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

掘進(jìn)機(jī)運(yùn)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(kuò)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)。過熱蒸汽渦街流量計(jì)作為氣液介質(zhì)，具有表面面積大、潤濕性和附著力強(qiáng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。壓縮空氣、水和表面活性劑混合并通過金屬網(wǎng)強(qiáng)制形成過熱蒸汽渦街流量計(jì)。過熱蒸汽渦街流量計(jì)除塵效率大于 50%，噴水裝置的耗水量僅為噴水裝置的 1/5 ～ 1/10。
1 傳統(tǒng)過熱蒸汽渦街流量計(jì)抑塵技術(shù)的缺點(diǎn)
傳統(tǒng)的過熱蒸汽渦街流量計(jì)抑塵技術(shù)在過熱蒸汽渦街流量計(jì)生產(chǎn)和噴涂方面仍存在一定的缺陷。在過熱蒸汽渦街流量計(jì)生產(chǎn)方面，許多過熱蒸汽渦街流量計(jì)發(fā)生器通常使用壓縮空氣來生產(chǎn)過熱蒸汽渦街流量計(jì)，并且在開挖面上使用過熱蒸汽渦街流量計(jì)產(chǎn)生了限制 ：
（1）地下礦山壓縮空氣供應(yīng)的壓力常常是不穩(wěn)定的，難以調(diào)整，通常導(dǎo)致影響設(shè)備使用的高壓水回流 ；
（2）通向發(fā)電機(jī)的壓縮空氣管道占用了掘進(jìn)機(jī)上的一些空間，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，使其難以用于狹窄的開挖面。此外，傳統(tǒng)的過熱蒸汽渦街流量計(jì)發(fā)生器通常采用定量添加劑泵來添加發(fā)泡劑，使系統(tǒng)更復(fù)雜，更容易燃燒。為了充分利用過熱蒸汽渦街流量計(jì)，過熱蒸汽渦街流量計(jì)流的形狀必須與粉塵源的形狀相似。在目前的噴涂結(jié)構(gòu)中，通常使用固體錐形噴嘴和扁平噴嘴來噴涂過熱蒸汽渦街流量計(jì)。由于縱向掘進(jìn)機(jī)的截割頭大致為錐形，噴嘴的噴霧范圍應(yīng)理想為圓形，接近切割頭的*大圓周，因此，通過固體圓錐噴嘴和扁平噴嘴的過熱蒸汽渦街流量計(jì)流不能有效地覆蓋粉塵源，導(dǎo)致過熱蒸汽渦街流量計(jì)利用率低。
2 新型過熱蒸汽渦街流量計(jì)
為了克服這些缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了優(yōu)化的過熱蒸汽渦街流量計(jì)發(fā)生器、分配支座和噴嘴，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了良好的效果。優(yōu)化后的過熱蒸汽渦街流量計(jì)發(fā)生器由一個(gè)自吸部分和一個(gè)過熱蒸汽渦街流量計(jì)產(chǎn)生部分組成，其電力只需要高壓水供應(yīng)，通常在地下礦山可用。*先，高壓水流通過噴嘴將其轉(zhuǎn)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)量的過熱蒸汽渦街流量計(jì)。新版本的優(yōu)點(diǎn)是 ：壓縮空氣管道和添加發(fā)泡劑的外來設(shè)備全部拆除，使整個(gè)系統(tǒng)更加簡單方便 ；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(jù)射流理論，水射流形成的真空度隨著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。為了獲得過熱蒸汽渦街流量計(jì)發(fā)生器的工作參數(shù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測試了自吸能力和發(fā)泡能力。用空氣流量 qg 與水流量 qw 的比值來評價(jià)相對吸風(fēng)功能。過熱蒸汽渦街流量計(jì)流量 qr 與水流 qw 的比值用于評價(jià)過熱蒸汽渦街流量計(jì)函數(shù)。采用添加發(fā)泡劑流量 qa 與水流量 qw 的比值來評價(jià)添加發(fā)泡劑的性能。分析水流與空氣流動(dòng)、過熱蒸汽渦街流量計(jì)流動(dòng)和發(fā)泡劑流動(dòng)的關(guān)系可知，隨著水流量的增加，空氣自吸量、過熱蒸汽渦街流量計(jì)產(chǎn)生量和發(fā)泡劑吸力總量呈線性增加。這一現(xiàn)象證實(shí)了噴射理論。過熱蒸汽渦街流量計(jì)主要由氣體組成，過熱蒸汽渦街流量計(jì)的產(chǎn)生量與引氣量基本相同。通過實(shí)驗(yàn)分析，傳統(tǒng)發(fā)泡器發(fā)泡劑的添加比例通常超過 2%，新發(fā)電機(jī)的添加比例在 0.8% 到0.9% 之間。所提出的過熱蒸汽渦街流量計(jì)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(jié)構(gòu)和噴霧，一種新型的噴嘴主要由一個(gè)過熱蒸汽渦街流量計(jì)入口、出口和導(dǎo)流葉片組成。出流口的圓柱形設(shè)計(jì)降低了湍流強(qiáng)度。導(dǎo)流葉片類似于流線型尾部，產(chǎn)生類似于弧形風(fēng)扇形狀的過熱蒸汽渦街流量計(jì)噴霧，其形狀類似于掘進(jìn)機(jī)的粉塵源。

為了描述過熱蒸汽渦街流量計(jì)的覆蓋性能，定義了兩個(gè)幾何參數(shù) ：cov 年齡和弦長度 Lch 和覆蓋直徑長度 Hch 。 Lch 代表了單弧風(fēng)機(jī)噴嘴所能覆蓋的粉塵源的*大弦長， Hch 代表覆蓋塵源與覆蓋弦長之間的*大垂直距離，覆蓋弦長和覆蓋直徑長度可確定過熱蒸汽渦街流量計(jì)流的*終覆蓋面積。
電弧風(fēng)機(jī)噴嘴 l ， d 、 h 的導(dǎo)葉長度、長徑和短徑是影響過熱蒸汽渦街流量計(jì)覆蓋性能的關(guān)鍵因素。根據(jù)空間幾何結(jié)構(gòu)，計(jì)算噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與過熱蒸汽渦街流量計(jì)覆蓋性能之間的關(guān)系。為了得到覆蓋弦長的修正系數(shù) k 和覆蓋直徑長度的修正系數(shù) ε，對導(dǎo)葉長度、長徑和短徑不同的噴嘴進(jìn)行了研究。為了適應(yīng)地下環(huán)境，將過熱蒸汽渦街流量計(jì)出口直徑和導(dǎo)葉長度分別設(shè)置為 10 mm 和 30 mm。
Hch 和 Lch 由高速攝像機(jī)測量，該攝像機(jī)能夠捕捉和分析照片的具體尺寸。實(shí)驗(yàn)中使用的高速相機(jī)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(yàn)過程中使用黑色窗簾模擬巷道，以便攝像機(jī)能夠清晰地捕捉過熱蒸汽渦街流量計(jì)流。
通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試，得到了相關(guān)參數(shù)，并可知實(shí)際覆蓋弦長或覆蓋直徑長度與導(dǎo)流葉片長徑或短徑的變化趨勢相同，修正系數(shù) k 在 0.68~0.85 之間，修正系數(shù) 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)行巖石開挖的 810 巷道作為現(xiàn)場試驗(yàn)場地。巷道支護(hù)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(jī)的粉塵問題，采用了兩個(gè)過熱蒸汽渦街流量計(jì)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(jì)算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。噴嘴與目標(biāo)點(diǎn) Ltd 之間的距離為 1 000 mm。根據(jù)計(jì)算得出導(dǎo)葉 d 、 h的長徑和短徑分別為 34.3 mm 和 7.8 mm。為了驗(yàn)證噴嘴的實(shí)際覆蓋性能，在實(shí)驗(yàn)室中測量了覆蓋弦長和覆蓋直徑長度，結(jié)果為 Lch =859 mm 和Hch =156 mm。覆蓋弦長 Lch 滿足條件，但覆蓋直徑Hch 小于要求。為了解決這一問題，測試了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴，*終選擇 d =34.3 mm， h =9 mm 的噴嘴。圖 2 示出了所提出的過熱蒸汽渦街流量計(jì)產(chǎn)生設(shè)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(dá) 40 kg）和兩個(gè)集成過熱蒸汽渦街流量計(jì)發(fā)生器，一個(gè)在該單元的任何一側(cè)。單元和過熱蒸汽渦街流量計(jì)發(fā)生器通過流入軟管和針閥連接。在 318 kW 縱向掘進(jìn)機(jī)上安裝的防塵系統(tǒng)，四個(gè)磁鐵將過熱蒸汽渦街流量計(jì)生產(chǎn)設(shè)備安裝在駕駛員旁邊的掘進(jìn)機(jī)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 型閥門分成兩個(gè)直徑為 19 mm 的管道。過熱蒸汽渦街流量計(jì)發(fā)生器 ：兩個(gè)直徑為 25 mm 的管子將過熱蒸汽渦街流量計(jì)噴到支撐件和噴嘴上，兩個(gè)過熱蒸汽渦街流量計(jì)發(fā)生器的工作水流為 1 m 3 /h，過熱蒸汽渦街流量計(jì)產(chǎn)生率為 60 m 3 /h。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)更加穩(wěn)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(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，新的過熱蒸汽渦街流量計(jì)技術(shù)對 td 的抑制效果為 87.3%，rd 為 85.9%，均高于傳統(tǒng)方法的等效值。
4 結(jié)語
設(shè)計(jì)了一種用于煤礦掘進(jìn)工作面的優(yōu)化過熱蒸汽渦街流量計(jì)。通過礦井輸送的高壓水為擬議的過熱蒸汽渦街流量計(jì)生產(chǎn)設(shè)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)生過熱蒸汽渦街流量計(jì)，然后將電弧噴涂到過熱蒸汽渦街流量計(jì)噴嘴上。壓縮空氣塞和添加發(fā)泡劑的附加設(shè)備被完全去除，使得整個(gè)系統(tǒng)更簡單，所提出的過熱蒸汽渦街流量計(jì)發(fā)生器需要更少的水和起泡劑，電弧風(fēng)扇噴嘴提高了過熱蒸汽渦街流量計(jì)利用效率。
現(xiàn)場實(shí)施表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)具有更高的抑塵效率和穩(wěn)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(yīng)用前景。

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