综采及掘进工作面强力除尘装置的设计

梁 先

（山西平舒煤业有限公司， 山西 寿阳 045400）

引言

当前，随着综掘工作面生产效率的不断提升，作业人员对其工作环境提出了更高的要求。传统喷雾降尘措施不仅耗水量大，喷头容易阻塞，无形中增加了煤炭开采的成本；更重要的是其降尘效果不佳。因此，设计了一款泡沫降尘装置。

1 泡沫降尘机理研究

综掘工作面采用泡沫降尘能够有效降低其粉尘、煤尘浓度的机理主要体现在以下几个方面：

1）泡沫能够无限扩散至综掘设备的截割四周，从而能够阻断粉尘的传播源头。

2）泡沫相对于喷雾而言，泡沫与粉尘、煤尘相接触的面积较大，从而极大增加了泡沫与粉尘、煤尘相接触概率，阻断了粉尘、煤尘的传播途径。

3）泡沫制备过程中添加的活性成分能够明显降低水的表面张力，从而能够有效改善粉尘的湿润性能，缩短粉尘被湿润的时间。即，泡沫降尘措施对呼吸性粉尘、煤尘的治理效果最佳。

4）泡沫能够吸附于煤尘或落煤上，在其上形成一层泡沫保护层，从而有效抑制了粉尘、煤尘的二次扬尘的效果[1-2]。

2 泡沫降尘装置的设计

2.1 泡沫除尘装置的系统组成

泡沫除尘装置的结构组成如图1 所示。

如图1 所示，泡沫除尘装置主要由五部分组成，分别为泡沫液添加装置、高压胶管、发泡器、泡沫喷射装置以及泡沫传输胶管。泡沫液及其添加剂加入泡沫添加装置中，经高压胶管进入发泡器中；经发泡器产生泡沫后由泡沫喷射装置形成高压泡沫再由传输胶管喷射至工作面，实现对综掘工作面降尘的目的[3]。

图1 泡沫除尘装置结构示意图

2.2 发泡器结构尺寸的设计

发泡器作为泡沫降尘装置的核心部件，直接决定其喷射出泡沫的质量，最终决定综掘工作面降尘效果。本发泡器是基于文丘里管设计而成的，为达到最佳泡沫发生效果，需对文丘里管内各部分尺寸进行详细设计[4]。

结合泡沫除尘装置在实际应用中的流量及流速，并在查阅机械手册的基础上，设计发泡器的最大通径为97 mm，修正为D0=100 mm，设计发泡器的进水口直径d=30 mm。则有：

喉管直径d3=d/3=10 mm；喉嘴距Lm=6d3=60 mm；喉管长Lk=3d3=30 mm；渐缩管大端直径D1=D0=100 mm；渐缩管长度L1=3d3=30 mm；渐扩管大端直径D2=D0=100 mm；渐扩管长度经计算得出发泡器文丘里管的结构尺寸如图2 所示。

图2 文丘里管尺寸结构示意图

2.3 泡沫喷射装置的设计

泡沫喷射装置决定泡沫最终的喷射覆盖面积，从而决定综掘工作面的降尘效果。经对比研究，泡沫喷头采取一字形结构，将采煤机或者掘进机滚筒的截齿进行包裹，从而防止粉尘、煤尘的扩散[5]。综合考虑掘进机滚筒的直径及泡沫喷头的倾角、泡沫喷射装置的喷射距离，拟定在喷射装置上安装6 个喷头，其安装示意图如图3 所示。

2.4 泡沫降尘装置的安装

鉴于掘进机在实际掘进过程中会有大块岩石出现，为了避免降尘装置被破坏，将其安装于掘进机机身的后端，并根据现场工作面情况对降尘装置的位置进行调整。降尘装置在掘进机上的安装示意图如图4 所示。

图3 喷头安装示意图

图4 泡沫降尘装置安装示意图

如图4 所示，压风管为发泡器提供稳定的气源，压水管为发泡器提供稳定水源，与发泡剂经添加泵进在比例混合器中充分混合后进入发泡器中。由发泡器所产生泡沫经高压胶管进入泡沫分配器中，继而分配至各个喷头，由喷头将泡沫喷出，达到对工作面降尘的目的。

3 泡沫降尘装置的应用

3.1 应用背景

以我矿S645 掘进工作面为研究载体，该掘进工作面巷道横截面积为5.2 m2，该工作面所属煤层为地瓦斯矿井，基本顶为泥岩、粉砂岩，直接顶为粉砂岩。即，在掘进过程中所产生粉尘的浓度较大。目前，该工作面主要采用喷雾降尘措施。但是，在实际应用中发现采用喷雾降尘时耗水量大，且喷嘴容易被阻塞，严重影响了综采工作面的降尘效率。故，将本文所设计泡沫降尘装置应用于其中，以对比前后两种降尘措施的效果。

该工作面采用喷雾降尘措施后，在司机操作位置所测得的粉尘质量浓度为4 531 mg/m3，掘进机机身后5 m 所测得粉尘质量浓度为3 621 g/m3。

3.2 应用效果

根据如图4 所示的安装示意图，将泡沫降尘装置安装于掘进机机身，并为其提供稳定的水源和风源。其中，水源的压力为0.5 MPa，风源的压力为0.5 MPa，发泡器中泡沫添加剂的比例为2.5%。对该工作面司机位置处，掘进机机组5 m 后，距迎头50 m、100 m 处四个位置的粉尘浓度进行监测。监测结果如表1 所示。

表1 泡沫降尘效果对比表

如表1 所示，采用泡沫降尘装置后工作面的降尘效果明显得到提升，其中距离喷雾装置安装位置越近的位置改善效果最佳。其中，司机位置处的改善效率高达93.3%，距离迎头100 m 处降尘改善效果仅为56.7%。究其原因，在于距迎头100 m 的位置处粉尘的粒度较大，粉尘、煤尘可依靠自身重力达到降尘目的，而距迎头50 m 的粒度较小，粉尘、煤尘处于悬浮状态。

综上所述，采用喷雾降尘装置后能够明显改善作业人员的工作环境。

4 结论

将本文设计的泡沫降尘装置应用于S645 掘进工作面。经现场测试可知，泡沫降尘装置能够有效降低司机位置处的粉尘浓度，为作业人员提供安全、舒适的作业环境奠定了基础。