EBZ-160掘进机改进泡沫喷雾系统的设计应用

郝艳虎

（汾西矿业宜兴煤业，山西 孝义 032300）

1 掘进机防尘装置概述

掘进机在采煤、采石过程中产生大量粉尘，严重威胁劳动者健康，这些尘埃甚至会引起爆炸。据统计，85%以上的尘肺患者在掘进面工作，这是煤尘爆炸最常发生的地方。掘进机截割过程中最常见的粉尘控制方法是喷水[1-2]。然而，由于产生大量粉尘且扩散速度快，水雾不能很好地捕获和抑制粉尘，导致粉尘控制效率低。对于掘进机来说，粉尘主要产生在靠近割头的地方，所以控制粉尘最好的方法是使用一种覆盖性能好的流体介质对割头进行有效覆盖。泡沫是由分散在液体中的不溶性气体形成的。因此，它具有更大的覆盖尘源的表面积，对粉尘颗粒有更强的润湿和黏附能力，更适合于粉尘控制。世界各地对泡沫技术的研究证明，它是一种很好的粉尘控制方法。常规泡沫技术的工艺流程如下：首先，发泡剂按一定比例与水混合，形成发泡剂溶液。然后将空气和发泡剂溶液导入泡沫发生器产生泡沫。生产出来的泡沫通过喷嘴喷到尘埃源上。在EBZ-160掘进机中，传统泡沫法的喷射装置一般安装在掘进机的主体内，距离粉尘源2～3 m。

因为风速在泡沫的来源处通常很高，泡沫密度和气体含量高,小泡沫喷雾轨迹的高度受到风的影响,很难专注尘埃来源上的泡沫,导致泡沫重大浪费和除尘效率相对较低[3]。针对这一问题，提出了一种通过掘进机内部管道将泡沫输送到掘进机切割头的新思路。这种新方法减少了风量的影响，最大限度地提高了泡沫防尘效果。

图1 显示了掘进机内部的泡沫供应管。掘进机的管道直径通常为15 mm，是弯曲的。因此，与传统的泡沫技术相比，在泡沫输送过程中阻力更高，传统的泡沫技术通过直径为25 mm的近直管输送泡沫[4]。

图1 掘进机内部的泡沫供应管

当现有的泡沫制备装置与掘进机内部的泡沫供应管连接时，该装置不能正常工作。为了适应掘进机内部管道的高阻力和井下供水、供气，根据液体泵的原理，提出了一种稳定的水喷出吸入装置。结合折流板式和网式发泡的优点，设计了一种可实现低阻力、高效率发泡的多孔螺旋耦合发泡装置。通过自行设计的实验系统，对新型发泡装置的工作条件进行了测试。现场应用表明，与传统的泡沫法相比，新型泡沫法具有更好的抑尘效果。

2 新型泡沫生产设备的结构及工作原理

新型泡沫产生设备主要由发泡剂添加装置和泡沫发生器组成，如下页图2 和图3 所示。

图2 所示为水喷出吸入装置的结构表示，该装置由进水口、射流喷嘴、吸入室、混合室、扩散室和混合物出口组成。与设备相关的结构尺寸如下页表1所示。其工作原理如下：第一，压力水流入射流喷嘴，转化为高速湍流，在吸入室内产生负压；第二，当压力低于在外界气压作用下，发泡剂被紊流自动吸入混合室，与水彻底混合；第三，在扩散室中，混合物的速度降低，这有利于发泡。对于水射流吸引装置而言，确保吸引压力处于负压状态，不发生空化现象，在给定的工作条件下稳定添加发泡剂是设计该装置的关键。

表1 喷水吸水装置结构尺寸

图2 喷水吸水装置的结构表示

多孔螺旋耦合发泡装置的结构表现如图3 所示，该装置包括射流喷嘴、混合气进口、气液混合室、扩散室、多孔螺旋叶片和泡沫出口。表2 显示了与设备相关的结构尺寸；工作过程如下。压缩空气在流入射流喷嘴时速度增加，在喷嘴出口达到最大值。空气射流的边界层引入周围的空气，并将混合物从吸入装置中吸入。随着混合腔内气液之间的质量、动量和能量交换以及扩散器腔内压力的增大，会发生气液的初步混合，混合物中会出现少量气泡。当气泡流过多孔的螺旋叶片时，发泡过程开始。多孔螺旋叶片的作用是将一维流动转变为三维流动，从而增加气液混合强度。叶片上的网孔保证了连续的发泡过程。独特的发泡装置设计，与传统发泡装置相比，发泡能力更强，压力损失更小。

表2 多孔螺旋耦合发泡装置的结构尺寸

图3 多孔螺旋耦合发泡装置的结构表示

3 现场实施

为了验证新型泡沫粉尘控制系统在掘进机上的效果，在山西矿区某煤矿进行了泡沫粉尘控制系统的试验研究。开挖巷道支护断面面积为16 m2。

图4 为安装在纵向掘进机上的泡沫喷雾系统效果图。将水射流吸入装置、多孔螺旋耦合发泡装置、发泡剂箱三者结合在一起构成泡沫产生装置。用固定在泡沫产生设备上的超级磁铁将设备连接到掘进机上。将19 mm 直径的地下水管和压缩空气管连接到设备上。然后，一根直径32 mm的管子将泡沫送到内管。拟建喷嘴直径为8 mm，在进、出口设置滤网，防止堵塞。

图4 新型泡沫喷雾系统效果图

根据现场情况确定系统运行条件如下:工作水流1.5 m3/h；压缩空气流量40m3/h；发泡效果试验表明，泡沫流量为40.3 m3/h，泡沫膨胀比为26.5。泡沫出口压力为0.23 MPa，满足掘进机施工要求。

在无粉尘控制、喷水、传统泡沫法、新型泡沫法四种不同的条件下，获得四组总粉尘和呼吸性粉尘浓度的测量数据，如表3 所示。试验结果表明，新型泡沫技术的粉尘控制效果显著，总粉尘控制效率为87.7%，呼吸性粉尘控制效率为94.5%，均高于传统方法的等效值。

表3 司机位置处粉尘浓度的测量数据

4 结语

本研究设计新型泡沫喷雾系统应用于EBZ-160掘进机。通过高稳定高效的喷水吸水装置自动将发泡剂吸入，多孔螺旋耦合发泡装置产生紧密、均匀、高的超压泡沫，用于粉尘控制。

EBZ-160 巷道掘进机内部泡沫喷淋系统的现场实施表明，该系统比传统系统和喷水系统具有更高的除尘效率。因此，该新型发泡装置将极大地促进泡沫抑尘技术在煤矿井下的广泛应用。