煤礦掘進(jìn)工作面過(guò)熱蒸汽渦街流量計的優(yōu)化與實(shí)現

掘進(jìn)機運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的粉塵，對煤礦環(huán)境造成很大影響。為了有效地控制粉塵，必須在粉塵擴散到整個(gè)道路空間之前，找到一種能夠抑制靠近源頭的粉塵的介質(zhì)。過(guò)熱蒸汽渦街流量計作為氣液介質(zhì)，具有表面面積大、潤濕性和附著(zhù)力強的獨特優(yōu)點(diǎn)。壓縮空氣、水和表面活性劑混合并通過(guò)金屬網(wǎng)強制形成過(guò)熱蒸汽渦街流量計。過(guò)熱蒸汽渦街流量計除塵效率大于 50%，噴水裝置的耗水量?jì)H為噴水裝置的 1/5 ～ 1/10。
1 傳統過(guò)熱蒸汽渦街流量計抑塵技術(shù)的缺點(diǎn)
傳統的過(guò)熱蒸汽渦街流量計抑塵技術(shù)在過(guò)熱蒸汽渦街流量計生產(chǎn)和噴涂方面仍存在一定的缺陷。在過(guò)熱蒸汽渦街流量計生產(chǎn)方面，許多過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器通常使用壓縮空氣來(lái)生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽渦街流量計，并且在開(kāi)挖面上使用過(guò)熱蒸汽渦街流量計產(chǎn)生了限制 ：
（1）地下礦山壓縮空氣供應的壓力常常是不穩定的，難以調整，通常導致影響設備使用的高壓水回流 ；
（2）通向發(fā)電機的壓縮空氣管道占用了掘進(jìn)機上的一些空間，增加了系統的復雜性，使其難以用于狹窄的開(kāi)挖面。此外，傳統的過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器通常采用定量添加劑泵來(lái)添加發(fā)泡劑，使系統更復雜，更容易燃燒。為了充分利用過(guò)熱蒸汽渦街流量計，過(guò)熱蒸汽渦街流量計流的形狀必須與粉塵源的形狀相似。在目前的噴涂結構中，通常使用固體錐形噴嘴和扁平噴嘴來(lái)噴涂過(guò)熱蒸汽渦街流量計。由于縱向掘進(jìn)機的截割頭大致為錐形，噴嘴的噴霧范圍應理想為圓形，接近切割頭的*大圓周，因此，通過(guò)固體圓錐噴嘴和扁平噴嘴的過(guò)熱蒸汽渦街流量計流不能有效地覆蓋粉塵源，導致過(guò)熱蒸汽渦街流量計利用率低。
2 新型過(guò)熱蒸汽渦街流量計
為了克服這些缺點(diǎn)，設計了優(yōu)化的過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器、分配支座和噴嘴，并進(jìn)行了實(shí)驗室和現場(chǎng)試驗，取得了良好的效果。優(yōu)化后的過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器由一個(gè)自吸部分和一個(gè)過(guò)熱蒸汽渦街流量計產(chǎn)生部分組成，其電力只需要高壓水供應，通常在地下礦山可用。*先，高壓水流通過(guò)噴嘴將其轉化為高速湍流，自動(dòng)將環(huán)境空氣和發(fā)泡劑吸入混合室。然后，旋流器加速空氣和液體的混合以產(chǎn)生高質(zhì)量的過(guò)熱蒸汽渦街流量計。新版本的優(yōu)點(diǎn)是 ：壓縮空氣管道和添加發(fā)泡劑的外來(lái)設備全部拆除，使整個(gè)系統更加簡(jiǎn)單方便 ；自動(dòng)將空氣和發(fā)泡劑吸入混合裝置，消除了水回流 ；旋流器降低了混合裝置的阻力。
根據射流理論，水射流形成的真空度隨著(zhù)水流速度的增加而增大。真空度的增加會(huì )增加夾帶的空氣量，也會(huì )增加進(jìn)入混合室的發(fā)泡劑量。為了獲得過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器的工作參數，設計了相應的實(shí)驗系統，測試了自吸能力和發(fā)泡能力。用空氣流量 qg 與水流量 qw 的比值來(lái)評價(jià)相對吸風(fēng)功能。過(guò)熱蒸汽渦街流量計流量 qr 與水流 qw 的比值用于評價(jià)過(guò)熱蒸汽渦街流量計函數。采用添加發(fā)泡劑流量 qa 與水流量 qw 的比值來(lái)評價(jià)添加發(fā)泡劑的性能。分析水流與空氣流動(dòng)、過(guò)熱蒸汽渦街流量計流動(dòng)和發(fā)泡劑流動(dòng)的關(guān)系可知，隨著(zhù)水流量的增加，空氣自吸量、過(guò)熱蒸汽渦街流量計產(chǎn)生量和發(fā)泡劑吸力總量呈線(xiàn)性增加。這一現象證實(shí)了噴射理論。過(guò)熱蒸汽渦街流量計主要由氣體組成，過(guò)熱蒸汽渦街流量計的產(chǎn)生量與引氣量基本相同。通過(guò)實(shí)驗分析，傳統發(fā)泡器發(fā)泡劑的添加比例通常超過(guò) 2%，新發(fā)電機的添加比例在 0.8% 到0.9% 之間。所提出的過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器有效地降低了發(fā)泡劑的消耗。
圖 1 為電弧風(fēng)扇噴嘴的結構和噴霧，一種新型的噴嘴主要由一個(gè)過(guò)熱蒸汽渦街流量計入口、出口和導流葉片組成。出流口的圓柱形設計降低了湍流強度。導流葉片類(lèi)似于流線(xiàn)型尾部，產(chǎn)生類(lèi)似于弧形風(fēng)扇形狀的過(guò)熱蒸汽渦街流量計噴霧，其形狀類(lèi)似于掘進(jìn)機的粉塵源。

為了描述過(guò)熱蒸汽渦街流量計的覆蓋性能，定義了兩個(gè)幾何參數 ：cov 年齡和弦長(cháng)度 Lch 和覆蓋直徑長(cháng)度 Hch 。 Lch 代表了單弧風(fēng)機噴嘴所能覆蓋的粉塵源的*大弦長(cháng)， Hch 代表覆蓋塵源與覆蓋弦長(cháng)之間的*大垂直距離，覆蓋弦長(cháng)和覆蓋直徑長(cháng)度可確定過(guò)熱蒸汽渦街流量計流的*終覆蓋面積。
電弧風(fēng)機噴嘴 l ， d 、 h 的導葉長(cháng)度、長(cháng)徑和短徑是影響過(guò)熱蒸汽渦街流量計覆蓋性能的關(guān)鍵因素。根據空間幾何結構，計算噴嘴結構參數與過(guò)熱蒸汽渦街流量計覆蓋性能之間的關(guān)系。為了得到覆蓋弦長(cháng)的修正系數 k 和覆蓋直徑長(cháng)度的修正系數 ε，對導葉長(cháng)度、長(cháng)徑和短徑不同的噴嘴進(jìn)行了研究。為了適應地下環(huán)境，將過(guò)熱蒸汽渦街流量計出口直徑和導葉長(cháng)度分別設置為 10 mm 和 30 mm。
Hch 和 Lch 由高速攝像機測量，該攝像機能夠捕捉和分析照片的具體尺寸。實(shí)驗中使用的高速相機有 1280×800 像素，拍攝速度為每秒 200 幀。為了提高對比度，在實(shí)驗過(guò)程中使用黑色窗簾模擬巷道，以便攝像機能夠清晰地捕捉過(guò)熱蒸汽渦街流量計流。
通過(guò)理論計算和實(shí)驗測試，得到了相關(guān)參數，并可知實(shí)際覆蓋弦長(cháng)或覆蓋直徑長(cháng)度與導流葉片長(cháng)徑或短徑的變化趨勢相同，修正系數 k 在 0.68~0.85 之間，修正系數 ε在 0.60~0.72 之間，平均值分別為 0.75 和 0.68。

選擇某煤礦正在進(jìn)行巖石開(kāi)挖的 810 巷道作為現場(chǎng)試驗場(chǎng)地。巷道支護斷面面積 13.87 m 2 （寬 4.6 × 高 3.5m）。巖石巖性主要為砂質(zhì)泥巖和中砂巖，可產(chǎn)生大量粉塵。為了解決大功率電機的粉塵問(wèn)題，采用了兩個(gè)過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器和四個(gè)電弧風(fēng)扇噴嘴。由于切割頭的*大外徑為 1 212 mm，因此計算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。噴嘴與目標點(diǎn) Ltd 之間的距離為 1 000 mm。根據計算得出導葉 d 、 h的長(cháng)徑和短徑分別為 34.3 mm 和 7.8 mm。為了驗證噴嘴的實(shí)際覆蓋性能，在實(shí)驗室中測量了覆蓋弦長(cháng)和覆蓋直徑長(cháng)度，結果為 Lch =859 mm 和Hch =156 mm。覆蓋弦長(cháng) Lch 滿(mǎn)足條件，但覆蓋直徑Hch 小于要求。為了解決這一問(wèn)題，測試了不同結構參數的噴嘴，*終選擇 d =34.3 mm， h =9 mm 的噴嘴。圖 2 示出了所提出的過(guò)熱蒸汽渦街流量計產(chǎn)生設備的實(shí)施方案。這主要包括發(fā)泡劑單元（560 mm×460 mm×220 mm 高，重達 40 kg）和兩個(gè)集成過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器，一個(gè)在該單元的任何一側。單元和過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器通過(guò)流入軟管和針閥連接。在 318 kW 縱向掘進(jìn)機上安裝的防塵系統，四個(gè)磁鐵將過(guò)熱蒸汽渦街流量計生產(chǎn)設備安裝在駕駛員旁邊的掘進(jìn)機上，以便及時(shí)和方便地控制。50 mm 直徑的地下高壓水管被 T 型閥門(mén)分成兩個(gè)直徑為 19 mm 的管道。過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器 ：兩個(gè)直徑為 25 mm 的管子將過(guò)熱蒸汽渦街流量計噴到支撐件和噴嘴上，兩個(gè)過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器的工作水流為 1 m 3 /h，過(guò)熱蒸汽渦街流量計產(chǎn)生率為 60 m 3 /h。經(jīng)過(guò)現場(chǎng)試驗表明，優(yōu)化后的系統比傳統系統更加穩定可靠。獲得了三組不同條件下總粉塵（ td ）和呼吸性粉塵（ rd ）的粉塵濃度測量數據，試驗結果表明，新的過(guò)熱蒸汽渦街流量計技術(shù)對 td 的抑制效果為 87.3%，rd 為 85.9%，均高于傳統方法的等效值。
4 結語(yǔ)
設計了一種用于煤礦掘進(jìn)工作面的優(yōu)化過(guò)熱蒸汽渦街流量計。通過(guò)礦井輸送的高壓水為擬議的過(guò)熱蒸汽渦街流量計生產(chǎn)設備提供動(dòng)力，自吸單元自動(dòng)地吸引環(huán)境空氣和發(fā)泡劑以產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽渦街流量計，然后將電弧噴涂到過(guò)熱蒸汽渦街流量計噴嘴上。壓縮空氣塞和添加發(fā)泡劑的附加設備被完全去除，使得整個(gè)系統更簡(jiǎn)單，所提出的過(guò)熱蒸汽渦街流量計發(fā)生器需要更少的水和起泡劑，電弧風(fēng)扇噴嘴提高了過(guò)熱蒸汽渦街流量計利用效率。
現場(chǎng)實(shí)施表明，優(yōu)化后的系統比傳統系統具有更高的抑塵效率和穩定性。為煤礦采掘工作面提供了較好的防塵要求，具有廣闊的應用前景。

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