采煤機噴霧系統霧化途徑的優化

邢永峰

（汾西礦業集團高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

為了防止采煤機工作過程中造成嚴重的粉塵擴散，一般情況下會在采煤機的滾筒位置裝上噴霧降塵系統，傳統工藝中噴嘴的結構是影響降塵效果的主要裝置，所以需要加強對采煤機噴霧裝置噴嘴結構的研究，采用合理的霧化途徑提高噴霧降塵的效果，從而有效地改善井下工作面的工作環境。

社會經濟的不斷發展使得煤礦企業的開采力度不斷加大，采煤機在生產過程中出現了許多粉塵，從而使得井下工作環境不斷惡化，環境的不斷惡化對井下作業人員的身體健康造成了很大程度的影響，同時粉塵的大量聚集可能對煤礦的安全生產形成一定的威脅，導致爆炸事故的發生。所以需要加強對采煤機噴霧系統的研究，采用科學合理的方式提升采煤機系統的霧化效果，有效地改善井下作業的環境，這也是煤礦企業當前需要重點研究的問題。噴霧降塵系統是采煤機工作面中主要應用的防塵措施，所以需要對采煤機噴霧系統的機理進行分析，并結合當前采煤機噴霧系統的現狀，改進和優化噴霧系統的霧化途徑。本文對汾西礦業集團高陽煤礦采煤機噴霧系統的霧化途徑的優化措施進行了分析和闡述。

1 噴霧系統的降塵原理分析

在采煤機噴霧裝置中的噴嘴結構中裝有液體，而液體受到噴嘴內部結構和張力的作用呈現出發散狀態，四周的空氣會對高速噴出的液體形成擠壓作用，液體受到空氣的阻力形成液膜形態，液膜在空氣中運動的過程中與粉塵相互作用形成一體，從而使得粉塵顆粒呈凝聚的狀態增加了重量而降落。液體的運行距離受到噴嘴的噴射速度影響，噴射速度越快，空氣中運行的距離越遠[1]。使得液體在空氣運行的過程中與更多的粉塵形成碰撞而降低粉塵。空氣是濕度越大使得粉塵顆粒的凝聚力越大從而重量和體積就越大，濕潤后的粉塵顆粒在空氣中運動的過程中會極大地吸附其他粉塵顆粒的概率。不管是哪一類粉塵物質只要遇到空氣中運行的液膜就會被包圍，空氣中的物質被濕潤后可以充分地降低粉塵顆粒在碰撞過程中反彈的概率，加強降塵的效果，這個過程就是粉塵的凝聚。而粉塵的慣性碰撞是指液體在運動過程中與粉塵碰撞，較大的粉塵顆粒受到慣性的作用會改變原本的運行方向；而質量較大的粉塵顆粒與質量較小的粉塵顆粒受到的慣性作用不同，質量較小的顆粒會隨著氣流空間呈布朗擴散狀態，并不會受到氣體的影響而形成流線運行，擴散捕集是指當液膜與空氣中粉塵顆粒相結合，在粉塵顆粒呈無規律運行的過程中會被液膜捕獲。

2 噴霧系統噴嘴結構的工藝改進

當前采煤機噴霧裝置中所采用的噴嘴結構是壓力性霧化噴嘴，然而這種噴嘴結構在實際應用過程中呈現的性能較差，容易出現堵孔現象。結合以上問題設計出一種新型的噴嘴結構，這種噴嘴結構是對壓力型霧化噴嘴結構的升級改造，將一個引風罩裝在噴嘴的外側。能夠使噴嘴噴出的液漿形成霧狀顆粒時起到引風的作用，使得噴出的霧狀范圍更大，這種新穎的霧化噴嘴被稱為引風霧化噴嘴，在一定程度上擴展了降塵的范圍。由于將一個帶有中心通孔的旋流芯裝到引風霧化噴嘴的內部，加強了霧化噴嘴內部結構噴射出的水流，改造后的噴嘴結構在很大程度上加強了液體的旋流效果，大大地提高了噴嘴的霧化效能。噴嘴噴出液體后形成的霧狀水滴會經過引風罩，噴嘴出口對空氣形成的前推作用力使得噴嘴周圍的空氣形成一個負壓區能使氣體再次通過引風空吸入噴嘴內部，低速氣流和高速氣流在噴嘴內部形成渦流旋轉狀態，液滴再次受到擠壓作用而破碎，在很大程度上加強了霧化的效果。新型的采煤機噴霧降塵裝置的噴嘴結構如下頁圖1 所示。

圖1 新型采煤機噴霧降塵裝置噴嘴結構（單位：mm）

3 噴霧系統工藝的改造

3.1 優化供水管路

采煤機在井下作業過程中為了提升降塵的效率，在噴霧機構中增添了供水壓力裝置。這種裝置不但給設備造成嚴重的負載，還使得采煤機的功率消耗更大，與此同時加強了管道的振動和磨損效果。采煤機噴霧除塵裝置在實際運行中受到噴射泵數量小的影響，造成水量在空載循環過程中水溫的持續升高。采煤機在作業過程中會產生較多的水霧影響駕駛員的視線，采煤的效率也因此而降低，還會給開采工作造成一定的安全隱患。通過對以上問題分析提出了幾種霧化改造途徑，并通過實際的實驗認為雙向供水方案最為合理。經過泵噴出的水可以先射到單向供水工作面上，之后將水分成兩路進行供水，將一路36 mm 液壓軟管和28 mm 管路相互配合完成工作。如此一來有效地改善了管路口徑并加強了水量，水的溫度也因此而減低，從而有效地解決了內部噴霧效果差的問題。

3.2 優化冷卻系統與噴霧裝置

冷卻水系統的改進主要應用了反沖洗先導閥原理且其中包括四個通道，在第一個通道需要經過電機和泵的水通道[2]，泵在通過軸箱水通道后與滾筒的噴嘴相連接；第二個通道將左搖臂和外側噴嘴相連接；第三個經過水槽的通道需要與右滾筒的噴嘴相連通；第四個需要通過右搖臂，并且要與右搖臂的噴嘴相連通。噴霧裝置系統的優化需要在采煤機上裝上一個新型的外噴裝置，主要是為了避免采煤機在切割的過程中覆蓋噴霧結構。改進后的外側噴霧塊從原本的一個噴霧嘴變成三個噴霧嘴。分別將兩個上下結構噴霧嘴裝置到切割頂板和地板處，正好對應采煤機滾筒的切割頂板和底部，能夠多角度地進行噴霧工作。如圖2所示，管路護板改進工藝，在原來的上護板上增加了下護板設計，以此來加強對左右兩個搖臂噴霧裝置的保護。

圖2 改進后的裝置

4 噴霧系統材質的選擇及路徑優化措施

4.1 選擇抗腐蝕性和抗沖擊性的材料

采煤機在井下作業的過程中，采煤機噴霧裝置受到各方面作用力的影響，并且煤層中含有的一些物質與采煤機噴霧材質產生化學反應對其造成腐蝕作用，所以噴霧材料是設計噴霧機構非常重要的一項。不僅需要噴霧材料具有較高的耐磨性，而且要有非常強的抗腐蝕性和抗沖擊性能。可以將42CrMo、35CrMnsi 等合金結構鋼作為噴霧結構的材料。這幾種材質具有較高的鍛造性能和抗腐蝕性能，并且具有較強的抗沖擊性能。

4.2 表面強化技術的優化

熱噴是噴霧結構加工過程中經常使用的一種技術，熱噴技術的應用需要將一些耐磨性強的合金添加到噴霧結構的周圍，如此可以有效地加強噴霧結構的硬度同時提高噴霧結構的耐磨性能，并加強采煤機截齒刀頭的耐磨性。高合金材質需要采用激光熔覆技術溶于噴霧結構的表面，起到保護噴霧結構的作用并且可以加強截齒的耐磨性和硬度，使用的壽命也會有效延長。改進后的技術通過實踐發現，利用激光熔覆技術改進的噴霧結構，不僅可以有效地提高使用采煤機部件的使用壽命并且是未使用激光熔覆技術的3 倍。與此同時，改進后的涂層工藝能夠保證噴霧結構不變性。通過對涂層技術的不斷研究發現，等離子束表面冶金技術的耐磨性和硬度更強。這種技術是在原來的熔覆、堆焊等工藝上進行的改造，以粉末狀呈現，能夠進行任意的配比，之后與噴霧機構自身的涂層進行結合形成密度均勻的合金層。此種方式可以更好地延長噴霧結構的使用壽命，采煤機的維護和更換成本也因此降低。

5 噴霧系統改造后的應用效果

當對采煤機噴霧結構的裝置進行改造后將其應用到實際的作業中，發現改造后的噴霧結構應用效果非常好[3]，大大提高了噴霧降塵的工作范圍，并且加強了噴射的水量和強度，采煤機的冷卻效果也得到了強化，與此同時延長了噴霧結構噴頭的使用壽命。表層的涂層對外噴管道起到了很大的保護作用，有效地避免了出現管道破碎的問題，為井下作業的安全生產提供了有效的保障。改造后的噴霧結構從某個角度分析降低了企業的投資成本，通過加強采煤機的冷卻效果有效地降低了采煤機的消耗。截齒的使用壽命延長降低了截齒的更換次數，并且有效地降低了工作面的灰塵，提高了采煤效率，井下工人的安全生產得到了保障。通過對以往的采煤機截齒的消耗統計，平均每年需要更換9 個左右，而進行技術改造后截齒每年的平均消耗降低到4 個左右，在很大程度上降低了截齒的消耗數量。

8 個月的試驗期間截齒消耗統計如表1 所示。

表1 8 個月試驗期間截齒消耗統計

噴霧結構改進后提高了煤的質量。將兩個高壓管上分別裝置一個截止閥，有利于高巖軟管的單獨操作，能夠更好地調節噴霧的外流速度并且可以單獨關閉，不需要另外噴涂，從而保證了煤的質量。與此同時工作環境的質量也得到很大的改善，為工人的安全與健康奠定了良好的基礎。將一個新的外部噴霧裝置連到原本的采煤機外噴裝置上，不需要采用減壓處理就可使水源直接引入進水口，從而保證噴霧壓力的合理性，充分地起到噴霧降塵的效果，并且有效地改善了工人的工作環境。搖臂結構的改造可以有效地保護噴水管，從而對采煤機的整體起到保護作用。

6 結語

通過對高陽煤礦采煤機噴霧結構裝置霧化途徑的改造，可以大大地提高采煤機的工作效果，并且對采煤機的各個部件起到了很強的保護作用，為企業的經濟效益帶來了更多的保障。