同范圍時(shí)的噴霧降塵仿真模型，對(duì)噴射半角為10°～30°時(shí)的噴霧影響范圍進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同噴射半角下的水霧覆蓋范圍

由圖3 可知，隨著噴射半角的增加，水霧的覆蓋范圍先逐漸增大然后再逐漸降低，這主要是由于噴射半角超出一定范圍后導(dǎo)致水霧在噴腔內(nèi)形成反射，影響水霧連續(xù)性導(dǎo)致的，在其他參數(shù)不變的情況下，負(fù)壓二次噴霧降塵裝置的噴射角設(shè)置為20°時(shí)，具有最佳的噴霧降塵效果。

2.3 噴霧壓力對(duì)工作負(fù)壓與工作性能的影響

利用FLUENT 流體仿真分析軟件對(duì)3～4 MPa 噴霧壓力下的負(fù)壓效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴霧壓力小于3.7 MPa 時(shí)管內(nèi)負(fù)壓隨著噴霧壓力的增加增長(zhǎng)最快，而當(dāng)噴霧壓力超過(guò)3.7 MPa 后，負(fù)壓則隨著噴霧壓力的增加呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，這主要是在其他參數(shù)一定的情況下，噴霧壓力增加導(dǎo)致噴嘴后側(cè)的進(jìn)氣斷面迅速擴(kuò)大，空氣已經(jīng)達(dá)到了最大的噴口進(jìn)氣量，因此難以產(chǎn)生更高的負(fù)壓。綜合不同壓力對(duì)噴霧降塵效果和對(duì)元器件使用壽命的影響[4]，當(dāng)噴霧壓力為3.7 MPa 時(shí)具有最佳的工作性能。

3 噴霧降塵效果分析

為了對(duì)該二次負(fù)壓降塵裝置的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，以某礦井下綜采面為例，對(duì)不同噴霧降塵裝置下的粉塵濃度情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后降塵不同位置的粉塵質(zhì)量濃度變化情況

由實(shí)際檢測(cè)結(jié)果可知，優(yōu)化后各處的粉塵濃度平均降低了62.74%以上，顯著提升了井下綜采作業(yè)環(huán)境。

4 結(jié)論

1）新的負(fù)壓二次降塵系統(tǒng)主要由增壓水泵、供水控制系統(tǒng)、高壓管路等構(gòu)成，其不改變現(xiàn)有采煤機(jī)噴霧降塵裝置的整體結(jié)構(gòu)，改造方便、經(jīng)濟(jì)性好；

2）當(dāng)把負(fù)壓二次噴霧降塵裝置的噴射角設(shè)置為20°、噴霧壓力為3.7 MPa 時(shí)，降塵裝置具有最佳的噴霧降塵效果；

3）優(yōu)化后各處的粉塵濃度平均降低了62.74%以上，顯著提升了井下綜采作業(yè)環(huán)境。