煤礦掘進工作面智能渦街流量計的優化與實現
點擊次數：1560 發布時間：2021-01-06 11:29:52
掘進機運行時會產生大量的粉塵，對煤礦環境造成很大影響。為了有效地控制粉塵，必須在粉塵擴散到整個道路空間之前，找到一種能夠抑制靠近源頭的粉塵的介質。智能渦街流量計作為氣液介質，具有表面面積大、潤濕性和附著力強的獨特優點。壓縮空氣、水和表面活性劑混合并通過金屬網強制形成智能渦街流量計。智能渦街流量計除塵效率大于 50%，噴水裝置的耗水量僅為噴水裝置的 1/5 ～ 1/10。
1 傳統智能渦街流量計抑塵技術的缺點
傳統的智能渦街流量計抑塵技術在智能渦街流量計生產和噴涂方面仍存在一定的缺陷。在智能渦街流量計生產方面，許多智能渦街流量計發生器通常使用壓縮空氣來生產智能渦街流量計，并且在開挖面上使用智能渦街流量計產生了限制 ：
（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）通向發電機的壓縮空氣管道占用了掘進機上的一些空間，增加了系統的復雜性，使其難以用于狹窄的開挖面。此外，傳統的智能渦街流量計發生器通常采用定量添加劑泵來添加發泡劑，使系統更復雜，更容易燃燒。為了充分利用智能渦街流量計，智能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噴涂智能渦街流量計。由于縱向掘進機的截割頭大致為錐形，噴嘴的噴霧范圍應理想為圓形，接近切割頭的最大圓周，因此，通過固體圓錐噴嘴和扁平噴嘴的智能渦街流量計流不能有效地覆蓋粉塵源，導致智能渦街流量計利用率低。
2 新型智能渦街流量計
為了克服這些缺點，設計了優化的智能渦街流量計發生器、分配支座和噴嘴，并進行了實驗室和現場試驗，取得了良好的效果。優化后的智能渦街流量計發生器由一個自吸部分和一個智能渦街流量計產生部分組成，其電力只需要高壓水供應，通常在地下礦山可用。首先，高壓水流通過噴嘴將其轉化為高速湍流，自動將環境空氣和發泡劑吸入混合室。然后，旋流器加速空氣和液體的混合以產生高質量的智能渦街流量計。新版本的優點是 ：壓縮空氣管道和添加發泡劑的外來設備全部拆除，使整個系統更加簡單方便 ；自動將空氣和發泡劑吸入混合裝置，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水流速度的增加而增大。真空度的增加會增加夾帶的空氣量，也會增加進入混合室的發泡劑量。為了獲得智能渦街流量計發生器的工作參數，設計了相應的實驗系統，測試了自吸能力和發泡能力。用空氣流量 qg 與水流量 qw 的比值來評價相對吸風功能。智能渦街流量計流量 qr 與水流 qw 的比值用于評價智能渦街流量計函數。采用添加發泡劑流量 qa 與水流量 qw 的比值來評價添加發泡劑的性能。分析水流與空氣流動、智能渦街流量計流動和發泡劑流動的關系可知，隨著水流量的增加，空氣自吸量、智能渦街流量計產生量和發泡劑吸力總量呈線性增加。這一現象證實了噴射理論。智能渦街流量計主要由氣體組成，智能渦街流量計的產生量與引氣量基本相同。通過實驗分析，傳統發泡器發泡劑的添加比例通常超過 2%，新發電機的添加比例在 0.8% 到0.9% 之間。所提出的智能渦街流量計發生器有效地降低了發泡劑的消耗。
圖 1 為電弧風扇噴嘴的結構和噴霧，一種新型的噴嘴主要由一個智能渦街流量計入口、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。導流葉片類似于流線型尾部，產生類似于弧形風扇形狀的智能渦街流量計噴霧，其形狀類似于掘進機的粉塵源。
為了描述智能渦街流量計的覆蓋性能，定義了兩個幾何參數 ：cov 年齡和弦長度 Lch 和覆蓋直徑長度 Hch 。 Lch 代表了單弧風機噴嘴所能覆蓋的粉塵源的最大弦長， Hch 代表覆蓋塵源與覆蓋弦長之間的最大垂直距離，覆蓋弦長和覆蓋直徑長度可確定智能渦街流量計流的最終覆蓋面積。
電弧風機噴嘴 l ， d 、 h 的導葉長度、長徑和短徑是影響智能渦街流量計覆蓋性能的關鍵因素。根據空間幾何結構，計算噴嘴結構參數與智能渦街流量計覆蓋性能之間的關系。為了得到覆蓋弦長的修正系數 k 和覆蓋直徑長度的修正系數 ε，對導葉長度、長徑和短徑不同的噴嘴進行了研究。為了適應地下環境，將智能渦街流量計出口直徑和導葉長度分別設置為 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，在實驗過程中使用黑色窗簾模擬巷道，以便攝像機能夠清晰地捕捉智能渦街流量計流。
通過理論計算和實驗測試，得到了相關參數，并可知實際覆蓋弦長或覆蓋直徑長度與導流葉片長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。
選擇某煤礦正在進行巖石開挖的 810 巷道作為現場試驗場地。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泥巖和中砂巖，可產生大量粉塵。為了解決大功率電機的粉塵問題，采用了兩個智能渦街流量計發生器和四個電弧風扇噴嘴。由于切割頭的最大外徑為 1 212 mm，因此計算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。噴嘴與目標點 Ltd 之間的距離為 1 000 mm。根據計算得出導葉 d 、 h的長徑和短徑分別為 34.3 mm 和 7.8 mm。為了驗證噴嘴的實際覆蓋性能，在實驗室中測量了覆蓋弦長和覆蓋直徑長度，結果為 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，測試了不同結構參數的噴嘴，最終選擇 d =34.3 mm， h =9 mm 的噴嘴。圖 2 示出了所提出的智能渦街流量計產生設備的實施方案。這主要包括發泡劑單元（560 mm×460 mm×220 mm 高，重達 40 kg）和兩個集成智能渦街流量計發生器，一個在該單元的任何一側。單元和智能渦街流量計發生器通過流入軟管和針閥連接。在 318 kW 縱向掘進機上安裝的防塵系統，四個磁鐵將智能渦街流量計生產設備安裝在駕駛員旁邊的掘進機上，以便及時和方便地控制。50 mm 直徑的地下高壓水管被 T 型閥門分成兩個直徑為 19 mm 的管道。智能渦街流量計發生器 ：兩個直徑為 25 mm 的管子將智能渦街流量計噴到支撐件和噴嘴上，兩個智能渦街流量計發生器的工作水流為 1 m 3 /h，智能渦街流量計產生率為 60 m 3 /h。經過現場試驗表明，優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，新的智能渦街流量計技術對 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
設計了一種用于煤礦掘進工作面的優化智能渦街流量計。通過礦井輸送的高壓水為擬議的智能渦街流量計生產設備提供動力，自吸單元自動地吸引環境空氣和發泡劑以產生智能渦街流量計，然后將電弧噴涂到智能渦街流量計噴嘴上。壓縮空氣塞和添加發泡劑的附加設備被完全去除，使得整個系統更簡單，所提出的智能渦街流量計發生器需要更少的水和起泡劑，電弧風扇噴嘴提高了智能渦街流量計利用效率。
現場實施表明，優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。
1 傳統智能渦街流量計抑塵技術的缺點
傳統的智能渦街流量計抑塵技術在智能渦街流量計生產和噴涂方面仍存在一定的缺陷。在智能渦街流量計生產方面，許多智能渦街流量計發生器通常使用壓縮空氣來生產智能渦街流量計，并且在開挖面上使用智能渦街流量計產生了限制 ：
（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）通向發電機的壓縮空氣管道占用了掘進機上的一些空間，增加了系統的復雜性，使其難以用于狹窄的開挖面。此外，傳統的智能渦街流量計發生器通常采用定量添加劑泵來添加發泡劑，使系統更復雜，更容易燃燒。為了充分利用智能渦街流量計，智能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噴涂智能渦街流量計。由于縱向掘進機的截割頭大致為錐形，噴嘴的噴霧范圍應理想為圓形，接近切割頭的最大圓周，因此，通過固體圓錐噴嘴和扁平噴嘴的智能渦街流量計流不能有效地覆蓋粉塵源，導致智能渦街流量計利用率低。
2 新型智能渦街流量計
為了克服這些缺點，設計了優化的智能渦街流量計發生器、分配支座和噴嘴，并進行了實驗室和現場試驗，取得了良好的效果。優化后的智能渦街流量計發生器由一個自吸部分和一個智能渦街流量計產生部分組成，其電力只需要高壓水供應，通常在地下礦山可用。首先，高壓水流通過噴嘴將其轉化為高速湍流，自動將環境空氣和發泡劑吸入混合室。然后，旋流器加速空氣和液體的混合以產生高質量的智能渦街流量計。新版本的優點是 ：壓縮空氣管道和添加發泡劑的外來設備全部拆除，使整個系統更加簡單方便 ；自動將空氣和發泡劑吸入混合裝置，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水流速度的增加而增大。真空度的增加會增加夾帶的空氣量，也會增加進入混合室的發泡劑量。為了獲得智能渦街流量計發生器的工作參數，設計了相應的實驗系統，測試了自吸能力和發泡能力。用空氣流量 qg 與水流量 qw 的比值來評價相對吸風功能。智能渦街流量計流量 qr 與水流 qw 的比值用于評價智能渦街流量計函數。采用添加發泡劑流量 qa 與水流量 qw 的比值來評價添加發泡劑的性能。分析水流與空氣流動、智能渦街流量計流動和發泡劑流動的關系可知，隨著水流量的增加，空氣自吸量、智能渦街流量計產生量和發泡劑吸力總量呈線性增加。這一現象證實了噴射理論。智能渦街流量計主要由氣體組成，智能渦街流量計的產生量與引氣量基本相同。通過實驗分析，傳統發泡器發泡劑的添加比例通常超過 2%，新發電機的添加比例在 0.8% 到0.9% 之間。所提出的智能渦街流量計發生器有效地降低了發泡劑的消耗。
圖 1 為電弧風扇噴嘴的結構和噴霧，一種新型的噴嘴主要由一個智能渦街流量計入口、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。導流葉片類似于流線型尾部，產生類似于弧形風扇形狀的智能渦街流量計噴霧，其形狀類似于掘進機的粉塵源。
為了描述智能渦街流量計的覆蓋性能，定義了兩個幾何參數 ：cov 年齡和弦長度 Lch 和覆蓋直徑長度 Hch 。 Lch 代表了單弧風機噴嘴所能覆蓋的粉塵源的最大弦長， Hch 代表覆蓋塵源與覆蓋弦長之間的最大垂直距離，覆蓋弦長和覆蓋直徑長度可確定智能渦街流量計流的最終覆蓋面積。
電弧風機噴嘴 l ， d 、 h 的導葉長度、長徑和短徑是影響智能渦街流量計覆蓋性能的關鍵因素。根據空間幾何結構，計算噴嘴結構參數與智能渦街流量計覆蓋性能之間的關系。為了得到覆蓋弦長的修正系數 k 和覆蓋直徑長度的修正系數 ε，對導葉長度、長徑和短徑不同的噴嘴進行了研究。為了適應地下環境，將智能渦街流量計出口直徑和導葉長度分別設置為 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，在實驗過程中使用黑色窗簾模擬巷道，以便攝像機能夠清晰地捕捉智能渦街流量計流。
通過理論計算和實驗測試，得到了相關參數，并可知實際覆蓋弦長或覆蓋直徑長度與導流葉片長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。
選擇某煤礦正在進行巖石開挖的 810 巷道作為現場試驗場地。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泥巖和中砂巖，可產生大量粉塵。為了解決大功率電機的粉塵問題，采用了兩個智能渦街流量計發生器和四個電弧風扇噴嘴。由于切割頭的最大外徑為 1 212 mm，因此計算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。噴嘴與目標點 Ltd 之間的距離為 1 000 mm。根據計算得出導葉 d 、 h的長徑和短徑分別為 34.3 mm 和 7.8 mm。為了驗證噴嘴的實際覆蓋性能，在實驗室中測量了覆蓋弦長和覆蓋直徑長度，結果為 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，測試了不同結構參數的噴嘴，最終選擇 d =34.3 mm， h =9 mm 的噴嘴。圖 2 示出了所提出的智能渦街流量計產生設備的實施方案。這主要包括發泡劑單元（560 mm×460 mm×220 mm 高，重達 40 kg）和兩個集成智能渦街流量計發生器，一個在該單元的任何一側。單元和智能渦街流量計發生器通過流入軟管和針閥連接。在 318 kW 縱向掘進機上安裝的防塵系統，四個磁鐵將智能渦街流量計生產設備安裝在駕駛員旁邊的掘進機上，以便及時和方便地控制。50 mm 直徑的地下高壓水管被 T 型閥門分成兩個直徑為 19 mm 的管道。智能渦街流量計發生器 ：兩個直徑為 25 mm 的管子將智能渦街流量計噴到支撐件和噴嘴上，兩個智能渦街流量計發生器的工作水流為 1 m 3 /h，智能渦街流量計產生率為 60 m 3 /h。經過現場試驗表明，優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，新的智能渦街流量計技術對 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
設計了一種用于煤礦掘進工作面的優化智能渦街流量計。通過礦井輸送的高壓水為擬議的智能渦街流量計生產設備提供動力，自吸單元自動地吸引環境空氣和發泡劑以產生智能渦街流量計，然后將電弧噴涂到智能渦街流量計噴嘴上。壓縮空氣塞和添加發泡劑的附加設備被完全去除，使得整個系統更簡單，所提出的智能渦街流量計發生器需要更少的水和起泡劑，電弧風扇噴嘴提高了智能渦街流量計利用效率。
現場實施表明，優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。