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采煤机喷雾降尘装置的优化设计与应用研究

2025-04-03 108 上传者：管理员

摘要：针对某煤矿综采工作面采煤机在作业过程中产生的高浓度粉尘问题，设计并优化了采煤机喷雾降尘装置。通过理论分析和现场测试，提出了一种基于内外喷雾结合的多角度、多方向螺旋喷嘴布置方案，有效提升了降尘效果。现场测试结果表明，优化后的装置显著降低了粉尘浓度。相比优化前，全尘浓度和呼吸性粉尘浓度分别降低了72.1%和86.3%，尤其在粉尘高浓度区域表现尤为突出。优化后的喷雾降尘装置不仅改善了作业环境，提升了工人的健康与安全，还显著减少了水资源的消耗，展现出良好的经济效益和广阔的应用前景。

关键词：
作业环境
喷雾降尘装置
螺旋喷嘴
采煤机
雾化效率
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随着煤矿机械化采煤技术的不断发展,综采工作面粉尘防治问题日益受到关注｡采煤机在截割煤层过程中产生大量煤尘,尤其是细小的可吸入粉尘,对工人的健康和作业环境构成了严重威胁[1-2]｡传统的喷雾降尘装置在雾化效果和覆盖范围上存在不足,难以有效应对高浓度粉尘区域[3]｡为此,优化采煤机喷雾降尘装置成为提高降尘效率､改善作业环境的关键[4]｡本文基于对高压喷雾降尘机理的分析,提出了一种内外喷雾结合､多角度､多方向布置的喷雾降尘装置优化方案,并通过现场测试验证其有效性｡

1、工作面概况及主要尘源点

华亭煤业大柳煤矿位于甘肃安新煤田的南部,2008年8月开始建井,矿井采用立井单水平开拓,矿井设计生产能力2.4Mt/a,矿井地质储量3.25亿t,可采储量1.82亿t,矿井服务年限为54.4a,2015年6月矿井通过了竣工验收后正式投产｡采煤方式为条带式长壁一次采全高综合机械法采煤｡矿井共布置主立井､副立井及回风立井3个井筒开拓全井田,水平标高为+730m｡

在大柳煤矿的综采工作面,采煤机作业过程中产生大量粉尘,是主要的产尘源｡传统喷雾降尘装置在覆盖范围､雾化效果和降尘效率方面存在不足,无法有效应对高浓度粉尘区域｡为提升降尘效果､改善作业环境,优化喷雾降尘装置的设计显得尤为必要｡

2、喷雾降尘高效优化理论分析

(1)高压喷雾降尘机理

高压喷雾降尘技术是一种将高压水流通过特定喷嘴雾化,形成细小的水雾颗粒,并通过这些水雾与空气中的粉尘颗粒发生碰撞和吸附来实现粉尘沉降的过程｡雾化液滴除尘的机理如图1所示,主要包括惯性碰撞､重力沉降､拦截捕集､静电捕集及布朗扩散[5]｡

图1喷雾除尘机理

高压喷雾系统的基本工作原理是通过高压泵将水加压,然后通过特殊设计的喷嘴将水流雾化成微小的水滴｡这些水滴在空气中与悬浮的粉尘颗粒相遇,通过水滴的表面张力将粉尘颗粒捕获,并通过重力作用使粉尘颗粒降落,达到降低空气中粉尘浓度的目的｡

(2)喷雾降尘影响因素分析

喷雾降尘系统的降尘效果受到多种因素的综合影响,其中关键影响因素包括水压､喷嘴类型､喷射角度､喷雾覆盖范围[6-7]｡对这些因素的全面分析,有助于喷雾降尘装置的优化设计｡

①水压的影响水压是决定喷雾降尘系统性能的核心参数之一｡高压喷雾系统通过将水加压后喷出,形成细小的雾化颗粒｡水压越高,喷出的水流越容易被分散成微细的颗粒,形成有效的雾化区,这样的水雾与空气中粉尘颗粒的接触面积更大,捕捉粉尘的效果更好｡然而,过高的水压也会导致水雾颗粒过细,无法在重力作用下有效沉降,反而可能随着空气流动而扩散,降低降尘效果｡因此,合理选择和调节水压是确保喷雾降尘装置高效运行的重要前提｡

②喷嘴类型的影响喷嘴的设计直接影响水流的雾化效果及喷雾形态,不同类型的喷嘴会产生不同形式的水雾｡普通喷嘴一般产生扇形或圆锥形水雾,而螺旋喷嘴则能够在单位时间内产生更细小且均匀分布的水雾颗粒｡螺旋喷嘴由于其特殊的结构设计,能够增强水流破碎的效果,从而显著提高雾化效率｡此外,不同喷嘴的流量､喷射角度､喷雾范围等参数在不同的工作环境中对降尘效果的贡献不同,因此根据采煤作业环境选取合适的喷嘴类型至关重要｡

③喷射角度和喷雾覆盖范围的影响喷嘴的喷射角度和喷雾覆盖范围直接影响降尘系统的覆盖效率｡在综采工作面,粉尘的生成具有较强的局部性,因此喷嘴的喷射角度需要根据粉尘源的分布特点进行调整,以确保喷雾能够充分覆盖粉尘密集区域｡例如,当采煤机在截割煤层时,截齿附近的粉尘浓度通常最高,此时需要增加该区域的喷雾覆盖,调整喷嘴的角度以实现精准的喷射,最大化水雾与粉尘的接触机会｡同时,合理设计喷雾装置的布置和覆盖范围,能够确保喷雾系统对整个采煤工作面的有效控制,避免出现喷雾死角｡

3、采煤机内外喷雾降尘装置喷嘴优化设计

(1)喷雾降尘装置喷嘴优化方案

现有的喷雾降尘装置在实际应用中存在覆盖范围不足､雾化颗粒大小不均､降尘效率较低等问题,难以有效应对综采工作面高强度截煤作业中产生的大量粉尘｡

针对现有喷雾装置的不足,本文提出了基于多角度､多方向喷嘴组合布置的优化设计方案｡传统喷雾装置的喷嘴通常以固定角度和单一方向布置,无法实现对采煤机工作区域的全方位覆盖,尤其是在采煤机截齿附近,粉尘浓度较高,现有喷雾装置难以有效捕捉此处的粉尘｡本设计通过对喷嘴进行多角度和多方向布置,确保喷雾可以覆盖整个工作区域,尤其是粉尘高发区域,从而最大限度地增加水雾与粉尘的接触面积｡

在喷嘴类型的选择上,优化设计中采用了螺旋喷嘴替代传统喷嘴｡螺旋喷嘴具有特殊的流体力学设计,其结构使得高压水流通过螺旋喷嘴时受到多次分散和加速作用,能够形成极细小且均匀分布的水雾颗粒｡与传统喷嘴相比,螺旋喷嘴具有以下几方面的性能提升:

①雾化效果提升螺旋喷嘴能够产生更细小的水雾颗粒,这些颗粒的直径通常比传统喷嘴生成的颗粒小30%以上｡更小的水雾颗粒拥有更大的表面积,能够与空气中的粉尘颗粒更充分地结合,有效捕捉悬浮粉尘｡

②喷雾均匀性增强由于螺旋喷嘴的设计能够实现多重分散作用,喷雾的均匀性得到了显著提高,避免了传统喷嘴在喷射过程中产生的水雾分布不均匀问题｡均匀的水雾分布能够确保工作区域的各个角落都能被有效覆盖,尤其是在采煤机工作面边缘区域,对于提高整体降尘效果具有重要作用｡

③降尘效率提高螺旋喷嘴的多角度雾化特性使其在捕捉微小粉尘颗粒方面具有更高的效率｡特别是在粉尘浓度较高的工作区域,螺旋喷嘴通过多方向喷射,可以快速捕捉大量粉尘颗粒,并将其沉降,减少了粉尘在空气中的悬浮时间｡

④减少水资源消耗相比传统喷嘴,螺旋喷嘴在相同水压下能够生成更多的水雾颗粒,且颗粒更细小,这意味着在不增加水量的前提下,喷雾面积和雾化效果均有所提升｡因此,采用螺旋喷嘴不仅可以提高降尘效率,还能够在一定程度上减少水资源的消耗,提升系统的整体经济性｡

(2)喷雾降尘装置喷嘴布置方案设计

喷雾降尘装置的设计应充分考虑综采工作面粉尘产生的特点和分布规律,通过合理的喷嘴布置,实现对粉尘源的有效覆盖和精准控制｡为此,提出了一种内外喷雾相结合的喷嘴布置方案,旨在通过优化喷嘴的安装位置和喷射角度,确保喷雾能够全方位覆盖粉尘产生区域,最大限度地提高降尘效率｡

在采煤机作业过程中,粉尘主要产生于截齿截割煤层的部位,且粉尘浓度在截齿附近最高｡为有效控制这一高浓度粉尘区域,将内喷雾和外喷雾相结合,形成双重防护｡

①内喷雾布置内喷雾系统主要布置在采煤机截齿根部,喷嘴方向与截齿中心线间的夹角保持在15°左右,喷嘴所形成的雾化射流区域开角不小于70°,重点针对截齿截割过程中产生的粉尘,如图2所示｡这些喷嘴紧贴截齿布置,喷射水雾能够直接作用于煤层截割面和粉尘源头,实现粉尘的源头抑制｡内喷雾系统的喷嘴以较小的喷射角度喷射高压水雾,使水雾能够紧贴截齿及周围区域覆盖,从而迅速捕捉刚刚产生的粉尘颗粒,减少粉尘的扩散｡

图2内喷雾装置喷嘴布置

②外喷雾布置外喷雾系统则布置在采煤机的外部,包括机体周围和输送带等区域,重点控制已经扩散至空气中的悬浮粉尘｡外喷雾系统的喷嘴以较大喷射角度和较大覆盖面积喷射水雾,形成一个雾化屏障,阻止粉尘进一步扩散到工作面｡外喷雾系统通过扩大喷雾区域,提高水雾与粉尘的接触面积,有效降低工作面空气中的粉尘浓度｡同时为进一步提高降尘效果,安装于摇臂的外喷雾装置数量增加为3个,分别按照不同角度实现对滚筒下､中､上部截齿的全覆盖,当粉尘浓度过高时配合内喷雾完成降尘,进一步提高降尘效率｡外喷雾喷嘴布置如图3所示｡

图3外喷雾装置喷嘴布置

这种内外喷雾结合的布置方式能够实现对粉尘源头和扩散区域的双重覆盖,极大提高了粉尘的捕捉效率,确保降尘效果更加全面｡

综上所述,通过优化喷嘴的布置方式并采用螺旋喷嘴,能够显著提升采煤机喷雾降尘系统的降尘效果｡多角度､多方向的喷雾布置方案确保了对工作区域的全方位覆盖,内外喷雾结合的设计则有效解决了截齿附近粉尘控制难题｡而螺旋喷嘴凭借其优异的雾化性能和均匀的水雾分布,大大提升了降尘效率,减少了粉尘对作业环境的影响,为煤矿作业提供了更加高效的粉尘防治方案｡

4、实践应用及效果

在华亭煤业大柳煤矿有限公司54101工作面设置4个粉尘浓度测量点,对喷雾降尘系统进行了实地测试｡4个测量点分别位于采煤机的不同位置:前滚筒中心上风侧5m处､后滚筒中心下风侧5m处､前滚筒中心处以及后滚筒中心处｡粉尘浓度的测量采用CCZ1000直读式粉尘浓度测定仪,能够实时､精确地记录各测量点的粉尘浓度变化情况｡

在测试过程中,采煤机依次在顺风和逆风状态下进行截割操作,并同时开启内外喷雾系统｡喷雾降尘装置利用内喷雾和外喷雾相结合的方式,通过内喷雾喷嘴覆盖截齿底部,外喷雾喷嘴则位于摇臂上侧,实现了高压液滴的雾化和全面覆盖｡该设计旨在最大限度地减少截割过程中产生的粉尘,特别是控制可吸入粉尘｡

根据现场试验数据,喷雾降尘装置效果如表1所示｡由表1可知,喷雾装置优化后,各测量点的粉尘浓度显著降低｡

①顺风状态下的降尘效果优化前,顺风状态下测量点2的全尘浓度高达596.2mg/m3,呼吸性粉尘浓度为224.4mg/m3;优化后,测量点2的全尘浓度降至166.4mg/m3,呼吸性粉尘浓度降至30.7mg/m3,降尘效果十分显著,特别是呼吸性粉尘的减少表明优化装置对微小颗粒粉尘的捕捉效率大幅提升｡

表1喷雾降尘装置效果分析

②逆风状态下的降尘效果优化前,逆风状态下测量点2的全尘浓度为528.7mg/m3,呼吸性粉尘浓度为195.3mg/m3;优化后,逆风状态下全尘和呼吸性粉尘浓度分别降至123.5mg/m3和33.6mg/m3,降尘效率相当突出｡

与传统装置相比,优化后的喷雾降尘装置在各个测量点的粉尘浓度都有显著降低,尤其是在高粉尘浓度区域,降尘效果更加明显｡传统装置在大面积粉尘覆盖中表现不足,特别是在微小颗粒的捕捉上,而优化后的喷嘴设计和布置方式显著提高了整体降尘效率｡

5、结语

本文通过对大柳煤矿采煤机喷雾降尘装置的优化设计,显著提升了工作面粉尘的控制效果｡测试结果显示,采用优化后的喷雾装置,测量点的全尘浓度平均降低了72.1%,从优化前顺风状态下的596.2mg/m3降至166.4mg/m3;呼吸性粉尘浓度降低了86.3%,从优化前的224.4mg/m3降至30.7mg/m3｡此外,在逆风状态下,全尘浓度从528.7mg/m3降至123.5mg/m3,呼吸性粉尘浓度从195.3mg/m3降至33.6mg/m3｡优化后的喷雾装置在不同作业条件下均能有效减少粉尘,尤其在高浓度区域表现出显著的降尘效果｡相比传统装置,优化后的螺旋喷嘴设计提高了雾化效果,增强了水雾与粉尘的接触面积,同时减少了水资源消耗｡这种基于内外喷雾结合的设计实现了粉尘源头的全覆盖控制,不仅降低了粉尘浓度,还改善了采煤工作面环境,提升了工人的工作条件和安全性｡研究成果具有推广应用价值,可为其他煤矿粉尘防治提供有效的技术支持｡

参考文献:

[1]陶新利.采煤机自动增压外喷雾系统设计[J].煤矿机械,2024,45(8):15-16.

[2]马威.煤矿综放工作面采煤机喷雾优化及应用[J].煤矿机械,2022,43(6):150-152.

[3]马威.采煤机机载喷雾引射除尘技术及装备的研究[J].矿业安全与环保,2023,50(1):19-24.

[4]胡俊.采煤机冷却喷雾系统的设计与应用[J].煤矿机械,2022,43(8):170-172.

[5]杨兴,赵士喜.改进采煤机外喷雾装置实现降尘的探索[J].矿业安全与环保,2001(S1):107-108.

[6]杨俊磊.采煤机机载喷雾引射除尘器的研究与应用[J].煤矿机械,2021,42(3):145-148.

[7]杨桐.基于喷雾引射原理的采煤机机载式喷雾控降尘装置优化及应用[J].煤矿机械,2019,40(9):110-112.

文章来源:曾亮,王浩,杨红立.采煤机喷雾降尘装置的优化设计与应用研究[J].煤矿机械,2025,46(04):149-152.