陳鳳嬌

（山西大同煤礦集團有限公司煤峪口礦， 山西 大同 037001）

引言

采煤機是煤礦井下綜采作業(yè)的核心，隨著綜采自動化水平的不斷提高，采煤機綜采作業(yè)效率得到了極大的提升，由此導致綜采面的粉塵濃度居高不下，給井下綜采作業(yè)安全帶來了嚴重的隱患。目前采煤機的噴霧降塵裝置主要采用了內噴霧降塵和外噴霧降塵相結合的方式，通過給噴霧系統(tǒng)施加極大的噴霧壓力將液體霧化，從而實現對綜采區(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2 MPa，否則將嚴重影響噴霧降塵裝置的使用壽命，因此目前主要通過降低噴嘴直徑來保證噴霧降塵的范圍，由此導致了噴嘴極易被堵塞，嚴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噴霧降塵裝置。該裝置中設置有負壓二次降塵系統(tǒng)，可實現在不改變采煤機現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噴霧降塵裝置的工作參數進行了優(yōu)化，根據實際應用表明優(yōu)化后采煤機的降塵效果提升了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 新裝置負壓二次降塵系統(tǒng)結構與工作原理

針對現有采煤機噴霧降塵裝置噴霧壓力不足導致噴口易堵塞、降塵效率不足的現狀，提出了一種新的負壓二次降塵系統(tǒng)，主要由增壓水泵、供水控制系統(tǒng)、高壓管路等構成，其不改變現有采煤機噴霧降塵裝置的整體結構，改造方便、經濟性好。在工作時利用井下巷道內的高壓管路傳輸液體，將負壓降塵裝置設置到采煤機的兩個截割滾筒處，通過增壓水泵將水轉化為高壓水，然后通過噴嘴噴向指定區(qū)域，從而達到提升噴霧壓力、提高降塵效果的目的[1]，該負壓二次降塵系統(tǒng)管路布置和降塵原理如圖1 所示。

圖1 二次負壓降塵裝置布置結構示意圖

在噴霧降塵裝置工作的過程中，管路內的靜壓水經過增加泵的增壓后形成高壓水，然后通過噴嘴以高壓、高速噴霧的形式噴出，在噴霧降塵的過程中可以根據降塵需求調整噴霧壓力和噴嘴角度。噴出的水霧在采煤機截割滾筒和搖臂間形成一個高壓的水霧隔離圈。高壓水霧在噴出后可以在截割滾筒附近區(qū)域形成一個負壓場[2]，能同時將截割滾筒附近的粉塵吸入到水霧圈內，空氣中的粉塵和水霧結合后逐漸聚合，質量加大，從而獲取良好的沉降效果。

2 新裝置噴霧降塵參數對降塵效果的影響

采煤機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。由于采煤機截割作業(yè)時噴霧降塵裝置距離截割滾筒的距離和角度一定，通過對粉塵直徑的分析，當噴嘴處直徑大于3 mm 時堵孔概率會顯著降低，因此在假設其他條件一定的情況下，本文重點研究噴霧壓力和噴射半角對降塵效果的影響。

2.1 噴霧壓力對降塵效果的影響

噴霧壓力越大對水的霧化效果越好、噴霧降塵的范圍越大，但是噴霧壓力的增加會導致系統(tǒng)泄漏量增加，也會降低管路系統(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，設置噴霧降塵壓力為2～12 MPa 之間變化，對噴霧降塵裝置的覆蓋范圍進行檢測，結果如圖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達到了噴嘴出口的最大流量，繼續(xù)增加壓力無法增大出水量，因此在現有噴嘴直徑下，二次負壓降塵系統(tǒng)的最佳工作壓力為 3～4 MPa。

2.2 噴射半角對降塵效果的影響

噴射半角主要會影響噴霧降塵時的負壓和降塵噴霧區(qū)域，若噴射半角過大則會導致水霧噴出時和圓筒的四周相撞，在噴腔內形成反射，影響噴霧時的連續(xù)性；如果噴射半角不足則會導致水霧噴出時的角度分布范圍縮小，影響負壓分布半徑。利用FLUENT 流體仿真分析軟件，建立噴射半角在不同范圍時的噴霧降塵仿真模型，對噴射半角為10°～30°時的噴霧影響范圍進行分析，結果如圖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致水霧在噴腔內形成反射，影響水霧連續(xù)性導致的，在其他參數不變的情況下，負壓二次噴霧降塵裝置的噴射角設置為20°時，具有最佳的噴霧降塵效果。

2.3 噴霧壓力對工作負壓與工作性能的影響

利用FLUENT 流體仿真分析軟件對3～4 MPa 噴霧壓力下的負壓效果進行分析，發(fā)現當噴霧壓力小于3.7 MPa 時管內負壓隨著噴霧壓力的增加增長最快，而當噴霧壓力超過3.7 MPa 后，負壓則隨著噴霧壓力的增加呈現緩慢增加的趨勢，這主要是在其他參數一定的情況下，噴霧壓力增加導致噴嘴后側的進氣斷面迅速擴大，空氣已經達到了最大的噴口進氣量，因此難以產生更高的負壓。綜合不同壓力對噴霧降塵效果和對元器件使用壽命的影響[4]，當噴霧壓力為3.7 MPa 時具有最佳的工作性能。

3 噴霧降塵效果分析

為了對該二次負壓降塵裝置的應用效果進行分析，以某礦井下綜采面為例，對不同噴霧降塵裝置下的粉塵濃度情況進行分析，結果如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后降塵不同位置的粉塵質量濃度變化情況

由實際檢測結果可知，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 結論

1）新的負壓二次降塵系統(tǒng)主要由增壓水泵、供水控制系統(tǒng)、高壓管路等構成，其不改變現有采煤機噴霧降塵裝置的整體結構，改造方便、經濟性好；

2）當把負壓二次噴霧降塵裝置的噴射角設置為20°、噴霧壓力為3.7 MPa 時，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。