采煤机喷雾降尘装置的应用研究

2021-04-08陈凤娇

机械管理开发 2021年1期

陈凤娇

（山西大同煤矿集团有限公司煤峪口矿，山西大同 037001）

引言

采煤机是煤矿井下综采作业的核心，随着综采自动化水平的不断提高，采煤机综采作业效率得到了极大的提升，由此导致综采面的粉尘浓度居高不下，给井下综采作业安全带来了严重的隐患。目前采煤机的喷雾降尘装置主要采用了内喷雾降尘和外喷雾降尘相结合的方式，通过给喷雾系统施加极大的喷雾压力将液体雾化，从而实现对综采区域的降尘。喷雾装置的雾化效果和喷组直径、喷雾压力关系密切，受零部件使用寿命影响，喷雾降尘装置的喷雾压力一般不超过2 MPa，否则将严重影响喷雾降尘装置的使用寿命，因此目前主要通过降低喷嘴直径来保证喷雾降尘的范围，由此导致了喷嘴极易被堵塞，严重影响了综采面的喷雾降尘效果。

本文分析一种新的采煤机喷雾降尘装置。该装置中设置有负压二次降尘系统，可实现在不改变采煤机现有降尘装置布局情况下快速提升降尘能力的需求，利用流体仿真分析软件对喷雾降尘装置的工作参数进行了优化，根据实际应用表明优化后采煤机的降尘效果提升了62.74%以上，显著提升了井下综采作业环境和综采作业效率。

1 新装置负压二次降尘系统结构与工作原理

针对现有采煤机喷雾降尘装置喷雾压力不足导致喷口易堵塞、降尘效率不足的现状，提出了一种新的负压二次降尘系统，主要由增压水泵、供水控制系统、高压管路等构成，其不改变现有采煤机喷雾降尘装置的整体结构，改造方便、经济性好。在工作时利用井下巷道内的高压管路传输液体，将负压降尘装置设置到采煤机的两个截割滚筒处，通过增压水泵将水转化为高压水，然后通过喷嘴喷向指定区域，从而达到提升喷雾压力、提高降尘效果的目的[1]，该负压二次降尘系统管路布置和降尘原理如图1 所示。

图1 二次负压降尘装置布置结构示意图

在喷雾降尘装置工作的过程中，管路内的静压水经过增加泵的增压后形成高压水，然后通过喷嘴以高压、高速喷雾的形式喷出，在喷雾降尘的过程中可以根据降尘需求调整喷雾压力和喷嘴角度。喷出的水雾在采煤机截割滚筒和摇臂间形成一个高压的水雾隔离圈。高压水雾在喷出后可以在截割滚筒附近区域形成一个负压场[2]，能同时将截割滚筒附近的粉尘吸入到水雾圈内，空气中的粉尘和水雾结合后逐渐聚合，质量加大，从而获取良好的沉降效果。

2 新装置喷雾降尘参数对降尘效果的影响

采煤机喷雾降尘装置的喷雾降尘效果和喷雾压力、喷射半角、喷雾降尘距离、喷嘴角度等密切相关。由于采煤机截割作业时喷雾降尘装置距离截割滚筒的距离和角度一定，通过对粉尘直径的分析，当喷嘴处直径大于3 mm 时堵孔概率会显著降低，因此在假设其他条件一定的情况下，本文重点研究喷雾压力和喷射半角对降尘效果的影响。

2.1 喷雾压力对降尘效果的影响

喷雾压力越大对水的雾化效果越好、喷雾降尘的范围越大，但是喷雾压力的增加会导致系统泄漏量增加，也会降低管路系统的使用寿命，因此本文利用FLUENT 流体仿真分析软件[3]建立喷雾降尘系统的仿真分析模型，设置喷雾降尘压力为2～12 MPa 之间变化，对喷雾降尘装置的覆盖范围进行检测，结果如图2 所示。

图2 不同喷雾压力下的水雾覆盖范围

由图2 可知，随着喷雾压力的上升，水雾覆盖范围由小到大，然后再由大到小，这主要是由于喷嘴直径的限制，压力的增加使出水速度已经达到了喷嘴出口的最大流量，继续增加压力无法增大出水量，因此在现有喷嘴直径下，二次负压降尘系统的最佳工作压力为 3～4 MPa。

2.2 喷射半角对降尘效果的影响

喷射半角主要会影响喷雾降尘时的负压和降尘喷雾区域，若喷射半角过大则会导致水雾喷出时和圆筒的四周相撞，在喷腔内形成反射，影响喷雾时的连续性；如果喷射半角不足则会导致水雾喷出时的角度分布范围缩小，影响负压分布半径。利用FLUENT 流体仿真分析软件，建立喷射半角在不同范围时的喷雾降尘仿真模型，对喷射半角为10°～30°时的喷雾影响范围进行分析，结果如图3 所示。

图3 不同喷射半角下的水雾覆盖范围

由图3 可知，随着喷射半角的增加，水雾的覆盖范围先逐渐增大然后再逐渐降低，这主要是由于喷射半角超出一定范围后导致水雾在喷腔内形成反射，影响水雾连续性导致的，在其他参数不变的情况下，负压二次喷雾降尘装置的喷射角设置为20°时，具有最佳的喷雾降尘效果。

2.3 喷雾压力对工作负压与工作性能的影响

利用FLUENT 流体仿真分析软件对3～4 MPa 喷雾压力下的负压效果进行分析，发现当喷雾压力小于3.7 MPa 时管内负压随着喷雾压力的增加增长最快，而当喷雾压力超过3.7 MPa 后，负压则随着喷雾压力的增加呈现缓慢增加的趋势，这主要是在其他参数一定的情况下，喷雾压力增加导致喷嘴后侧的进气断面迅速扩大，空气已经达到了最大的喷口进气量，因此难以产生更高的负压。综合不同压力对喷雾降尘效果和对元器件使用寿命的影响[4]，当喷雾压力为3.7 MPa 时具有最佳的工作性能。