采煤机降尘装置的设计研究

张 博

（大同煤矿集团永定庄煤业公司生产技术科， 山西 大同 030724）

引言

采煤机将煤炭从煤壁上剥离及落煤的过程中会形成大量的微小煤炭颗粒，在综采区域形成粉尘悬浮区，不仅易导致综采区工作人员罹患“尘肺病”等也会使综采面的能见度急剧的降低，加大了综采面工人因视线受阻造成工伤的隐患[1]，严重阻碍了综采面的开采工作，因此迫切需要针对采煤机在综采过程中的尘源分布及采煤机特点，对采煤机在切割煤层至煤炭颗粒扩散过程中实施有效的降尘措施，降低综采面的粉尘浓度。

1 采煤机产尘机理分析

采煤机的滚筒在巷道内切割煤壁时，煤层逐渐受到旋转截齿的挤压，使受挤压区域内煤层的密度和强度加大，这部分的煤层称之为煤块的压固核。压固核不仅增加了采煤机在截割煤层时的阻力而且随着截齿的不断旋转，使截齿对煤层的挤压力不断上升，直到压固核与煤层产生分离，其过程如图1所示。截齿在切割煤层的过程中压固核越大，其与煤层分离时产生的粉尘的量就会越多，特别是随着采煤机截齿的磨损，使其在切割煤层时与压固核之间会产生更大的挤压与摩擦，在压固核破裂过程中的动载荷会使之间的裂隙增加，从而产生更多的粉尘颗粒。当粉尘脱离压固核之后会随高速旋转的滚筒进行离心运动，距滚筒中心距离的增加其速度逐渐减少，直至粉尘逐渐的降落到地面上。

根据采煤机在切割岩壁过程中压固核的形成过程、产尘机理，以及采煤机在落煤过程中粉尘的运动规律，可分析出采煤机产尘的主要区域是滚筒在破煤时的落煤区。

图1 压固核形成过程及产尘机理

2 负压降尘原理

根据云物理学的原理，潮湿的气体在冷却的时候，当水蒸汽趋于饱和时遇到粉尘颗粒，就能够将粉尘颗粒进行包裹并捕获。当含有粉尘颗粒的气流在通过水雾层时，运动的过程中在惯性力的作用下，气流内的粉尘颗粒将会从原来的流线路径中向一侧偏离出来并与雾滴相碰，被液滴捕获。与此同时，粉尘在流经水雾层时，水雾会从粉尘的四周绕过去，并在粉尘的四周形成高速的水雾流，但在粉尘的后侧其水雾的流速近乎于零[2]，如图2所示。

图2 粉尘在穿越水雾层时的流速（m/s）等值线

由以上分析可知，在负压降尘装置中，清水在经过高压喷嘴后，产生速度极高、液滴极小的水雾气流，水雾流与空气中的粉尘颗粒在空中相碰，粉尘颗粒被水珠润湿后重量和体积均发生变化，进而开始沉降。因流体的静压和速度是成反比的，因此在高压喷嘴前端的内腔的压力较小，而在喷管后侧及除尘装置的周围的气压相对较大，在压差的作用下四周的粉尘浓度高的空气就被吸入到除尘装置中，形成二次浸润，从而进一步加强了除尘的效率，其原理如下页图3所示[3]。

3 采煤机降尘装置的设计

根据以上分析，采煤机降尘装置可采用负压降尘的机理，在采煤机切割滚筒处设置负压降尘装置，使其形成的高速雾流能够形成一个严密的、包围采煤机截割滚筒的隔离雾层，从而实现高压水雾层将采煤机截割煤层时的产尘点进行充分隔离[4]，防止粉尘扩散，水雾层的隔离效果如图4所示。

图3 负压除尘原理

图4 水雾层隔离区域示意图

除尘装置在采煤机上的安装结构如图5、图6所示。该降尘装置中为了避免长期在高粉尘状态下工作时喷嘴管路的堵塞，经验证，采用了直径为10mm的高压直通胶管，其与喷嘴之间采用快接接头连接，便于在喷管堵塞后被迅速地更换。同时为了避免采煤机割煤时，煤渣等杂质从喷管进入除尘器箱体内部，造成除尘器的堵塞，因此在除尘器背板下侧设置有有排渣口。便于箱体内的杂质和水的自动排出。避免除尘器内腔的堵塞，确保除尘装置工作时的连续性和可靠性。

图5 除尘装置在采煤机上的安装总图

图6 除尘装置在采煤机上的安装示意图

该采煤机降尘装置中最核心的部分在于喷嘴形成的水雾墙能否将采煤机在生产过程中的产尘点进行完全的封闭，因此我们根据煤矿井下实际所用的采煤机喷雾装置，在喷管的水雾锥角为28°的情况下对不同的喷嘴数量对产尘点的封闭效果进行了验证，根据实际的验证结果，在喷管采用的水雾锥角一致的情况下，采用4根喷管所形成的各水雾锥角之间会形成较大的水雾层死角，而采用5根喷管时，所形成的水雾层之间基本没有空隙，且能够将除尘点进行严密的包围，因此在该采煤机除尘装置喷嘴口设置时，我们采用了5根喷管的形式，对比效果如图7所示。

图7 不同喷管数量对产尘点的包围效果

4 采煤机降尘装置的实际应用效果

根据该采煤机降尘装置的结构原理，我们实际在某矿井下了现场实际验证，将除尘装置分别固定在采煤机前后截割滚筒处的外壳上，在16～18 MPa的压力下，喷嘴所产生的水雾墙能够完全封闭落煤点的粉尘扩散，如图8、图9所示。

图8 除尘器及固定装置

图9 除尘器喷雾降尘效果图

分别在采煤机落煤点附近设置10个粉尘监测点，对应于采煤机降尘装置前后空气中的粉尘含量进行监测，监测结果如表1所示。

表1 采煤机降尘装置降尘效果汇总表

根据监测结果，测尘结果表明在采煤机上风位置5 m处和下风位置10 m的范围内，降尘点空气中全尘和呼吸尘的质量浓度分别降低了86.4%和85.2%，降尘效果显著。

5 结论

1）采用五根喷管时，所形成的水雾层之间基本没有空隙，且能够将除尘点进行严密的包围，降尘效果最优。

2）在采用该采煤机降尘装置后能够将降尘点空气中全尘和吸尘的质量浓度降低分别降低了86.4%和85.2%，具有非常理想的降尘效果。