掘进机旋转喷雾降尘装置设计及应用

邴永辉

（山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿， 山西 古交 030200）

引言

井下生产作业以掘进先行，而巷道掘进作为开拓过程空间狭小，且尚未形成自然通风系统和生产系统，仅凭机械压入/抽出通风，掘进生产过程中所生成的粉尘无法在短时间内扩散，同时为进行全断面一次掘进，其截割头在工作过程中必须不间断移动，以实现对煤岩体的截割，但其后方所设置的降尘设施为固定设施，无法随掘进机截割头进行位置的调整和变换，降尘效果相对有限。针对当前掘进工作面突出的粉尘问题，基于工作面产尘机理及喷雾降尘机理进行了旋转喷雾降尘装置设计及应用探讨。

1 产尘及喷雾降尘机理

1.1 产尘机理

掘进机截割头截齿通常以掏挖方式并主要通过位于截割头上方的截齿和煤岩体间的接触应力截割及破碎煤岩体，但是截割头破碎范围较为有限，破碎后的煤岩体颗粒因无法及时排出煤巷而继续遭受机械挤压，成为细碎粉尘，在煤巷工作面掘进空间较小及上方风筒风流的作用下，煤岩粉尘便大量悬浮在空气中。

按照对煤岩粉尘运动特性及风筒风流作用原理的分析，巷道掘进工作面粉尘浓度表现出规律性特征，距离工作面3 m 以内的粉尘浓度最高，并随距离增大，粉尘浓度不断降低，但较大的工作面粉尘弥漫污染面积使降尘难度大大增加。

1.2 喷雾降尘机理

喷雾降尘机理主要包括重力降尘、尘粒惰性凝结、雾滴拦截捕尘及扩散捕集[1]等过程。通过若干旋转射流喷嘴向尘源喷射水雾后形成网络状水雾包裹尘源，粉尘在水雾中充分接触雾化液滴，湿润后凝结成团，粉尘自重逐渐增大，待达到一定重量后便会从气流中沉降。此外，旋转水雾罩还会同时形成二次负压区[2]，将部分逃逸的煤尘抽吸捕捉，有效阻挡其扩散，最终取得较佳的降尘效果。

2 旋转喷雾降尘装置设计及安装

2.1 降尘装置设计

所设计出的旋转喷雾降尘装置外形尺寸550mm×200 mm×220 mm，整机质量25 kg，喷嘴设计口径Φ2.0 mm，供水压力2～3 MPa，理论耗水量≤16 L/min，马达额定功率和额定转速为1.5kW 和1480r/min，马达工作压力8～14 MPa，运行噪声≤25 dB（A）。其主体结构及构成情况具体如图1 所示，此种降尘装置驱动方式有气动、电动和液动等，考虑到与掘进机配套的方便性及运行安全性，首选液压驱动方式，即降尘装置液压马达主要借助掘进机的高压油动力驱动并与掘进机联动运行，以达到有效喷雾降尘的目的。

图1 旋转喷雾降尘装置主体结构

该掘进机旋转喷雾降尘装置水槽盖上装有射流喷嘴，在液压马达的带动下以分水轴形式运转，高压水在分水体通过接头座注入水源后便进入分水轴，进而由喷嘴高速喷出锥形喷雾罩。在截割大臂尾端平台轴线处对称设置两套旋转喷雾装置，并使其随截割大臂的调整而调整。同时所喷射出的锥形水雾罩内外还会形成负压区，游离于旋转锥面内外的粉尘将全部被负压吸入高速雾流面，以实现准确定位，达到全面捕尘、喷雾降尘、控尘的目的。

2.2 动力来源

部分常用掘进机组携带有冗余高压油泵，所能提供的油压和高压油流量至少为8.0 MPa、46.0 L/min，在掘进机上所装载的降尘装置主要以高压油泵为动力源；而对于其他不带高压油泵的装置，其高压油主要依靠机组油缸回路提供的机组而言，其降尘装置便以此为动力源，油压和高压油流量可分别达到8.0MPa、50.0 L/min。以上两种动力源均能达到旋转喷雾降尘装置马达高压油流量及油压要求。

2.3 降尘装置安装

将两根槽钢主梁以上下对称的形式安装于掘进机截割臂尾部平台，再将旋转喷雾降尘装置紧固于槽钢主梁处，为避免采掘过程中掉落的煤块砸到降尘设备，还应通过螺栓将防护罩加装在槽钢主梁降尘装置主体结构外侧。安装好后的降尘装置能够随掘进机截割臂的移动而移动，这种机载移动模式能进行截割头准确定位，并提升降尘喷雾效果。在掘进机组油缸总回油管路上连接旋转喷雾降尘装置进油和回油管路，通过供油量调节以进行无级调速[3]；从掘进工作面静压水管路通过高压胶管向降尘装置引水，以便在掘进机机载移动的同时使降尘装置和掘进机联动工作，有效喷雾降尘。

3 应用效果

某煤巷主要沿2 号煤层底板掘进，采用EBZ-135 型掘进机以机械破岩方式所掘进的矩形断面尺寸为4 000 mm×3 500 mm。在掘进机截割臂上按上述设计要求对称安装2 个旋转喷雾降尘装置，液压驱动，静压水主要通过输水管路连接，各旋转喷雾降尘装置均设置4 个内径2.0 mm 的喷嘴。现场检测时测试水压力2.5 MPa，降尘装置实际耗水13.0 L/min，煤巷掘进过程中粉尘浓度主要通过便携式、直读式粉尘测定仪进行测定，该仪器质轻、体积小，且对于煤矿井下环境中呼吸性粉尘浓度测定精度高。沿巷道轴向均匀布置采样点，分别进行原降尘设备下粉尘浓度和旋转喷雾降尘装置安装后降尘浓度的对比检测。根据比较结果，在原掘进机喷雾降尘设备下掘进机作业过程中粉尘几乎充满全部巷道断面，且呈持续扩散态势；而将旋转喷雾降尘装置安装在掘进截割臂上后，降尘效果显而易见（见表1），巷道工作面全尘浓度最低至14.23 mg/m3，呼吸性粉尘浓度最低降至1.04 mg/m3，全尘降尘效率和呼吸性粉尘降尘效率分别达到76.21%和71.1%，掘进工作面作业环境显著改善，且旋转喷雾降尘装置喷射水雾角度更加合理，降尘覆盖面积也更大，工效更高。

表1 旋转喷雾降尘装置降尘效果统计