綜采及掘進(jìn)工作面強(qiáng)力除塵裝置的設(shè)計(jì)

梁 先

（山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

當(dāng)前，隨著綜掘工作面生產(chǎn)效率的不斷提升，作業(yè)人員對(duì)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(wú)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(shè)計(jì)了一款泡沫降塵裝置。

1 泡沫降塵機(jī)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(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）泡沫能夠無(wú)限擴(kuò)散至綜掘設(shè)備的截割四周，從而能夠阻斷粉塵的傳播源頭。

2）泡沫相對(duì)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(guò)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(rùn)性能，縮短粉塵被濕潤(rùn)的時(shí)間。即，泡沫降塵措施對(duì)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(hù)層，從而有效抑制了粉塵、煤塵的二次揚(yáng)塵的效果[1-2]。

2 泡沫降塵裝置的設(shè)計(jì)

2.1 泡沫除塵裝置的系統(tǒng)組成

泡沫除塵裝置的結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)綜掘工作面降塵的目的[3]。

圖1 泡沫除塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 發(fā)泡器結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)而成的，為達(dá)到最佳泡沫發(fā)生效果，需對(duì)文丘里管內(nèi)各部分尺寸進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)[4]。

結(jié)合泡沫除塵裝置在實(shí)際應(yīng)用中的流量及流速，并在查閱機(jī)械手冊(cè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)發(fā)泡器的最大通徑為97 mm，修正為D0=100 mm，設(shè)計(jì)發(fā)泡器的進(jìn)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(zhǎng)Lk=3d3=30 mm；漸縮管大端直徑D1=D0=100 mm；漸縮管長(zhǎng)度L1=3d3=30 mm；漸擴(kuò)管大端直徑D2=D0=100 mm；漸擴(kuò)管長(zhǎng)度經(jīng)計(jì)算得出發(fā)泡器文丘里管的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2 所示。

圖2 文丘里管尺寸結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 泡沫噴射裝置的設(shè)計(jì)

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(duì)比研究，泡沫噴頭采取一字形結(jié)構(gòu)，將采煤機(jī)或者掘進(jìn)機(jī)滾筒的截齒進(jìn)行包裹，從而防止粉塵、煤塵的擴(kuò)散[5]。綜合考慮掘進(jìn)機(jī)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(gè)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(jìn)機(jī)在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)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(jìn)機(jī)機(jī)身的后端，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面情況對(duì)降塵裝置的位置進(jìn)行調(diào)整。降塵裝置在掘進(jìn)機(jī)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(fēng)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(jìn)在比例混合器中充分混合后進(jìn)入發(fā)泡器中。由發(fā)泡器所產(chǎn)生泡沫經(jīng)高壓膠管進(jìn)入泡沫分配器中，繼而分配至各個(gè)噴頭，由噴頭將泡沫噴出，達(dá)到對(duì)工作面降塵的目的。

3 泡沫降塵裝置的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

以我礦S645 掘進(jìn)工作面為研究載體，該掘進(jìn)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(jìn)過(guò)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(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)采用噴霧降塵時(shí)耗水量大，且噴嘴容易被阻塞，嚴(yán)重影響了綜采工作面的降塵效率。故，將本文所設(shè)計(jì)泡沫降塵裝置應(yīng)用于其中，以對(duì)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(jī)操作位置所測(cè)得的粉塵質(zhì)量濃度為4 531 mg/m3，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身后5 m 所測(cè)得粉塵質(zhì)量濃度為3 621 g/m3。

3.2 應(yīng)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(jìn)機(jī)機(jī)身，并為其提供穩(wěn)定的水源和風(fēng)源。其中，水源的壓力為0.5 MPa，風(fēng)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(duì)該工作面司機(jī)位置處，掘進(jìn)機(jī)機(jī)組5 m 后，距迎頭50 m、100 m 處四個(gè)位置的粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 泡沫降塵效果對(duì)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(jī)位置處的改善效率高達(dá)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(dá)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(jié)論

將本文設(shè)計(jì)的泡沫降塵裝置應(yīng)用于S645 掘進(jìn)工作面。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可知，泡沫降塵裝置能夠有效降低司機(jī)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(chǔ)。