梁 先

（山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 壽陽 045400）

引言

當前，隨著綜掘工作面生產(chǎn)效率的不斷提升，作業(yè)人員對其工作環(huán)境提出了更高的要求。傳統(tǒng)噴霧降塵措施不僅耗水量大，噴頭容易阻塞，無形中增加了煤炭開采的成本；更重要的是其降塵效果不佳。因此，設計了一款泡沫降塵裝置。

1 泡沫降塵機理研究

綜掘工作面采用泡沫降塵能夠有效降低其粉塵、煤塵濃度的機理主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）泡沫能夠無限擴散至綜掘設備的截割四周，從而能夠阻斷粉塵的傳播源頭。

2）泡沫相對于噴霧而言，泡沫與粉塵、煤塵相接觸的面積較大，從而極大增加了泡沫與粉塵、煤塵相接觸概率，阻斷了粉塵、煤塵的傳播途徑。

3）泡沫制備過程中添加的活性成分能夠明顯降低水的表面張力，從而能夠有效改善粉塵的濕潤性能，縮短粉塵被濕潤的時間。即，泡沫降塵措施對呼吸性粉塵、煤塵的治理效果最佳。

4）泡沫能夠吸附于煤塵或落煤上，在其上形成一層泡沫保護層，從而有效抑制了粉塵、煤塵的二次揚塵的效果[1-2]。

2 泡沫降塵裝置的設計

2.1 泡沫除塵裝置的系統(tǒng)組成

泡沫除塵裝置的結構組成如圖1 所示。

如圖1 所示，泡沫除塵裝置主要由五部分組成，分別為泡沫液添加裝置、高壓膠管、發(fā)泡器、泡沫噴射裝置以及泡沫傳輸膠管。泡沫液及其添加劑加入泡沫添加裝置中，經(jīng)高壓膠管進入發(fā)泡器中；經(jīng)發(fā)泡器產(chǎn)生泡沫后由泡沫噴射裝置形成高壓泡沫再由傳輸膠管噴射至工作面，實現(xiàn)對綜掘工作面降塵的目的[3]。

圖1 泡沫除塵裝置結構示意圖

2.2 發(fā)泡器結構尺寸的設計

發(fā)泡器作為泡沫降塵裝置的核心部件，直接決定其噴射出泡沫的質(zhì)量，最終決定綜掘工作面降塵效果。本發(fā)泡器是基于文丘里管設計而成的，為達到最佳泡沫發(fā)生效果，需對文丘里管內(nèi)各部分尺寸進行詳細設計[4]。

結合泡沫除塵裝置在實際應用中的流量及流速，并在查閱機械手冊的基礎上，設計發(fā)泡器的最大通徑為97 mm，修正為D0=100 mm，設計發(fā)泡器的進水口直徑d=30 mm。則有：

喉管直徑d3=d/3=10 mm；喉嘴距Lm=6d3=60 mm；喉管長Lk=3d3=30 mm；漸縮管大端直徑D1=D0=100 mm；漸縮管長度L1=3d3=30 mm；漸擴管大端直徑D2=D0=100 mm；漸擴管長度經(jīng)計算得出發(fā)泡器文丘里管的結構尺寸如圖2 所示。

圖2 文丘里管尺寸結構示意圖

2.3 泡沫噴射裝置的設計

泡沫噴射裝置決定泡沫最終的噴射覆蓋面積，從而決定綜掘工作面的降塵效果。經(jīng)對比研究，泡沫噴頭采取一字形結構，將采煤機或者掘進機滾筒的截齒進行包裹，從而防止粉塵、煤塵的擴散[5]。綜合考慮掘進機滾筒的直徑及泡沫噴頭的傾角、泡沫噴射裝置的噴射距離，擬定在噴射裝置上安裝6 個噴頭，其安裝示意圖如圖3 所示。

2.4 泡沫降塵裝置的安裝

鑒于掘進機在實際掘進過程中會有大塊巖石出現(xiàn)，為了避免降塵裝置被破壞，將其安裝于掘進機機身的后端，并根據(jù)現(xiàn)場工作面情況對降塵裝置的位置進行調(diào)整。降塵裝置在掘進機上的安裝示意圖如圖4 所示。

圖3 噴頭安裝示意圖

圖4 泡沫降塵裝置安裝示意圖

如圖4 所示，壓風管為發(fā)泡器提供穩(wěn)定的氣源，壓水管為發(fā)泡器提供穩(wěn)定水源，與發(fā)泡劑經(jīng)添加泵進在比例混合器中充分混合后進入發(fā)泡器中。由發(fā)泡器所產(chǎn)生泡沫經(jīng)高壓膠管進入泡沫分配器中，繼而分配至各個噴頭，由噴頭將泡沫噴出，達到對工作面降塵的目的。

3 泡沫降塵裝置的應用

3.1 應用背景

以我礦S645 掘進工作面為研究載體，該掘進工作面巷道橫截面積為5.2 m2，該工作面所屬煤層為地瓦斯礦井，基本頂為泥巖、粉砂巖，直接頂為粉砂巖。即，在掘進過程中所產(chǎn)生粉塵的濃度較大。目前，該工作面主要采用噴霧降塵措施。但是，在實際應用中發(fā)現(xiàn)采用噴霧降塵時耗水量大，且噴嘴容易被阻塞，嚴重影響了綜采工作面的降塵效率。故，將本文所設計泡沫降塵裝置應用于其中，以對比前后兩種降塵措施的效果。

該工作面采用噴霧降塵措施后，在司機操作位置所測得的粉塵質(zhì)量濃度為4 531 mg/m3，掘進機機身后5 m 所測得粉塵質(zhì)量濃度為3 621 g/m3。

3.2 應用效果

根據(jù)如圖4 所示的安裝示意圖，將泡沫降塵裝置安裝于掘進機機身，并為其提供穩(wěn)定的水源和風源。其中，水源的壓力為0.5 MPa，風源的壓力為0.5 MPa，發(fā)泡器中泡沫添加劑的比例為2.5%。對該工作面司機位置處，掘進機機組5 m 后，距迎頭50 m、100 m 處四個位置的粉塵濃度進行監(jiān)測。監(jiān)測結果如表1 所示。

表1 泡沫降塵效果對比表

如表1 所示，采用泡沫降塵裝置后工作面的降塵效果明顯得到提升，其中距離噴霧裝置安裝位置越近的位置改善效果最佳。其中，司機位置處的改善效率高達93.3%，距離迎頭100 m 處降塵改善效果僅為56.7%。究其原因，在于距迎頭100 m 的位置處粉塵的粒度較大，粉塵、煤塵可依靠自身重力達到降塵目的，而距迎頭50 m 的粒度較小，粉塵、煤塵處于懸浮狀態(tài)。

綜上所述，采用噴霧降塵裝置后能夠明顯改善作業(yè)人員的工作環(huán)境。

4 結論

將本文設計的泡沫降塵裝置應用于S645 掘進工作面。經(jīng)現(xiàn)場測試可知，泡沫降塵裝置能夠有效降低司機位置處的粉塵濃度，為作業(yè)人員提供安全、舒適的作業(yè)環(huán)境奠定了基礎。