楊家威

（山西焦煤 西山煤電集團(tuán)公司機(jī)電廠，太原 030053）

綜采面高壓外噴霧系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

楊家威

（山西焦煤 西山煤電集團(tuán)公司機(jī)電廠，太原 030053）

通過對綜采面常規(guī)噴霧系統(tǒng)的缺陷分析，采用智能高效的噴霧系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，確定系統(tǒng)參數(shù)，制定噴霧系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖，并根據(jù)系統(tǒng)需求選定配套設(shè)備。綜采面高壓外噴霧降塵系統(tǒng)，利用設(shè)置在工作面的由高壓水泵、供水自動控制水箱組成的高壓泵站，將靜壓水(低壓)轉(zhuǎn)化為高壓水并通過沿順槽至工作面鋪設(shè)的高壓管路輸送到布置在采煤機(jī)上的負(fù)壓二次除塵裝置；負(fù)壓二次除塵裝置將供給的高壓水，轉(zhuǎn)化成控制產(chǎn)塵源向外擴(kuò)散的汽霧流屏障和局部含塵風(fēng)流凈化除塵系統(tǒng)。

綜采工作面；高壓；噴霧系統(tǒng)；改進(jìn)設(shè)計(jì)

綜采面即為綜合機(jī)械化回采工作面，是指以擁有液壓支架、大功率刮板輸送機(jī)、雙滾筒采煤機(jī)的回采工作面。其工序包括破煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)、采空區(qū)處理、兩端頭的特殊支護(hù)等，大部分為機(jī)械化。在工作過程中，設(shè)備需要降溫，粉塵需要合理降除。但是原有的噴霧降塵主要利用采煤機(jī)所攜帶的高壓噴霧系統(tǒng)，效果極差。嚴(yán)重影響了煤機(jī)的使用效果及使用壽命，工作環(huán)境嚴(yán)重污染，井下操作工人的身體健康也嚴(yán)重受損。

1 原有噴霧系統(tǒng)存在的問題

原使用的采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)主要分為內(nèi)、外兩個(gè)部分。

內(nèi)噴霧系統(tǒng)經(jīng)過水閥直接供水，其使用低壓1.2 MPa水源，供水形成內(nèi)噴霧。內(nèi)噴霧系統(tǒng)流量?。?00 L/min左右）、壓力低，效果不好。內(nèi)噴霧極易堵塞，當(dāng)噴霧系統(tǒng)壓力低或滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)的外界壓力大于水壓力時(shí)，噴嘴就會被堵塞。

外噴霧系統(tǒng)使用低壓1.5 MPa水源，該水源首先對油箱冷卻器、截割電機(jī)、調(diào)高電機(jī)、牽引電機(jī)產(chǎn)生冷卻作用，然后經(jīng)過搖臂水套，流通采煤機(jī)滾筒上的噴嘴，從而形成外噴霧。許多用戶在采煤工作面割煤200 m以后，外噴霧就因?yàn)槎氯А?/p>

在實(shí)際生產(chǎn)使用中，礦方普遍反映其噴霧效果欠佳。其原因分析，共分兩個(gè)方面：噴霧壓力相對不足以及噴霧水量不足。據(jù)實(shí)際使用情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)，多數(shù)礦井使用各類采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)均出現(xiàn)此類問題。

目前，國內(nèi)外除了部分采用數(shù)值模擬方法和理論對霧化過程進(jìn)行研究外，大多采用實(shí)驗(yàn)手段對其開展研究。

2 噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 噴霧系統(tǒng)的降塵工作原理

煤塵中的顆粒物直徑以0.1 μm為分界點(diǎn)，外噴霧在噴霧降塵工作中，主要有以下兩種情況：

a.當(dāng)粉塵顆粒小于0.1 μm時(shí)：采煤機(jī)滾筒周圍的煤塵濃度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，粉塵在滾筒轉(zhuǎn)動所引起的風(fēng)流作用下向外擴(kuò)散，同時(shí)與空氣分子相碰撞發(fā)生布朗運(yùn)動，而布朗運(yùn)動與顆粒物的直徑有直接聯(lián)系，由于顆粒物小于0.1 μm，布朗運(yùn)動尤其活躍，形成擴(kuò)散捕捉；

b.當(dāng)粉塵顆粒大于0.1 μm時(shí)，采煤機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)流使煤塵向水霧珠運(yùn)動。大于0.1 μm的粉塵顆粒因?yàn)閼T性作用以一定的速度與水珠發(fā)生碰撞，從而附著在水霧上。因?yàn)槠渲亓垦杆僭黾?，且速度急劇下降，從而達(dá)到降塵的效果。

根據(jù)上述分析，噴霧系統(tǒng)既要保持小流量，以免工作面積水過于嚴(yán)重，影響底板和護(hù)幫的安全；又要使噴霧保持一定的速度以及覆蓋面積。因此，噴霧系統(tǒng)的參數(shù)必須首先考慮上述的因素。

因?yàn)閲婌F系統(tǒng)的最主要功能就是降塵，所以噴霧流量、噴霧壓力以及噴嘴的參數(shù)必須首先確定。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 噴霧壓力

國內(nèi)外相關(guān)資料表明，噴霧壓力與降塵效果的關(guān)系呈漸近線的趨勢。隨著壓力的調(diào)高，降塵效率的提升逐漸減緩。噴霧壓力與降塵效果的關(guān)系呈漸近線的趨勢如表1所示。

表1 噴霧壓力與降塵效果的關(guān)系趨勢

隨著壓力的增加，系統(tǒng)中主要元器件的可靠性大大降低，使用壽命也會隨之縮短。而改變元器件的使用材料從技術(shù)難度以及成本角度考慮都很不現(xiàn)實(shí)。綜合經(jīng)濟(jì)以及使用效率兩方面的因素，確定系統(tǒng)的噴霧壓力為16 MPa。

2.2.2 噴霧水量

綜采面的截割物為軟煤，且截割硬度為硬或者中硬，其吸水能力較強(qiáng)，因此選擇60 L/min～70 L/min的水量為宜。

式中:Q為噴霧系統(tǒng)噴霧水量，L/min：；n為噴嘴個(gè)數(shù)，12個(gè)；k為流量系數(shù)，11.92；p為噴霧壓力，16 MPa。

其噴霧系統(tǒng)的能耗功率：N=CpQ=17.8 kW·h.式中：N為噴霧系統(tǒng)的能耗功率，kW·h；C為能耗系數(shù)，0.0272[1]。

3 噴霧系統(tǒng)配套設(shè)備的選擇

該裝置主要有主機(jī)、開停傳感器、增壓泵、自動控制供水箱、自動反沖洗水質(zhì)過濾器、礦用隔爆型真空電磁起動器、二次負(fù)壓降塵器、手動截止閥等組成。

a.噴霧降塵裝置主機(jī)可接收傳感器或監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)提供的本安接點(diǎn)控制信號，根據(jù)本安接點(diǎn)控制信號的狀態(tài)，控制高壓泵和閥門的開啟與關(guān)閉；

b.所配高壓水泵結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、單位水功率高，方便煤礦井下運(yùn)輸，配套高壓泵即可用于高壓噴霧，也可用于工作面注水；如聚加入乳化液可作乳化液泵使用，適應(yīng)性廣，可減少工作面降塵設(shè)備數(shù)量，降低使用成本；

c.供水自動控制水箱適應(yīng)供水壓力高，可保證使用過程中水箱供水水位穩(wěn)定，水滿后自動關(guān)閉進(jìn)水閥，水位下降后自動恢復(fù)補(bǔ)水，無須人工控制；

d.高壓泵安全閥由定值安全閥和可調(diào)安全閥組成，安全可靠；

e.噴霧系統(tǒng)所配備的自動反沖洗過濾器能確保對噴霧水的過濾，防止雜質(zhì)進(jìn)入高壓泵及噴霧系統(tǒng)；

f.增壓裝置實(shí)現(xiàn)高壓噴霧，霧化效果好，降塵效率高，節(jié)省水資源；

g.自動控制水箱內(nèi)部安裝過濾裝置，保證高壓泵和霧化噴嘴的流道暢通；具有高低水位自動保護(hù)功能，從而保證高壓泵的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行；

h.配套電動球閥，通徑大，耐壓高、不易堵塞、穩(wěn)定性好[2]。

4 噴霧系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)及效果分析

裝置的安裝和使用比較簡單、方便。用戶只要根據(jù)現(xiàn)場供水干管、供電系統(tǒng)實(shí)際情況安裝各關(guān)聯(lián)設(shè)備即可。各關(guān)聯(lián)設(shè)備之間的電源，必須嚴(yán)格按照接線圖進(jìn)行連接，并仔細(xì)檢查無誤后送電，該裝置系統(tǒng)就能正常工作。

圖1 綜采面高壓外噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的高壓外噴霧系統(tǒng)利用采煤機(jī)原有的管路，外設(shè)主機(jī)、增壓泵、自動控制供水箱、自動反沖洗水質(zhì)過濾器以及礦用隔爆型真空電磁起動器和二次負(fù)壓降塵器（安裝在采煤機(jī)的搖臂上）。原有的采煤機(jī)泵站不再使用。

利用開停傳感器采集并傳輸采煤作業(yè)信號，實(shí)現(xiàn)噴霧降塵系統(tǒng)的全自動化控制；進(jìn)行及其有效的灑水噴霧降塵；

噴霧時(shí)間及間歇時(shí)間可根據(jù)需求利用遙控器任意設(shè)置；

噴霧裝置主機(jī)微電腦程序可自動識別。噴霧系統(tǒng)工作狀態(tài)有噴霧裝置主機(jī)上的液晶顯示屏適時(shí)在線顯示；實(shí)現(xiàn)噴霧降塵系統(tǒng)的高端科技化；

利用設(shè)置在綜掘（綜采）工作面由高壓泵、供水自動控制水箱組成的高壓泵站，將低壓水轉(zhuǎn)換成高壓水并沿工作面敷設(shè)的高壓膠管輸送到布置在采煤機(jī)上的二次負(fù)壓降塵器和滾筒內(nèi)噴霧裝置，使降塵器的霧流屏障、風(fēng)流凈化、阻塵擴(kuò)散等降塵機(jī)理有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)綜掘機(jī)（采煤機(jī)）高壓強(qiáng)力、閉鎖式內(nèi)外噴霧降塵[3]；

負(fù)壓二次降塵器是適合我國煤礦井下各種類型采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)使用的高效除塵裝置，具有攔截粉塵外逸的汽霧流屏障和含塵氣流凈化系統(tǒng)，裝置體積小，安裝方便、維護(hù)容易，能夠?qū)崿F(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)割煤產(chǎn)塵的有效控制；

供水自動控制水箱適應(yīng)供水壓力高，其配備的液位控制閥可保證在使用過程中水箱供水水位的穩(wěn)定，無須人工控制；

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的整套系統(tǒng)控塵能力強(qiáng)，可達(dá)到無人值守，使用方便、維護(hù)簡單。降塵效率大幅提升，可達(dá)90%左右[4]。

5 結(jié)束語

綜采面高壓外噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定可靠，降塵效率大幅提高，井下設(shè)備的使用壽命也有相應(yīng)提高，同時(shí)，井下工作面的工作環(huán)境也得到了合理的優(yōu)化。

[1]P.A.林德奎斯特,G.阿爾姆格倫,U.庫馬爾,等.瑞典國家計(jì)劃──“采礦技術(shù)2000”[J].國外金屬礦山,1995(2):27-32.

[2]李曉豁.滾筒設(shè)計(jì)參數(shù)與粉塵爆炸率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2006,16(11):14-17.

[3]張博,朱琳.電牽引采煤機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38（4）：90-93.

[4]李剛.大型采煤機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢探討[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011(17):132.

（編輯：劉新光）

Improvement of High Pressurized External Spraying System of Fully Mechanized Coal Mining Face

YANG Jiawei
(Electromechanical Plant,Xishan Coal Electricity Group,Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan 030053)

On the defect analysis of conventional spraying system of fully mechanized mining face,a smart and efficient design was adopted to determine systematic parameters and formulate a working structure for the spraying system.Supporting equipment was selected according to the systematic requirement.The high pressurized external sprayingsystem,consistingofhigh pressure water pumps on the working face and high pressure water pump station with automatic water supply tanks,changes static pressure water(low pressure)into high pressure water and transports it to a negative pressure secondary dedusting device by high pressure water pipes along gateways and working face.The secondary dedusting device changes the high pressure water into air/mist flowas a barrier to control the diffusion of dust source and local wind flowtocontrol dust.

fullymechanized miningface;high pressure;sprayingsystem;improved design

TD714+.41

A

1672-5050（2016）04-041-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.012

2016-06-16

楊家威（1986-），男，山西太原人，碩士，助理工程師，從事礦山機(jī)電修造工作。