掘進機旋轉噴霧降塵裝置設計及應用

邴永輝

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦， 山西 古交 030200）

引言

井下生產作業以掘進先行，而巷道掘進作為開拓過程空間狹小，且尚未形成自然通風系統和生產系統，僅憑機械壓入/抽出通風，掘進生產過程中所生成的粉塵無法在短時間內擴散，同時為進行全斷面一次掘進，其截割頭在工作過程中必須不間斷移動，以實現對煤巖體的截割，但其后方所設置的降塵設施為固定設施，無法隨掘進機截割頭進行位置的調整和變換，降塵效果相對有限。針對當前掘進工作面突出的粉塵問題，基于工作面產塵機理及噴霧降塵機理進行了旋轉噴霧降塵裝置設計及應用探討。

1 產塵及噴霧降塵機理

1.1 產塵機理

掘進機截割頭截齒通常以掏挖方式并主要通過位于截割頭上方的截齒和煤巖體間的接觸應力截割及破碎煤巖體，但是截割頭破碎范圍較為有限，破碎后的煤巖體顆粒因無法及時排出煤巷而繼續遭受機械擠壓，成為細碎粉塵，在煤巷工作面掘進空間較小及上方風筒風流的作用下，煤巖粉塵便大量懸浮在空氣中。

按照對煤巖粉塵運動特性及風筒風流作用原理的分析，巷道掘進工作面粉塵濃度表現出規律性特征，距離工作面3 m 以內的粉塵濃度最高，并隨距離增大，粉塵濃度不斷降低，但較大的工作面粉塵彌漫污染面積使降塵難度大大增加。

1.2 噴霧降塵機理

噴霧降塵機理主要包括重力降塵、塵粒惰性凝結、霧滴攔截捕塵及擴散捕集[1]等過程。通過若干旋轉射流噴嘴向塵源噴射水霧后形成網絡狀水霧包裹塵源，粉塵在水霧中充分接觸霧化液滴，濕潤后凝結成團，粉塵自重逐漸增大，待達到一定重量后便會從氣流中沉降。此外，旋轉水霧罩還會同時形成二次負壓區[2]，將部分逃逸的煤塵抽吸捕捉，有效阻擋其擴散，最終取得較佳的降塵效果。

2 旋轉噴霧降塵裝置設計及安裝

2.1 降塵裝置設計

所設計出的旋轉噴霧降塵裝置外形尺寸550mm×200 mm×220 mm，整機質量25 kg，噴嘴設計口徑Φ2.0 mm，供水壓力2～3 MPa，理論耗水量≤16 L/min，馬達額定功率和額定轉速為1.5kW 和1480r/min，馬達工作壓力8～14 MPa，運行噪聲≤25 dB（A）。其主體結構及構成情況具體如圖1 所示，此種降塵裝置驅動方式有氣動、電動和液動等，考慮到與掘進機配套的方便性及運行安全性，首選液壓驅動方式，即降塵裝置液壓馬達主要借助掘進機的高壓油動力驅動并與掘進機聯動運行，以達到有效噴霧降塵的目的。

圖1 旋轉噴霧降塵裝置主體結構

該掘進機旋轉噴霧降塵裝置水槽蓋上裝有射流噴嘴，在液壓馬達的帶動下以分水軸形式運轉，高壓水在分水體通過接頭座注入水源后便進入分水軸，進而由噴嘴高速噴出錐形噴霧罩。在截割大臂尾端平臺軸線處對稱設置兩套旋轉噴霧裝置，并使其隨截割大臂的調整而調整。同時所噴射出的錐形水霧罩內外還會形成負壓區，游離于旋轉錐面內外的粉塵將全部被負壓吸入高速霧流面，以實現準確定位，達到全面捕塵、噴霧降塵、控塵的目的。

2.2 動力來源

部分常用掘進機組攜帶有冗余高壓油泵，所能提供的油壓和高壓油流量至少為8.0 MPa、46.0 L/min，在掘進機上所裝載的降塵裝置主要以高壓油泵為動力源；而對于其他不帶高壓油泵的裝置，其高壓油主要依靠機組油缸回路提供的機組而言，其降塵裝置便以此為動力源，油壓和高壓油流量可分別達到8.0MPa、50.0 L/min。以上兩種動力源均能達到旋轉噴霧降塵裝置馬達高壓油流量及油壓要求。

2.3 降塵裝置安裝

將兩根槽鋼主梁以上下對稱的形式安裝于掘進機截割臂尾部平臺，再將旋轉噴霧降塵裝置緊固于槽鋼主梁處，為避免采掘過程中掉落的煤塊砸到降塵設備，還應通過螺栓將防護罩加裝在槽鋼主梁降塵裝置主體結構外側。安裝好后的降塵裝置能夠隨掘進機截割臂的移動而移動，這種機載移動模式能進行截割頭準確定位，并提升降塵噴霧效果。在掘進機組油缸總回油管路上連接旋轉噴霧降塵裝置進油和回油管路，通過供油量調節以進行無級調速[3]；從掘進工作面靜壓水管路通過高壓膠管向降塵裝置引水，以便在掘進機機載移動的同時使降塵裝置和掘進機聯動工作，有效噴霧降塵。

3 應用效果

某煤巷主要沿2 號煤層底板掘進，采用EBZ-135 型掘進機以機械破巖方式所掘進的矩形斷面尺寸為4 000 mm×3 500 mm。在掘進機截割臂上按上述設計要求對稱安裝2 個旋轉噴霧降塵裝置，液壓驅動，靜壓水主要通過輸水管路連接，各旋轉噴霧降塵裝置均設置4 個內徑2.0 mm 的噴嘴。現場檢測時測試水壓力2.5 MPa，降塵裝置實際耗水13.0 L/min，煤巷掘進過程中粉塵濃度主要通過便攜式、直讀式粉塵測定儀進行測定，該儀器質輕、體積小，且對于煤礦井下環境中呼吸性粉塵濃度測定精度高。沿巷道軸向均勻布置采樣點，分別進行原降塵設備下粉塵濃度和旋轉噴霧降塵裝置安裝后降塵濃度的對比檢測。根據比較結果，在原掘進機噴霧降塵設備下掘進機作業過程中粉塵幾乎充滿全部巷道斷面，且呈持續擴散態勢；而將旋轉噴霧降塵裝置安裝在掘進截割臂上后，降塵效果顯而易見（見表1），巷道工作面全塵濃度最低至14.23 mg/m3，呼吸性粉塵濃度最低降至1.04 mg/m3，全塵降塵效率和呼吸性粉塵降塵效率分別達到76.21%和71.1%，掘進工作面作業環境顯著改善，且旋轉噴霧降塵裝置噴射水霧角度更加合理，降塵覆蓋面積也更大，工效更高。

表1 旋轉噴霧降塵裝置降塵效果統計