王 敏

（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046204）

在大功率的綜掘機(jī)進(jìn)行快速掘進(jìn)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵和粉塵，嚴(yán)重影響到井下巷道的施工環(huán)境。以往掘進(jìn)機(jī)配置的噴霧降塵裝置在大功率綜掘機(jī)上的降塵效果不理想，使飛揚(yáng)在空氣中的粉塵繼續(xù)增加，煤塵、粉塵懸浮在空氣中，濃度不斷升高，危害作業(yè)人員身體健康，達(dá)到一定極限，遇到高溫或明火會(huì)有煤塵和瓦斯爆炸的危險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種用于大功率綜掘機(jī)的高效新型噴霧降塵裝置是非常有必要的[1-3]。

1 工程概況

1.1 概況

潞安化工集團(tuán)王莊煤礦位于沁水煤田東部邊緣中段，井田走向長(zhǎng)11 km，傾斜長(zhǎng)4.64 km，面積51 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力710 萬(wàn)t/a。含煤地層為石炭二疊系的太原組和山西組，共含5 層可采煤層，自上而下為3 號(hào)、10 號(hào)、13 號(hào)、15-1 號(hào)、15-3 號(hào)。礦井現(xiàn)主要開采3 號(hào)煤層，該煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層平均厚度為6.54 m，煤層平均傾角4°。井田內(nèi)第四系沖積層平均厚80 m，煤層埋藏深度50～360 m。王莊煤礦屬低瓦斯礦井，煤層無(wú)自然發(fā)火傾向，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，礦井涌水量不大。

1.2 綜掘機(jī)原內(nèi)外噴霧系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

隨著王莊煤礦井下開采設(shè)備的更新?lián)Q代，大功率的EBZ-260H 型綜掘機(jī)在王莊煤礦掘進(jìn)巷道中得到了廣泛的應(yīng)用，使得煤礦井下巷道掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生大量粉塵、煤塵，將以往傳統(tǒng)的內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)聯(lián)合降塵裝置在EBZ-260H 型綜掘機(jī)上進(jìn)行安裝調(diào)試，用于降塵作業(yè)。但是從實(shí)踐應(yīng)用效果來(lái)看，該綜掘機(jī)內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)降塵效果不理想。

經(jīng)過(guò)對(duì)綜掘機(jī)內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)的研究和掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際觀察，發(fā)現(xiàn)綜掘機(jī)內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)降塵效果不理想的主要原因是水壓和水量不足。綜掘機(jī)本身的特點(diǎn)和噴霧管路系統(tǒng)的強(qiáng)度，決定了內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)的壓力不能過(guò)高，壓力過(guò)高會(huì)使管路爆裂，管路里的水會(huì)流入減速機(jī)，影響綜掘機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且腐蝕機(jī)械零件；壓力過(guò)低，水流速度小，達(dá)不到降塵效果，有必要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2 原內(nèi)外噴霧系統(tǒng)問(wèn)題分析及解決方案

煤礦井下巷道掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生大量粉塵、煤塵，需用綜掘機(jī)的內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)聯(lián)合降塵。內(nèi)噴霧系統(tǒng)由供水管經(jīng)過(guò)綜掘機(jī)伸縮部外筒、特殊密封、截割頭軸，最后通過(guò)截割頭上的內(nèi)噴霧齒座到達(dá)內(nèi)噴霧噴嘴，形成內(nèi)噴霧。內(nèi)噴霧噴嘴處的壓力較低，供水量較小，降塵效果較差。外噴霧系統(tǒng)由供水管分別經(jīng)過(guò)油冷卻器和截割電機(jī)冷卻器后，到達(dá)外噴霧噴嘴，形成外噴霧。外噴霧分為側(cè)噴霧和環(huán)形噴霧，噴霧效果亦不理想。內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)還會(huì)因密封不嚴(yán)等原因而不能正常工作。

噴霧降塵作業(yè)受以下幾個(gè)因素的影響：（1）受巷道地質(zhì)條件的影響，水量不能過(guò)大；（2）受綜掘機(jī)油冷卻器和截割電機(jī)設(shè)計(jì)耐壓限制，噴霧水壓不能過(guò)大；（3）以往改造的外噴霧系統(tǒng)有時(shí)水被壓入風(fēng)管中，風(fēng)動(dòng)工具受水壓沖擊而不能正常使用，被迫中斷生產(chǎn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置。該裝置是用風(fēng)吹動(dòng)水，使水迅速霧化成“霧狀水流”射向粉塵、煤塵，達(dá)到快速、高效降塵的目的，且能同時(shí)吹散巷道聚集的瓦斯，為綜掘工作面快速掘進(jìn)提供有利條件。此裝置由獨(dú)立的供風(fēng)、供水管路進(jìn)行供風(fēng)和供水，不會(huì)對(duì)綜掘機(jī)的供水管路造成損害。該裝置分別放置在綜掘機(jī)前進(jìn)方向的左右兩側(cè)，利用礦井下的壓風(fēng)和供水管路作為風(fēng)源和水源。

3 新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置的設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置由3 個(gè)噴嘴布置成扇形面，安裝在綜掘機(jī)左右側(cè)面，通過(guò)井下風(fēng)、水管路將風(fēng)、水供給到噴霧裝置內(nèi)部，經(jīng)噴嘴噴出，噴出的霧化水對(duì)截割部位進(jìn)行實(shí)時(shí)降塵。

風(fēng)水混合噴霧降塵裝置自成供水管路，供水由井下供水管路→水控制閥→水過(guò)濾器→氣水發(fā)生器→霧化水；供風(fēng)由井下供風(fēng)管路→風(fēng)控閥→風(fēng)過(guò)濾器→氣水發(fā)生器→霧化水。

操作時(shí)，先打開左側(cè)的水閥調(diào)節(jié)水量，再打開右側(cè)的風(fēng)閥調(diào)節(jié)風(fēng)量，由風(fēng)閥調(diào)節(jié)的風(fēng)量來(lái)控制水霧化的效果和射程。風(fēng)壓達(dá)到7 MPa 時(shí)，噴水射程可達(dá)13 m 以上，噴水面積可達(dá)10 m2。如圖1 所示。

圖1 風(fēng)水混合噴霧降塵裝置工作原理圖

新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置是用帶壓風(fēng)吹動(dòng)水產(chǎn)生霧化水射向粉塵，達(dá)到快速、高效降塵的目的。此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，安裝、檢修、更換方便，噴射距離遠(yuǎn)，霧化效果好。裝置中的風(fēng)水管路互不影響，杜絕了水倒流風(fēng)管中的現(xiàn)象，調(diào)整風(fēng)量就可調(diào)整射程和霧化效果，在綜掘機(jī)上安裝1～2 組高效噴霧降塵裝置，就能達(dá)到理想的降塵效果。

3.2 工作原理

新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置有封閉的殼體，殼體的側(cè)面為圓弧面且有3 個(gè)噴嘴，殼體內(nèi)有流線型回型水槽，水槽底部有分布均勻的噴氣孔，殼體內(nèi)有穿過(guò)殼體的水管，殼體上連有與殼體內(nèi)相通的進(jìn)氣管。噴氣孔噴出的高壓氣體能迅速將噴嘴的水霧化，形成快速流動(dòng)的水霧。水霧既能快速捕捉到飛揚(yáng)的粉塵和煤塵，也能潤(rùn)濕煤壁表面，還能使懸浮在空氣中的粉塵、煤塵迅速下落，起到降塵作用。同時(shí)，霧化水能吹散巷道內(nèi)集聚的瓦斯，降低瓦斯集聚的危險(xiǎn)，提高掘進(jìn)巷道作業(yè)的安全性。

4 新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置的應(yīng)用效果分析

新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置在EBZ-260H 型綜掘機(jī)上完成安裝調(diào)試后，在潞安化工集團(tuán)王莊煤礦45081 運(yùn)輸巷實(shí)踐應(yīng)用。新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置的運(yùn)行正常，應(yīng)用前后降塵效果對(duì)比分析如表1所示。

從表1 數(shù)據(jù)顯示，開啟新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置后，綜掘機(jī)操作處、距綜掘機(jī)15 m、距綜掘機(jī)30 m 的全塵和呼吸性粉塵濃度都有了大幅度的降低，降塵效果理想。

表1 新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置應(yīng)用前后降塵效果統(tǒng)計(jì)

（1）大幅度降低巷道粉塵量，吹散局部瓦斯

新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置應(yīng)用后，對(duì)比之前采用的傳統(tǒng)內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)聯(lián)合降塵系統(tǒng)，降塵效果大幅度提高，環(huán)境粉塵濃度大幅度降低，綜掘機(jī)司機(jī)可清晰掌握截割頭的截割軌跡，增加了綜掘機(jī)作業(yè)效率；降塵作業(yè)的用水量大幅度降低，降塵效果提高；井下作業(yè)環(huán)境得到改善，降低了工作人員得職業(yè)病的概率，風(fēng)力還起到了吹散局部瓦斯保證安全生產(chǎn)的作用。

（2）減少中斷生產(chǎn)次數(shù)

掘進(jìn)工作現(xiàn)場(chǎng)使用新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置后，噴出的全部是霧化水，工作面沒(méi)有出現(xiàn)流水和煤泥水現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)積水量明顯降低，減少了因運(yùn)輸原煤中含水多造成皮帶打滑而中斷生產(chǎn)的事故，解決了以往內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)水被壓入風(fēng)管中而中斷打鉆作業(yè)的問(wèn)題，有效提高了工效。

（3）節(jié)約用水

新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置應(yīng)用后，對(duì)水質(zhì)的要求不高，噴霧噴頭出口不易堵塞，操作簡(jiǎn)單，使用少量的水和風(fēng)就能達(dá)到高效降塵的效果。此方法大大減少了用水量，又直接降低現(xiàn)場(chǎng)煤中的含水量，優(yōu)化了煤質(zhì)。

原使用的PZB2.5-70 型外噴霧裝置有16 個(gè)水噴嘴，每個(gè)噴嘴直徑為2.5 mm，新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置有3 個(gè)水噴嘴，每個(gè)噴嘴配有4 個(gè)Φ4 mm風(fēng)孔，共12 個(gè)風(fēng)孔。實(shí)驗(yàn)表明，在水壓5.5 MPa 時(shí)，每個(gè)噴嘴在1 s 的水流量是0.2 L，使用風(fēng)水混合噴霧時(shí)，水流量是0.01 L/s。

綜掘機(jī)原外噴霧裝置每日按8 h 工作時(shí)間，全年工作時(shí)間按300 d 計(jì)算，其年噴水用量=0.2×16×8×60×60×300/1000=27 648 m3。使 用新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置后，一套裝置年用水量=0.01×3×60×60×8×300/1000=259.2 m3；一臺(tái)綜掘機(jī)使用2 套新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置，則年用水量=259.2×2=518.4 m3。使用新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置年節(jié)水量=27 648-518.4=27 129.6 m3。

（4）增加耗風(fēng)量

5 效益分析

一臺(tái)EBZ-260H 型綜掘機(jī)新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置的經(jīng)濟(jì)效益：每年節(jié)約水費(fèi)27 129.6 m3×10元/m3=271 296 元≈27.13 萬(wàn)元；每年用風(fēng)增加電費(fèi)261.8 kW·h×0.804 6 元/（kW·h）=210.67 元≈0.02萬(wàn)元。每年可節(jié)約資金27.11 萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)潞安化工集團(tuán)王莊煤礦大功率EBZ-260H型綜掘機(jī)原內(nèi)外噴霧降塵系統(tǒng)應(yīng)用效果不佳的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)水混合噴霧降塵裝置，該系統(tǒng)在王莊煤礦井下多個(gè)掘進(jìn)巷道中的實(shí)際應(yīng)用中獲得良好效果，具有較好的推廣應(yīng)用前景。