煤矿掘进工作面过热蒸汽涡街流量计的优化与实现
点击次数：1835 发布时间：2021-01-07 15:11:45
掘进机运行时会产生大量的粉尘，对煤矿环境造成很大影响。为了有效地控制粉尘，必须在粉尘扩散到整个道路空间之前，找到一种能够抑制靠近源头的粉尘的介质。过热蒸汽涡街流量计作为气液介质，具有表面面积大、润湿性和附着力强的独特优点。压缩空气、水和表面活性剂混合并通过金属网强制形成过热蒸汽涡街流量计。过热蒸汽涡街流量计除尘效率大于 50%，喷水装置的耗水量仅为喷水装置的 1/5 ～ 1/10。
1 传统过热蒸汽涡街流量计抑尘技术的缺点
传统的过热蒸汽涡街流量计抑尘技术在过热蒸汽涡街流量计生产和喷涂方面仍存在一定的缺陷。在过热蒸汽涡街流量计生产方面，许多过热蒸汽涡街流量计发生器通常使用压缩空气来生产过热蒸汽涡街流量计，并且在开挖面上使用过热蒸汽涡街流量计产生了限制 ：
（1）地下矿山压缩空气供应的压力常常是不稳定的，难以调整，通常导致影响设备使用的高压水回流 ；
（2）通向发电机的压缩空气管道占用了掘进机上的一些空间，增加了系统的复杂性，使其难以用于狭窄的开挖面。此外，传统的过热蒸汽涡街流量计发生器通常采用定量添加剂泵来添加发泡剂，使系统更复杂，更容易燃烧。为了充分利用过热蒸汽涡街流量计，过热蒸汽涡街流量计流的形状必须与粉尘源的形状相似。在目前的喷涂结构中，通常使用固体锥形喷嘴和扁平喷嘴来喷涂过热蒸汽涡街流量计。由于纵向掘进机的截割头大致为锥形，喷嘴的喷雾范围应理想为圆形，接近切割头的*大圆周，因此，通过固体圆锥喷嘴和扁平喷嘴的过热蒸汽涡街流量计流不能有效地覆盖粉尘源，导致过热蒸汽涡街流量计利用率低。
2 新型过热蒸汽涡街流量计
为了克服这些缺点，设计了优化的过热蒸汽涡街流量计发生器、分配支座和喷嘴，并进行了实验室和现场试验，取得了良好的效果。优化后的过热蒸汽涡街流量计发生器由一个自吸部分和一个过热蒸汽涡街流量计产生部分组成，其电力只需要高压水供应，通常在地下矿山可用。*先，高压水流通过喷嘴将其转化为高速湍流，自动将环境空气和发泡剂吸入混合室。然后，旋流器加速空气和液体的混合以产生高质量的过热蒸汽涡街流量计。新版本的优点是 ：压缩空气管道和添加发泡剂的外来设备全部拆除，使整个系统更加简单方便 ；自动将空气和发泡剂吸入混合装置，消除了水回流 ；旋流器降低了混合装置的阻力。
根据射流理论，水射流形成的真空度随着水流速度的增加而增大。真空度的增加会增加夹带的空气量，也会增加进入混合室的发泡剂量。为了获得过热蒸汽涡街流量计发生器的工作参数，设计了相应的实验系统，测试了自吸能力和发泡能力。用空气流量 qg 与水流量 qw 的比值来评价相对吸风功能。过热蒸汽涡街流量计流量 qr 与水流 qw 的比值用于评价过热蒸汽涡街流量计函数。采用添加发泡剂流量 qa 与水流量 qw 的比值来评价添加发泡剂的性能。分析水流与空气流动、过热蒸汽涡街流量计流动和发泡剂流动的关系可知，随着水流量的增加，空气自吸量、过热蒸汽涡街流量计产生量和发泡剂吸力总量呈线性增加。这一现象证实了喷射理论。过热蒸汽涡街流量计主要由气体组成，过热蒸汽涡街流量计的产生量与引气量基本相同。通过实验分析，传统发泡器发泡剂的添加比例通常超过 2%，新发电机的添加比例在 0.8% 到0.9% 之间。所提出的过热蒸汽涡街流量计发生器有效地降低了发泡剂的消耗。
图 1 为电弧风扇喷嘴的结构和喷雾，一种新型的喷嘴主要由一个过热蒸汽涡街流量计入口、出口和导流叶片组成。出流口的圆柱形设计降低了湍流强度。导流叶片类似于流线型尾部，产生类似于弧形风扇形状的过热蒸汽涡街流量计喷雾，其形状类似于掘进机的粉尘源。
为了描述过热蒸汽涡街流量计的覆盖性能，定义了两个几何参数 ：cov 年龄和弦长度 Lch 和覆盖直径长度 Hch 。 Lch 代表了单弧风机喷嘴所能覆盖的粉尘源的*大弦长， Hch 代表覆盖尘源与覆盖弦长之间的*大垂直距离，覆盖弦长和覆盖直径长度可确定过热蒸汽涡街流量计流的*终覆盖面积。
电弧风机喷嘴 l ， d 、 h 的导叶长度、长径和短径是影响过热蒸汽涡街流量计覆盖性能的关键因素。根据空间几何结构，计算喷嘴结构参数与过热蒸汽涡街流量计覆盖性能之间的关系。为了得到覆盖弦长的修正系数 k 和覆盖直径长度的修正系数 ε，对导叶长度、长径和短径不同的喷嘴进行了研究。为了适应地下环境，将过热蒸汽涡街流量计出口直径和导叶长度分别设置为 10 mm 和 30 mm。
Hch 和 Lch 由高速摄像机测量，该摄像机能够捕捉和分析照片的具体尺寸。实验中使用的高速相机有 1280×800 像素，拍摄速度为每秒 200 帧。为了提高对比度，在实验过程中使用黑色窗帘模拟巷道，以便摄像机能够清晰地捕捉过热蒸汽涡街流量计流。
通过理论计算和实验测试，得到了相关参数，并可知实际覆盖弦长或覆盖直径长度与导流叶片长径或短径的变化趋势相同，修正系数 k 在 0.68~0.85 之间，修正系数 ε在 0.60~0.72 之间，平均值分别为 0.75 和 0.68。
选择某煤矿正在进行岩石开挖的 810 巷道作为现场试验场地。巷道支护断面面积 13.87 m 2 （宽 4.6 × 高 3.5m）。岩石岩性主要为砂质泥岩和中砂岩，可产生大量粉尘。为了解决大功率电机的粉尘问题，采用了两个过热蒸汽涡街流量计发生器和四个电弧风扇喷嘴。由于切割头的*大外径为 1 212 mm，因此计算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。喷嘴与目标点 Ltd 之间的距离为 1 000 mm。根据计算得出导叶 d 、 h的长径和短径分别为 34.3 mm 和 7.8 mm。为了验证喷嘴的实际覆盖性能，在实验室中测量了覆盖弦长和覆盖直径长度，结果为 Lch =859 mm 和Hch =156 mm。覆盖弦长 Lch 满足条件，但覆盖直径Hch 小于要求。为了解决这一问题，测试了不同结构参数的喷嘴，*终选择 d =34.3 mm， h =9 mm 的喷嘴。图 2 示出了所提出的过热蒸汽涡街流量计产生设备的实施方案。这主要包括发泡剂单元（560 mm×460 mm×220 mm 高，重达 40 kg）和两个集成过热蒸汽涡街流量计发生器，一个在该单元的任何一侧。单元和过热蒸汽涡街流量计发生器通过流入软管和针阀连接。在 318 kW 纵向掘进机上安装的防尘系统，四个磁铁将过热蒸汽涡街流量计生产设备安装在驾驶员旁边的掘进机上，以便及时和方便地控制。50 mm 直径的地下高压水管被 T 型阀门分成两个直径为 19 mm 的管道。过热蒸汽涡街流量计发生器 ：两个直径为 25 mm 的管子将过热蒸汽涡街流量计喷到支撑件和喷嘴上，两个过热蒸汽涡街流量计发生器的工作水流为 1 m 3 /h，过热蒸汽涡街流量计产生率为 60 m 3 /h。经过现场试验表明，优化后的系统比传统系统更加稳定可靠。获得了三组不同条件下总粉尘（ td ）和呼吸性粉尘（ rd ）的粉尘浓度测量数据，试验结果表明，新的过热蒸汽涡街流量计技术对 td 的抑制效果为 87.3%，rd 为 85.9%，均高于传统方法的等效值。
4 结语
设计了一种用于煤矿掘进工作面的优化过热蒸汽涡街流量计。通过矿井输送的高压水为拟议的过热蒸汽涡街流量计生产设备提供动力，自吸单元自动地吸引环境空气和发泡剂以产生过热蒸汽涡街流量计，然后将电弧喷涂到过热蒸汽涡街流量计喷嘴上。压缩空气塞和添加发泡剂的附加设备被完全去除，使得整个系统更简单，所提出的过热蒸汽涡街流量计发生器需要更少的水和起泡剂，电弧风扇喷嘴提高了过热蒸汽涡街流量计利用效率。
现场实施表明，优化后的系统比传统系统具有更高的抑尘效率和稳定性。为煤矿采掘工作面提供了较好的防尘要求，具有广阔的应用前景。
1 传统过热蒸汽涡街流量计抑尘技术的缺点
传统的过热蒸汽涡街流量计抑尘技术在过热蒸汽涡街流量计生产和喷涂方面仍存在一定的缺陷。在过热蒸汽涡街流量计生产方面，许多过热蒸汽涡街流量计发生器通常使用压缩空气来生产过热蒸汽涡街流量计，并且在开挖面上使用过热蒸汽涡街流量计产生了限制 ：
（1）地下矿山压缩空气供应的压力常常是不稳定的，难以调整，通常导致影响设备使用的高压水回流 ；
（2）通向发电机的压缩空气管道占用了掘进机上的一些空间，增加了系统的复杂性，使其难以用于狭窄的开挖面。此外，传统的过热蒸汽涡街流量计发生器通常采用定量添加剂泵来添加发泡剂，使系统更复杂，更容易燃烧。为了充分利用过热蒸汽涡街流量计，过热蒸汽涡街流量计流的形状必须与粉尘源的形状相似。在目前的喷涂结构中，通常使用固体锥形喷嘴和扁平喷嘴来喷涂过热蒸汽涡街流量计。由于纵向掘进机的截割头大致为锥形，喷嘴的喷雾范围应理想为圆形，接近切割头的*大圆周，因此，通过固体圆锥喷嘴和扁平喷嘴的过热蒸汽涡街流量计流不能有效地覆盖粉尘源，导致过热蒸汽涡街流量计利用率低。
2 新型过热蒸汽涡街流量计
为了克服这些缺点，设计了优化的过热蒸汽涡街流量计发生器、分配支座和喷嘴，并进行了实验室和现场试验，取得了良好的效果。优化后的过热蒸汽涡街流量计发生器由一个自吸部分和一个过热蒸汽涡街流量计产生部分组成，其电力只需要高压水供应，通常在地下矿山可用。*先，高压水流通过喷嘴将其转化为高速湍流，自动将环境空气和发泡剂吸入混合室。然后，旋流器加速空气和液体的混合以产生高质量的过热蒸汽涡街流量计。新版本的优点是 ：压缩空气管道和添加发泡剂的外来设备全部拆除，使整个系统更加简单方便 ；自动将空气和发泡剂吸入混合装置，消除了水回流 ；旋流器降低了混合装置的阻力。
根据射流理论，水射流形成的真空度随着水流速度的增加而增大。真空度的增加会增加夹带的空气量，也会增加进入混合室的发泡剂量。为了获得过热蒸汽涡街流量计发生器的工作参数，设计了相应的实验系统，测试了自吸能力和发泡能力。用空气流量 qg 与水流量 qw 的比值来评价相对吸风功能。过热蒸汽涡街流量计流量 qr 与水流 qw 的比值用于评价过热蒸汽涡街流量计函数。采用添加发泡剂流量 qa 与水流量 qw 的比值来评价添加发泡剂的性能。分析水流与空气流动、过热蒸汽涡街流量计流动和发泡剂流动的关系可知，随着水流量的增加，空气自吸量、过热蒸汽涡街流量计产生量和发泡剂吸力总量呈线性增加。这一现象证实了喷射理论。过热蒸汽涡街流量计主要由气体组成，过热蒸汽涡街流量计的产生量与引气量基本相同。通过实验分析，传统发泡器发泡剂的添加比例通常超过 2%，新发电机的添加比例在 0.8% 到0.9% 之间。所提出的过热蒸汽涡街流量计发生器有效地降低了发泡剂的消耗。
图 1 为电弧风扇喷嘴的结构和喷雾，一种新型的喷嘴主要由一个过热蒸汽涡街流量计入口、出口和导流叶片组成。出流口的圆柱形设计降低了湍流强度。导流叶片类似于流线型尾部，产生类似于弧形风扇形状的过热蒸汽涡街流量计喷雾，其形状类似于掘进机的粉尘源。
为了描述过热蒸汽涡街流量计的覆盖性能，定义了两个几何参数 ：cov 年龄和弦长度 Lch 和覆盖直径长度 Hch 。 Lch 代表了单弧风机喷嘴所能覆盖的粉尘源的*大弦长， Hch 代表覆盖尘源与覆盖弦长之间的*大垂直距离，覆盖弦长和覆盖直径长度可确定过热蒸汽涡街流量计流的*终覆盖面积。
电弧风机喷嘴 l ， d 、 h 的导叶长度、长径和短径是影响过热蒸汽涡街流量计覆盖性能的关键因素。根据空间几何结构，计算喷嘴结构参数与过热蒸汽涡街流量计覆盖性能之间的关系。为了得到覆盖弦长的修正系数 k 和覆盖直径长度的修正系数 ε，对导叶长度、长径和短径不同的喷嘴进行了研究。为了适应地下环境，将过热蒸汽涡街流量计出口直径和导叶长度分别设置为 10 mm 和 30 mm。
Hch 和 Lch 由高速摄像机测量，该摄像机能够捕捉和分析照片的具体尺寸。实验中使用的高速相机有 1280×800 像素，拍摄速度为每秒 200 帧。为了提高对比度，在实验过程中使用黑色窗帘模拟巷道，以便摄像机能够清晰地捕捉过热蒸汽涡街流量计流。
通过理论计算和实验测试，得到了相关参数，并可知实际覆盖弦长或覆盖直径长度与导流叶片长径或短径的变化趋势相同，修正系数 k 在 0.68~0.85 之间，修正系数 ε在 0.60~0.72 之间，平均值分别为 0.75 和 0.68。
选择某煤矿正在进行岩石开挖的 810 巷道作为现场试验场地。巷道支护断面面积 13.87 m 2 （宽 4.6 × 高 3.5m）。岩石岩性主要为砂质泥岩和中砂岩，可产生大量粉尘。为了解决大功率电机的粉尘问题，采用了两个过热蒸汽涡街流量计发生器和四个电弧风扇喷嘴。由于切割头的*大外径为 1 212 mm，因此计算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。喷嘴与目标点 Ltd 之间的距离为 1 000 mm。根据计算得出导叶 d 、 h的长径和短径分别为 34.3 mm 和 7.8 mm。为了验证喷嘴的实际覆盖性能，在实验室中测量了覆盖弦长和覆盖直径长度，结果为 Lch =859 mm 和Hch =156 mm。覆盖弦长 Lch 满足条件，但覆盖直径Hch 小于要求。为了解决这一问题，测试了不同结构参数的喷嘴，*终选择 d =34.3 mm， h =9 mm 的喷嘴。图 2 示出了所提出的过热蒸汽涡街流量计产生设备的实施方案。这主要包括发泡剂单元（560 mm×460 mm×220 mm 高，重达 40 kg）和两个集成过热蒸汽涡街流量计发生器，一个在该单元的任何一侧。单元和过热蒸汽涡街流量计发生器通过流入软管和针阀连接。在 318 kW 纵向掘进机上安装的防尘系统，四个磁铁将过热蒸汽涡街流量计生产设备安装在驾驶员旁边的掘进机上，以便及时和方便地控制。50 mm 直径的地下高压水管被 T 型阀门分成两个直径为 19 mm 的管道。过热蒸汽涡街流量计发生器 ：两个直径为 25 mm 的管子将过热蒸汽涡街流量计喷到支撑件和喷嘴上，两个过热蒸汽涡街流量计发生器的工作水流为 1 m 3 /h，过热蒸汽涡街流量计产生率为 60 m 3 /h。经过现场试验表明，优化后的系统比传统系统更加稳定可靠。获得了三组不同条件下总粉尘（ td ）和呼吸性粉尘（ rd ）的粉尘浓度测量数据，试验结果表明，新的过热蒸汽涡街流量计技术对 td 的抑制效果为 87.3%，rd 为 85.9%，均高于传统方法的等效值。
4 结语
设计了一种用于煤矿掘进工作面的优化过热蒸汽涡街流量计。通过矿井输送的高压水为拟议的过热蒸汽涡街流量计生产设备提供动力，自吸单元自动地吸引环境空气和发泡剂以产生过热蒸汽涡街流量计，然后将电弧喷涂到过热蒸汽涡街流量计喷嘴上。压缩空气塞和添加发泡剂的附加设备被完全去除，使得整个系统更简单，所提出的过热蒸汽涡街流量计发生器需要更少的水和起泡剂，电弧风扇喷嘴提高了过热蒸汽涡街流量计利用效率。
现场实施表明，优化后的系统比传统系统具有更高的抑尘效率和稳定性。为煤矿采掘工作面提供了较好的防尘要求，具有广阔的应用前景。