掘進機降塵裝置的優(yōu)化研究

李龍基

（華陽新材料科技集團有限公司五礦，山西 陽泉 045000）

引言

掘進機是煤礦井下掘進作業(yè)的核心，其工作特性直接決定了巷道掘進的效率和安全性，由于掘進機在截割作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，不僅遮擋視線，影響掘進作業(yè)安全，而且還會對掘進面作業(yè)人員的身體健康產(chǎn)生較大的影響。目前對掘進作業(yè)面的降塵主要是利用掘進機上的外置式噴霧降塵裝置，管路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、除塵效率低、噴嘴易堵塞，無法滿足高速掘進時快速降塵的需求，只能通過降低巷道掘進速度的方式來滿足井下掘進作業(yè)，嚴重限制了井下巷道掘進效率的提升。因此，本文提出了一種新的掘進機降塵裝置。

1 噴霧降塵裝置結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)有的外置式噴霧降塵裝置的不足，本文提出了一種新的內(nèi)置式的負壓降塵裝置，能夠在截割裝置的局部形成一個負壓空間，把截割后尚未擴散的粉塵給吸入到裝置內(nèi)部進行過濾，從而有效地降低掘進作業(yè)時的粉塵濃度，具有結(jié)構(gòu)緊湊、除塵效率高的優(yōu)點，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

由圖1可知，該內(nèi)置式除塵裝置主要由7個部分組成，吸入結(jié)構(gòu)和鍵軸通過花鍵相互連接，除塵收集器、過濾裝置等均通過螺栓和負壓管路相組合。在負壓降塵系統(tǒng)的尾部設(shè)置有負壓泵，用于為整個系統(tǒng)提供真空負壓，掘進機在進行截割作業(yè)時，在吸入結(jié)構(gòu)的端部形成一個局部的負壓區(qū)，截割作業(yè)時產(chǎn)生的粉塵在負壓作用下進入到除塵收集器和過濾裝置內(nèi)，經(jīng)過過濾后的粉塵經(jīng)過排塵口排出，過濾后的空氣則通過排氣口排出，

圖1 內(nèi)置式負壓除塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 巷道掘進模型的建立

為了對該降塵裝置的實際降塵效果進行分析，利用CATIA仿真分析軟件建立帶負壓降塵裝置的掘進機截割頭三維模型，然后利用EDEM軟件建立煤壁的仿真分析模型[2]，對截割過程中的降塵情況進行實際仿真分析。

根據(jù)掘進機截割作業(yè)時的實際轉(zhuǎn)速，在仿真分析時截割轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 r/min，進給速度設(shè)置為90 mm/min。為了最大限度地模擬井下煤壁的實際物理狀態(tài)，設(shè)置煤壁的泊松比為0.35，剪切模量為9.45×1010Pa，煤層密度為2 783 kg/m3，煤層的靜摩擦因數(shù)為0.56，粉塵的直徑設(shè)置為0.05～1.5 mm，符合實際掘進作業(yè)時的粉塵直徑狀態(tài)。為了防止粉塵在除塵裝置內(nèi)的堵塞，根據(jù)煤粒直徑和密度分布，在仿真分析時其流速應(yīng)選擇不低于32 m/s。

在仿真分析時必須考慮管路內(nèi)的壓力損失，水平管路內(nèi)的沿程靜壓力損失設(shè)置為217.02 MPa，在真空吸附力的作用下粉塵在管路內(nèi)的加速壓力損失設(shè)置為192.71 MPa，在管路接頭位置的總的局部壓力損失可設(shè)置為55.72 MPa，負壓裝置的吸塵功率不低于0.19 kW，截割仿真分析模型如下頁圖2所示[3]。

圖2 截割機構(gòu)截割仿真分析模型

3 不同孔徑除塵性能的研究

由于煤礦井下的環(huán)境相對復(fù)雜，截割作業(yè)時的粉塵濃度變化大，因此對內(nèi)置式負壓吸附裝置的吸附要求更高，既不能出現(xiàn)堵孔的情況，也不能影響除塵的效率，因此在仿真分析時對孔徑為16 mm（方案一）、22 mm（方案二）、28 mm（方案三）三組不同孔徑下的除塵特性進行研究，通過對除塵裝置內(nèi)煤塵和巖塵顆粒的累計質(zhì)量統(tǒng)計[4]，進而獲取實際的除塵率。截割作業(yè)過程中區(qū)域內(nèi)的煤塵累積質(zhì)量變化情況如圖3所示。

圖3 區(qū)域內(nèi)煤塵累積質(zhì)量變化示意圖

由圖3可知，隨著仿真時間的增加，除塵裝置內(nèi)粉塵的累積質(zhì)量逐漸增加，在第20 s時方案一情況下粉塵累積質(zhì)量為4 822.76 mg，方案二情況下的粉塵累積質(zhì)量約為5 172.4 mg，方案三情況下的粉塵累積質(zhì)量約為5 927.7 mg，由此可知，當(dāng)降塵裝置孔徑為28 mm的情況下，系統(tǒng)對煤塵的降塵作用最好。

截割作業(yè)過程中，區(qū)域內(nèi)的巖塵累積質(zhì)量變化情況如圖4所示。

由圖4可知，隨著仿真時間的增加，除塵裝置內(nèi)巖塵的累積質(zhì)量逐漸增加，在第20 s時方案一情況下巖塵累積質(zhì)量為0.051 1 mg，方案二情況下的巖塵累積質(zhì)量約為0.056 2 mg，方案三情況下的巖塵累積質(zhì)量約為0.058 6 mg，由此可知，當(dāng)降塵裝置孔徑為28 mm的情況下，系統(tǒng)對巖塵的降塵作用最好。

圖4 區(qū)域內(nèi)巖塵累積質(zhì)量變化示意圖

由此可知，當(dāng)負壓除塵裝置的進氣口直徑為28 mm的情況下具有最佳的降塵效果，同時通過對掘進機降塵方式的優(yōu)化，能夠進一步提升掘進機掘進作業(yè)的速度，將巷道掘進效率提升7.2%，將粉塵濃度降低44.1%，對提升煤礦井下巷道掘進作業(yè)的經(jīng)濟性和安全性具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

1）內(nèi)置式負壓降塵裝置，能夠在截割裝置的局部形成一個負壓空間，把截割后尚未擴散的粉塵給吸入到裝置內(nèi)部進行過濾，從而有效降低掘進作業(yè)時的粉塵濃度，具有結(jié)構(gòu)緊湊、除塵效率高的優(yōu)點；

2）利用仿真分析的方法能夠?qū)馗钭鳂I(yè)過程進行仿真，模擬不同情況下的降塵效果，當(dāng)負壓除塵裝置的進氣口直徑為28 mm的情況下的降塵效果最優(yōu)；

3）新的降塵系統(tǒng)能夠提升巷道掘進效率，將巷道掘進效率提升7.2%，將粉塵濃度降低44.1%。