掘進(jìn)機(jī)噴霧降塵系統(tǒng)的設(shè)計與分析

張宇鵬

（陽煤寺家莊有限責(zé)任公司開拓二隊， 山西 晉中 045300）

引言

目前，應(yīng)用于掘進(jìn)巷道防塵技術(shù)主要包括有采用風(fēng)幕、泡沫、布袋等裝置，以達(dá)到降塵的目的，還有基于抽塵凈化等防塵措施。但是，上述防塵措施僅針對固定點(diǎn)的粉塵防治有效果，無法對掘進(jìn)機(jī)截割頭部的粉塵進(jìn)行有效治理[1]，因此根據(jù)掘進(jìn)巷道的工作特點(diǎn)提出將噴霧降塵技術(shù)應(yīng)用于其中。

1 掘進(jìn)工作面粉塵特點(diǎn)分析

實際生產(chǎn)中，掘進(jìn)機(jī)工作面各設(shè)備的布置如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)工作面各設(shè)備布置示意圖

在實際掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)機(jī)的截割頭的位置處于時刻變化中。因此，針對掘進(jìn)機(jī)的粉塵防治采取的降塵措施需解決產(chǎn)塵源點(diǎn)隨機(jī)變動的情況。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研可知，距離掘進(jìn)機(jī)3 m范圍內(nèi)粉塵的濃度最高，且隨著掘進(jìn)巷道的不斷深入，粉塵濃度逐步降低。但是，隨著巷道的深入，不斷提升了消除整個巷道內(nèi)粉塵的難度。

2 噴霧降塵裝置的設(shè)計

目前，應(yīng)用掘進(jìn)巷道的噴霧降塵裝置普遍置于掘進(jìn)機(jī)的后方，且降塵效果不佳。為此，本文提出將噴霧降塵裝置置于掘進(jìn)機(jī)的前方，且需滿足以下要求：降塵裝置能夠跟蹤產(chǎn)塵點(diǎn)達(dá)到實時降塵的目的；要求噴霧降塵裝置的覆蓋區(qū)域足夠；要求噴霧降塵裝置能夠完美使用于各類掘進(jìn)機(jī)[3]。

根據(jù)以上所提出的噴霧降塵裝置的功能要求，將噴霧降塵裝置安裝于截割頭后方，如圖2所示。

圖2 噴霧降塵裝置的布置示意圖

為增大該裝置的覆蓋范圍確保其降塵效果，將噴嘴傾斜安裝，并在噴霧過程中能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動[4]。

噴嘴的傾斜角是決定其覆蓋范圍的關(guān)鍵因素。本文將著重對噴嘴的傾斜角度進(jìn)行計算。其計算如式（1）所示：

式中：α為噴嘴的傾斜角度；D為掘進(jìn)巷道的寬度，結(jié)合現(xiàn)場可知D=4 m；d1為霧滴沿掘進(jìn)機(jī)截割大臂軸線方向的最小有效射程，經(jīng)查表可知d1=1.5 m；d2為噴嘴之間的距離，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)，取d2=1 m。經(jīng)計算可知，α的最小值為45°，為了確保噴霧能夠覆蓋整個工作面，選取冗余系數(shù)為1.2，即α≤45°×1.2=54°，圓整為55°。為確保對整個巷道粉塵達(dá)到降塵的效果，取噴嘴與截割大臂軸線之間的夾角為55°。

3 影響降塵效果的關(guān)鍵因素

噴霧降塵裝置對掘進(jìn)巷道降塵效果除了受噴嘴覆蓋范圍的影響外，還受降塵裝置的供水壓力、噴嘴的數(shù)量以及噴嘴的直徑等因素的影響。為確保噴霧裝置的降塵效果達(dá)到最佳，需確定各影響因素的具體參數(shù)[5]。為此，本文將基于Fluent軟件及Matlab軟件對不同影響因素下噴霧裝置的內(nèi)部流場及最終的降塵效果進(jìn)行仿真分析。根據(jù)經(jīng)驗，特設(shè)計如下頁表1所示的影響因素。

表1 影響降塵效果的各類因素

3.1 供水壓力

本文采取控制變量的原則，設(shè)計噴嘴個數(shù)為4，直徑為1.5 mm的情況下，對不同供水壓力的降塵效果進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同供水壓力降塵效果仿真結(jié)果

從圖3可知，隨供水壓力的增加，現(xiàn)場降塵效果不斷增加。在噴嘴個數(shù)及通徑一定的情況，供水壓力的增加一定程上能夠確保液體獲得更好的噴霧效果，使得水霧的噴射距離增加，增加了水霧的覆蓋范圍，進(jìn)而有效提升了降塵效果。因此，供水壓力為4 MPa時降塵效果最為顯著。

3.2 噴嘴個數(shù)

同樣，在供水壓力（3 MPa）和噴嘴通徑（1.5 m）一定的前提下，對比不同噴嘴數(shù)量下的降塵效果，如圖4所示。從圖4中可看出：降塵效果并不是隨著噴嘴數(shù)量的增加而提升的，當(dāng)噴嘴數(shù)量為4個時，此時噴霧裝置的降塵效果為最佳。原因在于，在供水壓力和噴嘴通徑一定的情況下，隨著噴嘴數(shù)量的增加，液體的出口速度降低，使得其有效射程降低，進(jìn)而降低其覆蓋范圍；且隨著噴霧出口速度的降低，其噴霧效果也降低，從而降低其降塵效果。

3.3 噴嘴通徑

在供水壓力（3 MPa）和噴嘴個數(shù)（4個）一定的前提下，對不同噴嘴直徑下噴霧裝置的降塵效果進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，隨著噴嘴直徑的增大，噴霧裝置的降塵效果降低。原因在于，在噴嘴數(shù)量及供水壓力一定的前提下，隨著噴嘴直徑的增大，液體的出口速度降低，進(jìn)而影響其霧化效果及有效射程，進(jìn)而使其降塵效果降低。理論上，噴嘴直徑越小其降塵效果越好。但是，在掘進(jìn)巷道中噴嘴直徑過小會容易造成噴嘴堵塞，進(jìn)而間接影響其降塵效果。因此，噴嘴直徑應(yīng)為1.5 mm最為適宜。

圖4 不同噴嘴數(shù)量降塵效果仿真結(jié)果

圖5 不同噴嘴直徑下降塵效果仿真結(jié)果

4 結(jié)語

在設(shè)計噴霧降塵裝置時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況對噴嘴與掘進(jìn)機(jī)主軸線的夾角、噴嘴個數(shù)、噴嘴直徑以及供水壓力進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，本文所設(shè)計噴嘴個數(shù)為4個，噴嘴直徑為1.4 mm，供水壓力為4 MPa，此時噴霧裝置的降塵效果為最佳。