掘进机负压二次喷雾降尘装置的研究

冯海钢，唐云鹏

（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司，山西 高平 048400）

引言

掘进机作为煤矿综采作业的重要的机械设备，对提高煤矿井下综采效率具有十分重要的意义，为避免掘进机在掘进作业时产生的粉尘随巷道内的气流扩散影响井下的作业安全，通常在掘进机上设置有喷雾降尘装置，目前最常用的外喷雾降尘装置在工作时所形成的水雾为平面状，不仅无法对大范围的粉尘进行全覆盖沉降，而且耗水量大、对粉尘沉降效率低下[1]，因此，需要开发一种新的喷雾降尘装置，提升对空气中各种粉尘颗粒的沉降能力。

1 负压二次喷雾降尘机理

当液体在高压空气作用下向外喷雾时，在喷出的水雾的直径大于喷嘴喷管的直径的情况下便产生了水雾活塞结构，当水雾被喷出后便在喷嘴内侧形成了一个低压区域，在内外压差的作用下外界的空气便进入到喷管吸入口的内部，在喷嘴内的沉降区域，空气中的粉尘颗粒与水雾碰撞后结合导致粉尘颗粒重量增加，经润湿后外表面的结合度增大，使粉尘颗粒间的结合能力增强，当从喷管喷出后便在重力的作用下沉降，空气被净化后，与周围的水雾形成混合物继续从喷管喷出，在入口周围形成了一个负压空间，外界的含尘空气在压差的作用下进入到喷雾场内，使空气中的粉尘颗粒得到了二次净化处理，喷嘴的负压二次喷雾沉降机理如图1所示。

图1 喷嘴的负压二次喷雾沉降机理

2 新型负压二次喷雾降尘装置

在对现有喷雾降尘装置工作缺点进行分析的基础上，根据掘进机执行截割作业时的产尘机理和负压二次降尘原理，设计了一种新的一体化的喷雾降尘装置，实现了将喷雾降尘和负压二次降尘的有效结合，其整体结构如图2所示，在掘进机上的布置形式如图3所示[2]。

图2 一体化负压二次喷雾降尘装置示意图

图3 一体化负压二次喷雾降尘装置布置示意图

由图2、图3可知，将新的一体化的负压二次喷雾降尘装置安装在掘进机截割臂的固定位置，其与掘进机截割滚筒的距离保持恒定，在进行喷雾降尘时产生的水雾可将截割机构完全覆盖，确保在截割时产生的粉尘能够得到最大限度的沉降。根据负压降尘原理，在喷嘴气流入口位置产生负压场，使含尘的空气进入到降尘装置的引射机构内，经过与水雾的充分混合后从锥形罩处喷出，实现与水雾的二次结合，增强对空气中粉尘的沉降效果。

3 不同喷雾压力下的负压降尘效果分析

该新型的一体化的负压二次喷雾降尘装置的喷嘴内径为2.1 mm，为对不同喷雾压力下该喷雾降尘装置的降尘效果进行分析，本文采用X结构流芯喷嘴及激光粒度分析器、压力表等设备对喷雾降尘装置分别在20ba（r2MPa）、40ba（r4MPa）、60ba（r6MPa）、80ba（r8MPa）喷雾压力下，2.0 m处的雾化降尘效果及索特平均直径D32进行分析[3]，结果见表1。

表1 不同喷雾压力下的负压降尘雾化参数

由表1分析可知，随着喷雾装置喷雾压力的增加，负压喷雾装置的雾化角逐渐降低，工作时的雾化角在20 bar的工作压力下为90.2°，当工作压力增加到80 bar时其喷雾的雾化角则降低为72.3°。负压降尘装置喷射时的有效射程随着喷雾压力的增加而逐渐增大，其流量变化趋势也是随着压力的增加而增大，在距离喷嘴位置2 m处的雾滴的索特平均直径则是先由20 bar情况下的62.54μm先大幅降低到40 bar情况下的55.28μm，然后逐渐降低到80 bar时的51.08μm。综合分析可知，当喷雾压力为40 bar时该喷雾降尘装置具有最优的喷雾降尘效果。

在不同喷雾压力下的负压降尘装置的吸风量统计如表2所示：随着喷雾压力的不断提高，喷雾降尘装置工作时的流量和吸风量均呈现逐渐增加的趋势，工作时的气液比在压力为40 bar时达到最大，约为1.267，然后逐渐降低，在压力为80 bar时达到最小，约为1.158。由此可知，当喷雾降尘装置的工作压力为40 bar时喷雾降尘装置具有最优的性能。

表2 不同喷雾压力下的吸风效果对比

4 喷雾降尘效果的试验验证

将该喷雾降尘装置在某矿井下巷道内分别对开启原有喷雾降尘装置和开启现有喷雾降尘装置的喷雾效果进行对比分析，如表3所示。

表3 不同喷雾压力下的负压降尘雾化参数mg/m3

由表3可知，采用新的负压二次喷雾降尘装置后其对全尘的沉降效率分别提升了42.8%、43.5%、45.6%、42.4%、42.8%，平均降尘效果提升了约43.42%，对呼尘的沉降效率分别提升了44.1%、45.1%、43.2%、43.4%、42.2%，平均降尘效果提升了约43.6%，由此可知新型的喷雾降尘装置能够显著提升煤矿井下全尘和呼尘的沉降效率，这主要是由于采用新型喷嘴结构和负压二次降尘后形成的水雾能对产尘区域全覆盖同时，能对空气进行负压二次除尘。