掘进机喷雾降尘系统的设计与分析

2020-03-14张宇鹏

机械管理开发 2020年1期

张宇鹏

（阳煤寺家庄有限责任公司开拓二队，山西晋中 045300）

引言

目前，应用于掘进巷道防尘技术主要包括有采用风幕、泡沫、布袋等装置，以达到降尘的目的，还有基于抽尘净化等防尘措施。但是，上述防尘措施仅针对固定点的粉尘防治有效果，无法对掘进机截割头部的粉尘进行有效治理[1]，因此根据掘进巷道的工作特点提出将喷雾降尘技术应用于其中。

1 掘进工作面粉尘特点分析

实际生产中，掘进机工作面各设备的布置如图1所示。

图1 掘进工作面各设备布置示意图

在实际掘进过程中，掘进机的截割头的位置处于时刻变化中。因此，针对掘进机的粉尘防治采取的降尘措施需解决产尘源点随机变动的情况。经现场调研可知，距离掘进机3 m范围内粉尘的浓度最高，且随着掘进巷道的不断深入，粉尘浓度逐步降低。但是，随着巷道的深入，不断提升了消除整个巷道内粉尘的难度。

2 喷雾降尘装置的设计

目前，应用掘进巷道的喷雾降尘装置普遍置于掘进机的后方，且降尘效果不佳。为此，本文提出将喷雾降尘装置置于掘进机的前方，且需满足以下要求：降尘装置能够跟踪产尘点达到实时降尘的目的；要求喷雾降尘装置的覆盖区域足够；要求喷雾降尘装置能够完美使用于各类掘进机[3]。

根据以上所提出的喷雾降尘装置的功能要求，将喷雾降尘装置安装于截割头后方，如图2所示。

图2 喷雾降尘装置的布置示意图

为增大该装置的覆盖范围确保其降尘效果，将喷嘴倾斜安装，并在喷雾过程中能够进行旋转运动[4]。

喷嘴的倾斜角是决定其覆盖范围的关键因素。本文将着重对喷嘴的倾斜角度进行计算。其计算如式（1）所示：

式中：α为喷嘴的倾斜角度；D为掘进巷道的宽度，结合现场可知D=4 m；d1为雾滴沿掘进机截割大臂轴线方向的最小有效射程，经查表可知d1=1.5 m；d2为喷嘴之间的距离，结合掘进机的结构，取d2=1 m。经计算可知，α的最小值为45°，为了确保喷雾能够覆盖整个工作面，选取冗余系数为1.2，即α≤45°×1.2=54°，圆整为55°。为确保对整个巷道粉尘达到降尘的效果，取喷嘴与截割大臂轴线之间的夹角为55°。

3 影响降尘效果的关键因素

喷雾降尘装置对掘进巷道降尘效果除了受喷嘴覆盖范围的影响外，还受降尘装置的供水压力、喷嘴的数量以及喷嘴的直径等因素的影响。为确保喷雾装置的降尘效果达到最佳，需确定各影响因素的具体参数[5]。为此，本文将基于Fluent软件及Matlab软件对不同影响因素下喷雾装置的内部流场及最终的降尘效果进行仿真分析。根据经验，特设计如下页表1所示的影响因素。

表1 影响降尘效果的各类因素

3.1 供水压力

本文采取控制变量的原则，设计喷嘴个数为4，直径为1.5 mm的情况下，对不同供水压力的降尘效果进行仿真分析。仿真结果如图3所示。

图3 不同供水压力降尘效果仿真结果

从图3可知，随供水压力的增加，现场降尘效果不断增加。在喷嘴个数及通径一定的情况，供水压力的增加一定程上能够确保液体获得更好的喷雾效果，使得水雾的喷射距离增加，增加了水雾的覆盖范围，进而有效提升了降尘效果。因此，供水压力为4 MPa时降尘效果最为显著。

3.2 喷嘴个数

同样，在供水压力（3 MPa）和喷嘴通径（1.5 m）一定的前提下，对比不同喷嘴数量下的降尘效果，如图4所示。从图4中可看出：降尘效果并不是随着喷嘴数量的增加而提升的，当喷嘴数量为4个时，此时喷雾装置的降尘效果为最佳。原因在于，在供水压力和喷嘴通径一定的情况下，随着喷嘴数量的增加，液体的出口速度降低，使得其有效射程降低，进而降低其覆盖范围；且随着喷雾出口速度的降低，其喷雾效果也降低，从而降低其降尘效果。

3.3 喷嘴通径

在供水压力（3 MPa）和喷嘴个数（4个）一定的前提下，对不同喷嘴直径下喷雾装置的降尘效果进行仿真分析，仿真结果如图5所示。

如图5所示，随着喷嘴直径的增大，喷雾装置的降尘效果降低。原因在于，在喷嘴数量及供水压力一定的前提下，随着喷嘴直径的增大，液体的出口速度降低，进而影响其雾化效果及有效射程，进而使其降尘效果降低。理论上，喷嘴直径越小其降尘效果越好。但是，在掘进巷道中喷嘴直径过小会容易造成喷嘴堵塞，进而间接影响其降尘效果。因此，喷嘴直径应为1.5 mm最为适宜。