李 偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)高山煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037001）

引言

礦井粉塵是影響井下人員身體健康的重要因素，人員長(zhǎng)期吸入粉塵會(huì)引發(fā)塵肺病等病害，嚴(yán)重威脅企業(yè)人員的身體健康。除此之外，粉塵污染還有可能造成設(shè)備損壞、粉塵爆炸等，嚴(yán)重影響企業(yè)安全、高效發(fā)展。傳統(tǒng)的綜采工作面防塵技術(shù)主要采用采煤機(jī)內(nèi)外噴霧系統(tǒng)進(jìn)行除塵，該方法耗水量大、除塵效率低、負(fù)作用大，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文提出了氣水霧化噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，通過設(shè)計(jì)輔助除塵系統(tǒng)，提高除塵效率，降低粉塵污染危害。

1 綜采工作面降塵技術(shù)分析

現(xiàn)階段，我國(guó)最為常用的降塵技術(shù)為噴霧降塵技術(shù)，其基本原理是通過實(shí)現(xiàn)水滴與粉塵的結(jié)合，再利用重力作用達(dá)到降塵效果。噴霧降塵技術(shù)的降塵效果與水滴粒徑的大小有直接關(guān)系。過大粒徑的水滴會(huì)造成水霧的分散性較差，降低降塵效果。同時(shí)，如果水滴粒徑過大，會(huì)導(dǎo)致水滴在捕捉粉塵時(shí)發(fā)生粉塵繞過水滴的逃逸現(xiàn)象，無法有效捕捉粉塵。但水滴粒徑也并非越小越好，當(dāng)水滴粒徑過小時(shí)，水滴極易發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象，尤其是在井下的高濕環(huán)境中，蒸發(fā)現(xiàn)象越發(fā)劇烈。因此，應(yīng)選擇合適的水滴粒徑才可更好地提升降塵效率?，F(xiàn)階段，高壓噴霧系統(tǒng)的水滴粒徑為50~60 μm，對(duì)于呼吸性粉塵降塵效果一般。故本文研制了氣水霧化裝置，可將水滴粒徑控制在降塵最佳水滴粒徑的15~35 μm 范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面降塵效果的提升[1-3]。

2 氣水霧化噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 噴嘴設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的噴霧降塵系統(tǒng)是通過高壓水射流進(jìn)行水滴霧化的，該方法水滴霧化粒徑較大，對(duì)呼吸性粉塵降塵效果一般，十分影響系統(tǒng)降塵效果。傳統(tǒng)的噴霧降塵系統(tǒng)是利用壓氣霧化原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，以壓縮空氣為動(dòng)力源，利用振蕩器將水滴通過高頻聲波霧化為水霧。對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)中的噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。新型噴嘴設(shè)計(jì)加入了多層霧化設(shè)計(jì)，可更好地霧化水滴，降低水滴粒徑，提高降塵效率。新型噴嘴霧化水滴粒徑范圍為7~50μm。同時(shí)，新型噴嘴還可依據(jù)不同的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)水流壓力、水流流量以及氣體壓力等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制水滴的粒徑，達(dá)到具體生產(chǎn)環(huán)境的最佳降塵效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，新型噴嘴噴霧的霧化角為40°~50°，當(dāng)水霧相對(duì)速度在20~40 m/s、水滴粒徑在15~35 μm 時(shí)，除塵效果最佳。

圖1 氣水霧化噴霧系統(tǒng)噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 整體設(shè)計(jì)

在綜采工作面中粉塵濃度較高的位置主要有三處，分別為采煤機(jī)滾筒位置、采煤機(jī)滾筒前方以及采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)之間。其中，采煤機(jī)滾筒位置是工作面粉塵的主要生產(chǎn)地點(diǎn)；滾筒前方由于離滾筒位置較近，濃度同樣較高，且該位置是降塵系統(tǒng)的主要作用位置；搖臂與刮板輸送機(jī)之間除本身會(huì)產(chǎn)生較大的粉塵外，還是煤壁粉塵向外輸送的通道，因此該位置降塵處理同樣重要。針對(duì)粉塵高濃度的3 個(gè)位置進(jìn)行氣水霧化噴霧系統(tǒng)噴嘴設(shè)計(jì)，即可有效降低采煤機(jī)粉塵出產(chǎn)量，隔離采煤機(jī)與人行通道，提升系統(tǒng)降塵效果。對(duì)氣水霧化噴霧系統(tǒng)進(jìn)行噴嘴設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 氣水霧化噴霧系統(tǒng)噴嘴位置示意圖

2.3 噴嘴安裝位置設(shè)計(jì)

通過上文分析可知，新型噴嘴安裝位置主要在采煤機(jī)滾筒處、采煤機(jī)滾筒前以及采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)之間三處位置，噴嘴的布置需保證噴霧范圍可以合理覆蓋所需降塵的位置，水霧覆蓋效果示意圖如圖3 所示，其中圖3-1 為滾筒處水霧覆蓋效果圖，圖3-2為滾筒前水霧覆蓋效果圖，圖3-3 為采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)之間水霧覆蓋效果圖。采煤機(jī)滾筒處最主要的參數(shù)為噴嘴中心線與搖臂上側(cè)面以及搖臂正上方的夾角，其計(jì)算公式為：

圖3 不同位置水霧覆蓋效果示意圖

式中：β 為噴嘴中心線與搖臂上側(cè)面夾角，（°）；δ 為噴嘴中心線與搖臂正上方夾角，（°）；l 為噴嘴到采煤機(jī)距離，cm；h 為滾筒厚度，cm；L 為滾筒中心線到采煤機(jī)距離，cm；R 為滾筒半徑，cm。

采煤機(jī)滾筒前噴嘴布置的最主要參數(shù)為噴霧覆蓋角，其計(jì)算公式為：

式中：σ 為噴霧覆蓋角，（°）。

采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)之間水霧覆蓋的主要作用除進(jìn)行降塵處理以外，還需將采煤機(jī)與人行道通過水霧隔離開，防止粉塵的繼續(xù)擴(kuò)散，本文采用1/4圓設(shè)計(jì)，其主要參數(shù)為噴嘴個(gè)數(shù)，計(jì)算公式為：

式中：n 為噴嘴個(gè)數(shù)；α 為噴嘴覆蓋角度，（°）。

除噴嘴設(shè)計(jì)外，氣水霧化噴霧系統(tǒng)還設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可對(duì)水壓、氣壓以及流量等參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性調(diào)節(jié)，以更好地適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境[4-6]。

3 氣水霧化噴霧系統(tǒng)測(cè)試

以某煤礦綜采工作面為例進(jìn)行氣水霧化噴霧系統(tǒng)測(cè)試研究，將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（1）—（4）可得噴嘴布置參數(shù)為：β=29.5°，δ=31°，σ=62°，n=4。按上述研究進(jìn)行噴嘴與氣水霧化噴霧系統(tǒng)安裝并進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，降塵效果良好，采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)之間形成了水幕，有效隔離了粉塵，人行道內(nèi)未有粉塵擴(kuò)散。對(duì)氣水霧化噴霧系統(tǒng)安裝前后的粉塵濃度進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，所設(shè)計(jì)氣水霧化噴霧系統(tǒng)降塵效果明顯，降塵率可達(dá)60%~80%。

圖4 氣水霧化噴霧系統(tǒng)安裝前后粉塵濃度對(duì)比圖

4 結(jié)論

隨著煤炭開采機(jī)械化的不斷發(fā)展，綜采工作面降塵技術(shù)逐漸引起企業(yè)的重視。傳統(tǒng)的綜采工作面降塵技術(shù)主要采用采煤機(jī)內(nèi)外噴霧系統(tǒng)進(jìn)行除塵，該方法耗水量大、除塵效率低、負(fù)作用大，已無法滿足綜采面的生產(chǎn)需求[7-8]。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文提出了氣水霧化噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，通過研究分析得出了以下結(jié)論：

1）傳統(tǒng)的高壓噴霧系統(tǒng)的水滴粒徑在50~60 μm，對(duì)于呼吸性粉塵降塵效果較差，氣水霧化裝置將水滴粒徑控制在15~35 μm 范圍內(nèi)，降塵效果更佳。

2）按上述研究進(jìn)行氣水霧化噴霧系統(tǒng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行高效穩(wěn)定，采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)之間形成了水幕，有效隔離了粉塵。

3）對(duì)比系統(tǒng)安裝前后粉塵濃度，氣水霧化噴霧系統(tǒng)降塵效果明顯，降塵率可達(dá)60%~80%。