EBZ-160掘進機改進泡沫噴霧系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用

郝艷虎

（汾西礦業(yè)宜興煤業(yè)，山西 孝義 032300）

1 掘進機防塵裝置概述

掘進機在采煤、采石過程中產(chǎn)生大量粉塵，嚴(yán)重威脅勞動者健康，這些塵埃甚至?xí)鸨ā?jù)統(tǒng)計，85%以上的塵肺患者在掘進面工作，這是煤塵爆炸最常發(fā)生的地方。掘進機截割過程中最常見的粉塵控制方法是噴水[1-2]。然而，由于產(chǎn)生大量粉塵且擴散速度快，水霧不能很好地捕獲和抑制粉塵，導(dǎo)致粉塵控制效率低。對于掘進機來說，粉塵主要產(chǎn)生在靠近割頭的地方，所以控制粉塵最好的方法是使用一種覆蓋性能好的流體介質(zhì)對割頭進行有效覆蓋。泡沫是由分散在液體中的不溶性氣體形成的。因此，它具有更大的覆蓋塵源的表面積，對粉塵顆粒有更強的潤濕和黏附能力，更適合于粉塵控制。世界各地對泡沫技術(shù)的研究證明，它是一種很好的粉塵控制方法。常規(guī)泡沫技術(shù)的工藝流程如下：首先，發(fā)泡劑按一定比例與水混合，形成發(fā)泡劑溶液。然后將空氣和發(fā)泡劑溶液導(dǎo)入泡沫發(fā)生器產(chǎn)生泡沫。生產(chǎn)出來的泡沫通過噴嘴噴到塵埃源上。在EBZ-160掘進機中，傳統(tǒng)泡沫法的噴射裝置一般安裝在掘進機的主體內(nèi)，距離粉塵源2～3 m。

因為風(fēng)速在泡沫的來源處通常很高，泡沫密度和氣體含量高,小泡沫噴霧軌跡的高度受到風(fēng)的影響,很難專注塵埃來源上的泡沫,導(dǎo)致泡沫重大浪費和除塵效率相對較低[3]。針對這一問題，提出了一種通過掘進機內(nèi)部管道將泡沫輸送到掘進機切割頭的新思路。這種新方法減少了風(fēng)量的影響，最大限度地提高了泡沫防塵效果。

圖1 顯示了掘進機內(nèi)部的泡沫供應(yīng)管。掘進機的管道直徑通常為15 mm，是彎曲的。因此，與傳統(tǒng)的泡沫技術(shù)相比，在泡沫輸送過程中阻力更高，傳統(tǒng)的泡沫技術(shù)通過直徑為25 mm的近直管輸送泡沫[4]。

圖1 掘進機內(nèi)部的泡沫供應(yīng)管

當(dāng)現(xiàn)有的泡沫制備裝置與掘進機內(nèi)部的泡沫供應(yīng)管連接時，該裝置不能正常工作。為了適應(yīng)掘進機內(nèi)部管道的高阻力和井下供水、供氣，根據(jù)液體泵的原理，提出了一種穩(wěn)定的水噴出吸入裝置。結(jié)合折流板式和網(wǎng)式發(fā)泡的優(yōu)點，設(shè)計了一種可實現(xiàn)低阻力、高效率發(fā)泡的多孔螺旋耦合發(fā)泡裝置。通過自行設(shè)計的實驗系統(tǒng)，對新型發(fā)泡裝置的工作條件進行了測試。現(xiàn)場應(yīng)用表明，與傳統(tǒng)的泡沫法相比，新型泡沫法具有更好的抑塵效果。

2 新型泡沫生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理

新型泡沫產(chǎn)生設(shè)備主要由發(fā)泡劑添加裝置和泡沫發(fā)生器組成，如下頁圖2 和圖3 所示。

圖2 所示為水噴出吸入裝置的結(jié)構(gòu)表示，該裝置由進水口、射流噴嘴、吸入室、混合室、擴散室和混合物出口組成。與設(shè)備相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸如下頁表1所示。其工作原理如下：第一，壓力水流入射流噴嘴，轉(zhuǎn)化為高速湍流，在吸入室內(nèi)產(chǎn)生負壓；第二，當(dāng)壓力低于在外界氣壓作用下，發(fā)泡劑被紊流自動吸入混合室，與水徹底混合；第三，在擴散室中，混合物的速度降低，這有利于發(fā)泡。對于水射流吸引裝置而言，確保吸引壓力處于負壓狀態(tài)，不發(fā)生空化現(xiàn)象，在給定的工作條件下穩(wěn)定添加發(fā)泡劑是設(shè)計該裝置的關(guān)鍵。

表1 噴水吸水裝置結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 噴水吸水裝置的結(jié)構(gòu)表示

多孔螺旋耦合發(fā)泡裝置的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)如圖3 所示，該裝置包括射流噴嘴、混合氣進口、氣液混合室、擴散室、多孔螺旋葉片和泡沫出口。表2 顯示了與設(shè)備相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸；工作過程如下。壓縮空氣在流入射流噴嘴時速度增加，在噴嘴出口達到最大值。空氣射流的邊界層引入周圍的空氣，并將混合物從吸入裝置中吸入。隨著混合腔內(nèi)氣液之間的質(zhì)量、動量和能量交換以及擴散器腔內(nèi)壓力的增大，會發(fā)生氣液的初步混合，混合物中會出現(xiàn)少量氣泡。當(dāng)氣泡流過多孔的螺旋葉片時，發(fā)泡過程開始。多孔螺旋葉片的作用是將一維流動轉(zhuǎn)變?yōu)槿S流動，從而增加氣液混合強度。葉片上的網(wǎng)孔保證了連續(xù)的發(fā)泡過程。獨特的發(fā)泡裝置設(shè)計，與傳統(tǒng)發(fā)泡裝置相比，發(fā)泡能力更強，壓力損失更小。

表2 多孔螺旋耦合發(fā)泡裝置的結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 多孔螺旋耦合發(fā)泡裝置的結(jié)構(gòu)表示

3 現(xiàn)場實施

為了驗證新型泡沫粉塵控制系統(tǒng)在掘進機上的效果，在山西礦區(qū)某煤礦進行了泡沫粉塵控制系統(tǒng)的試驗研究。開挖巷道支護斷面面積為16 m2。

圖4 為安裝在縱向掘進機上的泡沫噴霧系統(tǒng)效果圖。將水射流吸入裝置、多孔螺旋耦合發(fā)泡裝置、發(fā)泡劑箱三者結(jié)合在一起構(gòu)成泡沫產(chǎn)生裝置。用固定在泡沫產(chǎn)生設(shè)備上的超級磁鐵將設(shè)備連接到掘進機上。將19 mm 直徑的地下水管和壓縮空氣管連接到設(shè)備上。然后，一根直徑32 mm的管子將泡沫送到內(nèi)管。擬建噴嘴直徑為8 mm，在進、出口設(shè)置濾網(wǎng)，防止堵塞。

圖4 新型泡沫噴霧系統(tǒng)效果圖

根據(jù)現(xiàn)場情況確定系統(tǒng)運行條件如下:工作水流1.5 m3/h；壓縮空氣流量40m3/h；發(fā)泡效果試驗表明，泡沫流量為40.3 m3/h，泡沫膨脹比為26.5。泡沫出口壓力為0.23 MPa，滿足掘進機施工要求。

在無粉塵控制、噴水、傳統(tǒng)泡沫法、新型泡沫法四種不同的條件下，獲得四組總粉塵和呼吸性粉塵濃度的測量數(shù)據(jù)，如表3 所示。試驗結(jié)果表明，新型泡沫技術(shù)的粉塵控制效果顯著，總粉塵控制效率為87.7%，呼吸性粉塵控制效率為94.5%，均高于傳統(tǒng)方法的等效值。

表3 司機位置處粉塵濃度的測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本研究設(shè)計新型泡沫噴霧系統(tǒng)應(yīng)用于EBZ-160掘進機。通過高穩(wěn)定高效的噴水吸水裝置自動將發(fā)泡劑吸入，多孔螺旋耦合發(fā)泡裝置產(chǎn)生緊密、均勻、高的超壓泡沫，用于粉塵控制。

EBZ-160 巷道掘進機內(nèi)部泡沫噴淋系統(tǒng)的現(xiàn)場實施表明，該系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)和噴水系統(tǒng)具有更高的除塵效率。因此，該新型發(fā)泡裝置將極大地促進泡沫抑塵技術(shù)在煤礦井下的廣泛應(yīng)用。