综采工作面粉尘运移规律及喷雾降尘参数优化研究_王甜.pdf

第 14 卷 第 4 期2023 年 2 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Feb 2023综采工作面粉尘运移规律及喷雾降尘参数优化研究王甜1，李佳阳1，吕靖昊2，张义宇2(1 哈尔滨石油学院，哈尔滨 150027;2 黑龙江科技大学，哈尔滨 150000)摘要:为降低综采工作面的粉尘浓度，提升喷雾降尘效果，从水平运动与重力沉降两方面入手，分析了粉尘运移规律，指出了影响喷雾降尘效率的因素，包括喷雾压力、喷嘴直径和雾化角度，通过设计仿真实验，对这 3 项参数进行优化。从仿真结果来看，采煤机外喷雾的降尘效率从原来的 80.55%提升至 94.51%，除尘效果得到了显著提升。实际生产还需结合现场环境灵活调整各项参数，进一步降低作业成本，提升经济效益。关键词:综采工作面;重力沉降;雾化角度;降尘效率中图分类号:TD714文献标志码:A文章编号:1674 8646(2023)04 0042 03Study on Law of Dust Migration in Fully Mechanized Mining Faceand the Optimization of Spray Dust Removal ParametersWang Tian1，Li Jiayang1，Lv Jinghao2，Zhang Yiyu2(1 Harbin Institute of Petroleum，Harbin 150027，China;2 Heilongjiang University of Technology，Harbin 150000，China)Abstract:In order to reduce the dust concentration of fully mechanized mining face，and improve spray dust removaleffect，the study analyzes dust migration law from horizontal motion and gravity settling;points out the influencing factorsof spray dust removal efficiency，such as spray pressure，nozzle diameter and pulverization angle;and optimizes 3parameters through design simulation experiment.The simulation results show that dust removal efficiency of shearerspray increases from 80.55%to 94.51%，and dust removal effect improves significantly.It is suggested to adjustvarious parameters in practical production through combining with conditions on site，further reduce activity cost，andpromote economic benefits.Key words:Fully mechanized mining face;Gravity settling;Pulverization angle;Dust removal efficiency收稿日期:2022 12 22黑龙江省教育科学规划重点课题“OBE CDIO 理念下 机械制图 与 计算机绘图 课程的融合与实践”(ZJB1421001);黑龙江省自然科学基金项目联合引导项目“采煤作业粉尘运移机理与煤体浸润性研究”(LH2022E096)作者简介:王甜(1988 )，女，硕士研究生，讲师。喷雾除尘是煤矿企业降低综采工作面粉尘浓度的一种常用措施，通过高压喷水方式，使水通过微孔喷嘴形成水雾，高速移动的雾滴与粉尘碰撞后增加了质量，令飘散或悬浮在空气中的粉尘能够更快地降落至地面，达到降尘效果。实际生产中存在多种因素影响喷雾除尘效率，如喷嘴直径、雾化角度、喷雾压力及喷雾作用区长度等。合理确定喷雾降尘参数不仅能进一步提升降尘效率，对延长设备使用寿命、降低作业成本也有着显著影响。1综采工作面不同粒径粉尘的运移规律1.1水平运动粉尘以一个初速度 U0从综采工作面上抛出，在空气阻力的影响下速度逐渐变慢，并在自身重力作用下沉降至地面。如果忽略粉尘自身重力，那么粉尘在水平方向上只需克服空气摩擦力向前流动，运动速度 Ux取决于初速度 U0，两者关系式为:Ux=U0e1粉尘在水平方向上的移动距离 x 的计算公式为:x=U0(1 e1)粉尘粒径通过影响粉尘速度的衰减速率来决定在水平方向上的移动距离。通常来说，粉尘粒径越小所受的空气摩擦力越小，在相同的初速度下可移动的距离更远。由于粉尘自身重量极小，因此由机械力提供的初速度很难支持粉尘进行长距离的移动，相比之下，位于尘源处的气流速度对粉尘水平移动距离的影响更24加明显，如果气流速度较大，那么质量极小的粉尘会随着气流飘散至很远的距离。要想控制粉尘的运移距离，必须要控制气流速度。1.2重力沉降粉尘无论处于静止还是运动状态都会在重力作用下沉降，在不考虑风力、空气阻力等外界因素的情况下，静止状态的粉尘会垂直沉降，而运动状态下的粉尘则会沿着运动方向以抛物线的形式沉降，当空气阻力、空气浮力、粉尘重力达到平衡时，粉尘会以恒定速度沉降。沉降速度主要与自身密度和粒径有关，且为正相关，即密度和粒径越大，则沉降速度越快。对于粒径不足 5 m 的粉尘，沉降速度基本可以忽略，在没有气流影响的情况下，可长时间悬浮在空气中。以粒径为1m 的粉尘为例，在真空环境下从距离地面 1.5 m 高的位置沉降，至少要 6 h 才能落到地面1。实际工作环境中存在各种紊流，因此粒径在 5 m 以下的粉尘很难沉降，多数情况下都会随着紊流四处运移。2综采工作面喷雾降尘效率的影响因素2.1喷雾压力喷雾压力主要影响水雾颗粒的粒径与速度。喷雾压力越大，喷出的水雾颗粒越小、越密，从而与空气中粉尘的碰撞接触几率越大，同时水雾颗粒的运动速度越快，与粉尘碰撞更加剧烈，两者融合程度更好，进而提升了除尘效率。当喷雾的雾化角度为 60、喷嘴直径为 1.0 mm 时，使用 Matlab 软件模拟除尘效率随喷雾压力的变化情况，喷雾压力分别为 2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa 时，除尘效率曲线如图 1 所示。图 1不同喷雾压力下除尘效率对比Fig.1Comparison of dust removal efficiency under different spray pressure由图1 可知，在喷嘴直径和雾化角度一定的情况下，除尘效率与喷雾压力为正相关。当喷雾压力为2 MPa时，对于直径为10 m 的粉尘，降尘效率只有8%。将喷雾压力增加至10 MPa 后，对于直径为 10 m 的粉尘，降尘效率可达到91.5%，提升了11.4 倍。这是因为增加喷雾压力可让喷嘴喷出的雾滴直径更小，同时雾滴的运动速度更快，在单位体积内可以让雾滴接触更多的粉尘，从而达到更为理想的除尘效果。但需要注意的是，一味地增加喷雾压力会提高设备的运行负荷，导致喷雾设备的故障率增加，因此必须合理确定喷雾压力。2.2喷嘴直径喷嘴直径是影响降尘效率的一个重要因素。在雾化角度、喷雾压力一定的情况下，喷嘴直径越大，喷出的雾滴越多，进而雾滴与粉尘的碰撞几率越高，降尘效果越好。在喷嘴直径较小的情况下，雾滴在水平和垂直方向上的运移速度更大，喷雾范围和碰撞强度得到提升，有利于进一步优化降尘效果。为了直观显示喷嘴直径与降尘效率之间的关系，使用 Matlab 软件绘制了喷嘴直径分别为0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm 时的降尘曲线，如图 2 所示。由图 2 可知，喷嘴直径为 0.8 mm 时，对于粒径为10 m 的粉尘，降尘效率为 66.1%。当喷嘴资金增加至 1.2 mm 时，对于粒径为 10 m 的粉尘，降尘效率为78.5%。可以发现，随着喷嘴直径的增加，降尘效率升高，但是变化并不明显。尤其是对于粒径在 2 m 以下的粉尘来说，改变喷嘴直径几乎不会对降尘效率产生影响2。在实际生产中一味增加喷嘴直径会产生新的问题，如导致耗水量升高，不仅造成水资源的浪费，还会导致成本增加。2.3雾化角度雾化角度主要影响喷雾的覆盖范围。粉尘在尘源处分布相对集中，随着粉尘运移距离的增加，在距离尘源越远的地方，其扩散范围越大。这时进行喷雾降尘，必须使用更大的雾化角度。为更加直观地表示雾化角度与除尘效率之间的关系，使用 Matlab 软件进行仿真，设定喷嘴直径为 1.0 mm、喷雾压力为 8 MPa，绘制雾化角度分别为 40、60、80、100、120时的除尘效率曲线，如图 3 所示。34图 2不同喷嘴直径下的除尘效率对比Fig.2Comparison of dust removal efficiency under different nozzle diameters图 3不同雾化角度下的除尘效率对比Fig.3Comparison of dust removal efficiency under different pulverization angle由图 3 可知，雾化角度与除尘效率之间有明显的负相关，即雾化角度越小，除尘效率越高。当雾化角度为 120时，对于直径为 10 m 的粉尘，降尘效率仅为15.5%。而雾化角度缩小到40时，对于直径为10 m的粉尘，降尘效率则达到了90.5%，效率提升了 5.8 倍。因为雾化角度越小，喷嘴喷出的雾滴越密集，只要保证喷雾装置与尘源之间的距离合适，即可令喷出的雾滴实现最大化利用，从而取得更为理想的降尘效果。实际应用中，还需考虑当雾化角度减小，必须增加更多数量的喷嘴才能实现对整个除尘范围的覆盖，这将导致成本增加，因此必须根据现场情况合理确定雾化角度3。3滚筒采煤机外喷雾参数的优化设计3.1确立目标函数为进一步提升采煤机外喷雾降尘能力，建立了喷雾降尘效率的目标函数。喷雾降尘效率主要受喷雾压力(P1)、喷嘴直径(P2)和雾化角度(P3)这 3 个因素的影响，变量集合 X 可表示为:X=P1，P2，P3T=p，d，T式中，P 表示喷雾压力，单位为 MPa;d 表示喷嘴直径，单位为 mm;表示雾化角度，单位为。用上述3 个变量的集合确立目标函数:min F(X)=f(x)3.2设定约束条件结合采煤机高压喷雾参数，设定各个变量的约束条件，具体如下:喷雾压力。参考AQ1021 2017 煤矿采掘工作面高压喷雾降尘技术规范 中的有关规定4，高压喷嘴的喷雾压力需达到 8 12.5 MPa，即:g1(X)=x112.50，g2(X)=8 x1喷嘴直径。直径如果太小，容易出现水中杂质堵塞喷嘴的情况，而喷嘴直径太大，则会导致用水成本上升。因此将喷嘴直径设定为 1.2 mm，约束条件为:g3(X)=x21.20，g4(X)=0.8 x20雾化角度会影响喷雾覆盖范围，将取值范围设定为 30 90，即:g5(X)=x320，g5(X)=6 x30(下转第 47 页)44图 6 与 p关系图Fig.6Relationship of and p图 7r1与 p关系图Fig.7Relationship of r1and p观察图 6、图 7 所示的结果可以看出，初始角速度对稳定进动角速度的影响不大，稳定进动角速度与垫圈内外半径成反比，与棒的半径成正比，与理论分析符合度较好。3结束语从理论与实验角度研究了施加以初始旋转的垫圈在钢棒上的运动状态及各因素对垫圈稳定进动角速度的影响。结果表明，垫圈在钢棒上的运动状态分为单点悬浮旋转、单点旋转滑动、双点稳定旋转 3 种。垫圈内外半径、棒的半径都会对稳定进动角速度造成影响，实验结果与理论分析一致。参考文献:1 周群益，莫云飞，周丽丽，等.拉格朗日陀螺转动的质心轨迹和可视化 J 衡阳师范学院学报，2022，43(03):8.2 刘延柱.呼啦圈的力学 J 力学与实践，2010，32(01):102 103.3 施德东.用拉格朗日方法研究刚体定点转动J 丽水学院学报，1993，15(02):30 33.4 蔡尚芳.由牛顿力学看对称陀螺的运动J 科学教育月刊，2001，(241):35 44.5 郑维金.陀螺环动力学分析 D台湾:国立台中教育大学，2015.(上接第 44 页)3.3仿真实验设计在确定上述约束条件的基础上，使用 Matlab 软件中自带的 Genetic Algorithm 算法建立模型，进行仿真实验，验证喷雾降尘参数的优化效果。实验采用实数编码方式，设定初始种群位 50，按照均匀分布方式创建初始种群。确定的 3 个变量边界分别为 x1 8，12.5、x2 0.8，1.2、x3/6，/2。设定最大繁衍代数为 500 代，迭代 100 步后有最优解5。3.4优化效果分析优化前后的喷雾参数见表 1。表 1优化前后喷雾参数对比Tab.1Comparison of spray parameters before and after optimization项目P1(MPa)P2(mm)P3()(%)优化前10.02.06080.55优化后10.3182.00253.74494.51变化量%3.18+0.210.43+17.33根据表 1 数据，经过参数优化后 P1、P2、P3三项变量可精确到百分位，采煤机外喷雾的降尘效率()从原来的 80.55%提升至 94.51%，优化效果明显。4结束语探究了喷雾压力、雾化角度、喷嘴直径这 3 项因素对喷雾降尘效率的影响。从仿真结果来看，喷雾压力为 10.318 MPa、喷嘴直径为 2.002 mm、雾化角度为53.744时，除尘效率最高，可达到 94.51%。实际生产中，需结合现场环境灵活调整各项参数，在保证采煤机外喷雾降尘效率较高的前提下进一步降低作业成本，切实提升煤矿企业的经济效益。参考文献:1 王建国，周侗柱，戚斐文，等.凉水井矿综采工作面粉尘运移规律数值仿真 J 西安科技大学学报，2020，(02):9 11.2 姚建伟.辛置煤矿 2 104 综放工作面顶煤运移规律及矿压特征研究 J 煤矿现代化，2019，(03):54 56.3 杜玉春.神角煤业 2105 工作面粉尘运移规律及降尘参数优化研究J 煤矿现代化，2020，(03):42 44.4 牟国礼，郭英俊，李强.付村煤矿综掘通风除尘参数优化及风流 粉尘运移规律研究 J 中国煤炭，2020，(06):6 7.5 李勇，张凯，史纪飞，等.掘进面通风布置对粉尘运移规律的影响 J 采矿技术，2022，22(02):193 196.74