孟凡龍 高理鵬 徐士龍

（山東能源棗礦集團(tuán)高煤公司，山東 濟(jì)寧 277600）

隨著煤礦開采設(shè)備的快速更新，各生產(chǎn)礦井大量使用大功率采煤機(jī)進(jìn)行截煤作業(yè)。在截煤過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵和粉塵，如果降塵效果不理想，煤塵、粉塵懸浮在空氣中，濃度達(dá)到一定極限，遇到高溫或明火會(huì)有煤塵和瓦斯爆炸的危險(xiǎn)。山東能源棗礦集團(tuán)高煤公司井下采煤機(jī)截煤過程中的粉塵主要是采用內(nèi)外噴霧進(jìn)行降塵作業(yè)，從實(shí)踐應(yīng)用效果可知，在截煤逆風(fēng)狀態(tài)下，采煤機(jī)機(jī)面與搖臂根部區(qū)域粉塵濃度過高，危害較大。因此，針對性地設(shè)計(jì)了引射除塵的機(jī)載噴霧除塵裝置[1-6]，對采煤機(jī)截煤作業(yè)過程導(dǎo)致的粉塵濃度過高問題進(jìn)行治理。

1 機(jī)載噴霧引射除塵裝置的基本原理

基于引射除塵的機(jī)載噴霧除塵裝置其工作原理如圖1。噴嘴經(jīng)由管內(nèi)向管外進(jìn)行噴霧的噴射作業(yè)時(shí)，形成的擴(kuò)散水霧直徑如果大于鋼管內(nèi)徑，噴射過程中就會(huì)出現(xiàn)水霧活塞，形成的水霧產(chǎn)生動(dòng)力將鋼管前段空氣連續(xù)推出去，在鋼管后段可形成有效的真空狀態(tài)，使吸氣口區(qū)域位置達(dá)到負(fù)壓狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將環(huán)境中的含塵氣流吸入噴射鋼管的目的。

圖1 基于引射除塵的機(jī)載噴霧除塵裝置原理示意圖

噴射鋼管內(nèi)水霧和粉塵之間經(jīng)相互碰撞形成霧滴，經(jīng)噴嘴從鋼管高速噴出后就會(huì)進(jìn)行快速沉降，實(shí)現(xiàn)一次降塵的目的；在噴嘴噴射高速霧滴的過程中還可以卷吸環(huán)境中的含塵氣體一起進(jìn)入到射流當(dāng)中，對含塵氣體進(jìn)行洗滌，實(shí)現(xiàn)二次降塵的目的。

2 噴管引射風(fēng)量的引射試驗(yàn)研究

2.1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)

將噴管在單位時(shí)間內(nèi)吸入的空氣體積量定義為噴管引射風(fēng)量，基于噴管引射除塵技術(shù)可以采用引射風(fēng)量指標(biāo)來對其性能進(jìn)行評(píng)定。引射風(fēng)量的大小與含塵氣體吸入量為正比例關(guān)系，引射風(fēng)量的數(shù)值越大，含塵氣體的吸入量越大，降塵效果較為理想。

從噴射裝置的工作原理可知，影響噴管引射風(fēng)量的參數(shù)主要有喉管長度、喉管直徑、噴嘴類型、噴霧壓力四個(gè)。為全面研究噴管引射風(fēng)量的影響因素，設(shè)計(jì)了噴管引射風(fēng)量影響因素試驗(yàn)裝置圖，如圖2。補(bǔ)償式微壓計(jì)測量噴管進(jìn)風(fēng)口位置負(fù)壓數(shù)值；采用溫度計(jì)和氣壓計(jì)測量工作環(huán)境溫度和氣壓，經(jīng)計(jì)算得到引射風(fēng)量值；采用流量傳感器測量噴嘴流量數(shù)值。

圖2 噴管引射風(fēng)量影響因素試驗(yàn)裝置示意圖

噴射測試裝置設(shè)計(jì)如圖3。噴管采用典型的文莊里管，主要包括噴嘴安裝座、喉管、減擴(kuò)段、漸縮段、微壓計(jì)測試孔。

圖3 文莊里管噴射測試裝置設(shè)計(jì)示意圖

噴嘴為噴管的核心零部件，安裝在噴管中部，一般是采用高壓噴嘴增加引射風(fēng)量。

2.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

喉管直徑分為Φ100 mm、Φ200 mm、Φ300 mm 共3 種；噴嘴類型分為SD314 型、SB403 型、SD314 型共3 種；噴霧壓力設(shè)置4 MPa、6 MPa、8 MPa。試驗(yàn)按L9（34）正交表進(jìn)行。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)正交試驗(yàn)結(jié)果分析可得，噴霧引射除塵裝置中喉管確定采用直徑Φ300 mm；選用SD314 型噴嘴（孔徑Φ2.5 mm、霧化角60°）；噴霧壓力設(shè)置為6 MPa。

3 采煤機(jī)引射除塵的機(jī)載噴霧除塵裝置的設(shè)計(jì)

從采煤機(jī)截煤作業(yè)現(xiàn)場可知，當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)行逆風(fēng)截煤作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生的高濃度粉塵會(huì)在采煤機(jī)設(shè)備自身阻擋下分兩個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)移。一部分粉塵沿采煤機(jī)的機(jī)面運(yùn)移，一部分在擴(kuò)散作用下進(jìn)入支護(hù)支架內(nèi)。因此，需要在機(jī)載噴霧除塵裝置中設(shè)置兩組噴管來分別對以上兩部分運(yùn)移的粉塵進(jìn)行降塵處理。

基于引射除塵原理的采煤機(jī)機(jī)載噴霧除塵裝置設(shè)計(jì)如圖4。由噴霧引射在噴管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓作為動(dòng)力源，從而實(shí)現(xiàn)對環(huán)境高濃度粉塵的降塵處理。為提高降塵效果，機(jī)載噴霧除塵裝置中將2 個(gè)噴管并列組合形成噴管組，用來提高裝置的引射風(fēng)量。同時(shí)，在裝置的引射出口位置設(shè)置有導(dǎo)流板，對高速水霧噴射方向進(jìn)行引導(dǎo)和調(diào)整。

圖4 機(jī)載噴霧除塵裝置設(shè)計(jì)示意圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

4.1 工程概況

山東能源棗礦集團(tuán)高莊煤業(yè)有限公司（簡稱高煤公司）井田面積32 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量2.7 億t，可采儲(chǔ)量1.01 億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力320 萬t/a。礦井開拓方式為立井分區(qū)式集中下山開拓，設(shè)主井、副井、風(fēng)井3 個(gè)井筒。高煤公司3上1108 工作面位于西十一采區(qū)西翼，走向長度1215 m，傾向長度282.7 m，主采3上煤層。煤層厚度為2.9～6.1 m，平均厚度5.25 m，含一層夾矸，厚度為0.19～0.45 m；煤層傾角2°～10°，平均傾角7°；總體為一單斜構(gòu)造，煤巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)定。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

3上1108 工作面采用MG400/900-WD 型采煤機(jī)進(jìn)行截煤作業(yè)，采高3.8 m。MG400/900-WD 型采煤機(jī)以往采用內(nèi)外噴霧進(jìn)行降塵作業(yè)，效果不佳。為有效控制采煤機(jī)截煤過程中的粉塵濃度，將設(shè)計(jì)的新型機(jī)載噴霧除塵裝置在采煤機(jī)上進(jìn)行改造安裝，并投入實(shí)際應(yīng)用。

改造前后，對采煤機(jī)截煤過程產(chǎn)生的呼吸性粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表1。

從表1 數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用機(jī)載噴霧引射除塵裝置后，呼吸性粉塵濃度大幅度下降，對比應(yīng)用前呼塵平均降塵率達(dá)59.58%。這表明：機(jī)載噴霧除塵裝置對采煤機(jī)截煤過程中產(chǎn)生的粉塵起到了較好的降塵作用，可促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)。

表1 機(jī)載噴霧除塵裝置應(yīng)用前后粉塵濃度

5 結(jié)語

山東能源棗礦集團(tuán)高煤公司井下采煤機(jī)截煤過程中的粉塵主要是采用內(nèi)外噴霧進(jìn)行降塵作業(yè)，在截煤逆風(fēng)狀態(tài)下，采煤機(jī)機(jī)面與搖臂根部區(qū)域粉塵濃度過高，危害較大。設(shè)計(jì)了一種基于噴霧引射管的噴霧除塵裝置，并探索了影響管實(shí)際引射風(fēng)量大小的因素。應(yīng)用結(jié)果表明：機(jī)載噴霧引射除塵裝置能有效降低采煤機(jī)順風(fēng)和逆風(fēng)區(qū)域的粉塵濃度，對比之前呼塵平均降塵率達(dá)59.58%，大幅度提高除塵效率。機(jī)載噴霧引射除塵裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，安裝、檢修、更換方便，使用后降塵效果良好，在降低煤塵、粉塵的同時(shí)，可促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)。