采煤机负压二次降尘技术*

2015-05-11张超

机械研究与应用 2015年6期

张超

(山西省雁北煤炭工业学校，山西大同 037005)

0 引言

随着社会的发展，当今社会对于煤炭等化石燃料有着相当大的需求，而煤矿的开采和运输势必伴随着相当多的粉尘产生，这对于井下工作人员的生命安全造成了严重的影响，粉尘不仅会影响井下工作人员的身体健康，更会带来爆炸的安全隐患，因此探究井下降尘技术具有重要的应用价值，而负压二次降尘技术在使用过程中的优点则尤为突出。

1 粉尘的危害

尘肺病是一种危害极大的职业病，因其难以发现，一旦发现患者肺部的功能就已经收到了严重的损害，难以治愈。而煤矿工人换尘肺病的几率远远高于其他的职业，粉尘是导致煤矿工人患尘肺病的主要原因。从安全生产的角度来看，井下粉尘的浓度过高易发生爆炸，井下煤尘在一定条件下不仅能单独发生爆炸，还能参与瓦斯爆炸，破坏设备甚至毁坏整个矿井。此外，井下粉尘的浓度过高，不仅影响工作人员在劳动时的体验，更会影响工作人员的视线，从而导致安全隐患难以被发现和消除。而且粉尘还容易进入井下的各种工作设备之中，加速设备的磨损，导致设备难以正常工作，影响煤矿企业的正常生产［1］。

2 采煤工作面上的降尘和产尘技术

在采煤机械工作的过程中，采煤机滚筒的截齿与煤炭接触时靠巨大的作用力使得煤体破碎，之后运出井外，而在不断的切割煤体的过程中，破碎的煤体中储存了较多的弹性势能，而随着弹性势能的不断增大，煤体最终破裂形成一定的粉尘，这是井下粉尘的主要来源。

当前主要采用喷雾系统来降低工作面内的粉尘，并且是内外两个喷雾一起使用的效果更好，内外两个喷雾一起使用的效果相较于单独的喷雾系统效率提高了25%左右。但是，当前使用的内外喷雾系统多是采用低压灭尘，这种灭尘方式的水压往往低于2 MPa，水压过低会导致灭尘达不到的效果，并且喷水口容易被灰尘堵住，水压过低就冲不开灰尘，致使整个管道的堵塞，最终整个喷雾系统的效率越来越低。

负压二次降尘的关键原理为:①将内外喷雾系统作为第一次降尘，其降尘的效果能够达到80%～90%，这个系统保留不做改动;②经过首次降尘之后的粉尘虽然不多，但是长久积累起来还是会有很高的浓度，因此这些粉尘是采煤机二次降尘的目标，采煤机的负压二次降尘是通过高压水雾活塞相关技术，控制涡旋风流场，将剩余的粉尘在扩散的过程中进行捕捉，通过净化及吸收涡旋风流来实现降尘目的。

3 水雾活塞技术

本文以长为30 cm，内径为10 cm的钢管作为基础性的试件，为精确测量吸风量，将内径20 cm的喇叭口焊接在试件的某一段，并在钢管里设喷嘴座，向钢管内通入高压的水流，水流经过喷嘴之后形成喷雾，水雾扩散的直径大于钢管内径时就会形成水雾活塞的现象，前方的水雾不断被后方的水雾推出，而前方水雾扩散形成的真空区域就成为了后方水雾前进的动力，此时就不需要额外提供动力。此时空气中的粉尘与水雾结合之后其重力大于浮力，就会沉降下来，与降雨的原理相同［2］。

实验中采用了0．8 mm、1．5 mm、2 mm 的喷嘴作为实验材料，水的压力由5 MPa增加到20 MPa，通过风表将试件喇叭口的吸风速度测出，和面积相乘之后得出吸风量，进而得到耗水量的数据。通过对于大量数据的统计和计算可以得到以下的结论:喷嘴和水压相同时，喷嘴口径越小，喷嘴的吸风效率越高。0．8 mm口径的喷嘴的吸风体积几乎是耗水体积的4 000倍，而1．5 mm口径的喷嘴的吸风体积几乎是耗水体积的3 000倍，2 mm口径的喷嘴只有1 600倍左右。但是0．8 mm口径的喷嘴的吸风体积虽然大却更容易堵塞，2 mm口径的喷嘴的口径虽然大但是吸风量更少，因而选用1．5 mm口径的喷嘴更为适宜。

喷嘴的口径在1．5 mm时水压从5MPa增加到10 MPa的过程中吸风量由12．6 m3/min增加至20．6 m3/min，也就是压力每提升1 MPa，吸风量增加1．6 m3/min。但是随着水压超过10 MPa，压力每提升1 MPa，吸风量增加0．77 m3/min。其效率是呈现下降的趋势的。考虑到水压的输送的过程中存在损失，因此在负压二次降尘技术的应用时，最好选择压力为12 MPa。

按照实验数据，水压与吸风量、耗水量、雾粒的体积及数量都有一定的关系。其中雾粒直径DW的计算公式如下:

式中:DW是雾粒的直径，单位为μm;DP为喷嘴的直径，单位为mm;PP为水压，单位为MPa;Kb为比例常数，取常数34 530。

由上述的计算公式可以得到在喷嘴为1．5 mm的情况下，雾粒的直径与水量、水压存在下表所示的关系，见表1。

表1 雾粒的直径与水量、水压间的关系

4 降尘装置的研制

结合煤矿井下的实际生产情况和各种可能的情况，在采煤机的两端布置相应的分体式的降尘装置，一个滚筒配置一个负压除尘装置，所有除尘装置的供水可以由同一个管道系统实现。而实际上还可以在以下方面对除尘装置进行优化。

4．1 装置的小型化

煤矿井下的作业条件复杂，受制于地质条件的限制，有的工作面空间狭小，这就要求降尘装置必须实现小型化，只有小型化的降尘装置才能够顺利运输进入井下，也便于在使用之后的维护和修复。并且工作面推进之后也能够很容易随着开采机械移动。

4．2 吸收及净化割煤时产生的风流

以MG－300/700－WD型的采煤机为例，如果滚筒的直径为1．6 m，单个滚筒的排风量能够达到40～50 m3/min，如果吸风量能达到风流量的两倍，则空气中悬浮的粉尘就可以轻易被吸收净化，由此达到除尘的目的。

4．3 可靠性的设计

为了保证除尘系统工作时的稳定性，从而降低各方面的成本，在安装喷嘴之前最好将喷嘴内部清洁一次，清洗掉所有的加工后残留的金属碎屑，从而降低喷嘴出现阻塞的机率，并且更换喷嘴的成本也很低，操作方便快捷。

5 装置的效果分析

负压二次降尘装置可以把降尘范围内的吸尘浓度从625．0 mg/m3降到210．2．0 mg/m3，降低 65%．呼尘浓度从320．0 mg/m3降到105．0mg/m3降低66%。在实际使用的效果中，井下工作人员的反响也比较好，普遍认为井下工作的环境得到了优化，呼吸道中粉尘的量少了，各种身体上的不适感明显减轻［3］。