武 玲

(山西省晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻礦,山西 大同 037006)

0 引 言

煤礦粉塵的主要來(lái)源是采煤工作面,控制好采煤機(jī)在割煤時(shí)的粉塵濃度,才能夠減少工作面下風(fēng)流及回風(fēng)巷的粉塵總量,為下風(fēng)流及回風(fēng)巷作業(yè)的工作人員提供一個(gè)較好的工作環(huán)境,保障作業(yè)人員身心健康[1]。同忻礦在綜采工作面采取內(nèi)外濕式噴霧降塵措施,配置了負(fù)壓二次降塵系統(tǒng),該系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了噴霧泵故障頻發(fā)、自動(dòng)控制補(bǔ)水系統(tǒng)不可靠、噴咀堵塞嚴(yán)重等問(wèn)題,導(dǎo)致割煤時(shí)粉塵濃度較大,同忻礦針對(duì)以上三項(xiàng)問(wèn)題開展了升級(jí)改造。將降塵器噴霧泵替換應(yīng)用為3SP60-15/4.8型高壓泵,為采煤機(jī)負(fù)壓噴霧降塵提供水源動(dòng)力;通過(guò)對(duì)主控器內(nèi)部電路及水箱內(nèi)水位定位器限位開關(guān)的改進(jìn),實(shí)現(xiàn)高壓噴霧泵的智能化控制;通過(guò)小直徑噴嘴出水口+大孔徑螺旋芯體組合方式,使噴霧扇面能滿足覆蓋采煤機(jī)滾筒全斷面的要求。

1 采煤機(jī)負(fù)壓二次降塵器工作原理

8204工作面標(biāo)高912～940 m,煤層大致呈東西走向,傾向東,傾角平均2°的煤層為近水平煤層。平均走向長(zhǎng)度2 220 m,工作面傾向178.5 m,可采面積279 352.5 m2。老頂由粗砂巖、礫巖、高嶺巖組成,厚度11.94 m,膠結(jié)致密;直接頂由炭泥巖、細(xì)砂巖組成,厚度6.45m,孔隙式膠結(jié),含水性較強(qiáng);直接底和老底由粗砂巖、炭泥巖組成,厚度2.58 m,膠結(jié)致密。工作面最大瓦斯涌出量1.83 m3/min,工作面最大CO2涌出量2.31 m3/min,屬低瓦斯礦井。煤塵爆炸指數(shù)34%～42%,有爆炸性,火焰長(zhǎng)度為100 mm。

同忻礦采煤機(jī)負(fù)壓二次降塵器設(shè)置在工作面順槽,工作時(shí)高壓泵站將低壓水轉(zhuǎn)化成高壓水,高壓水通過(guò)高壓管路輸送到采煤機(jī)兩端頭的負(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)化成控制采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵源向外擴(kuò)散的汽霧流屏障,進(jìn)而產(chǎn)生負(fù)壓場(chǎng),使采煤機(jī)滾筒周圍的粉塵吸進(jìn)降塵裝置內(nèi)完成凈化處理[2]。采煤機(jī)二次負(fù)壓降塵器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵的就地凈化,從而達(dá)到阻止和減少粉塵向外擴(kuò)散的目的。系統(tǒng)主要由高壓水泵、供水自動(dòng)控制水箱、二次負(fù)壓降塵裝置及高壓管路等組成[3],負(fù)壓除塵器高壓供水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)負(fù)壓除塵器高壓供水系統(tǒng)示意圖1.高壓泵站 2.高壓供水管(φ25,從泵站至工作面中間) 3.變節(jié)頭(φ25～φ19) 4.自動(dòng)供水控制水箱 5.水箱內(nèi)置過(guò)濾器 6.高壓水泵

2 負(fù)壓二次降塵系統(tǒng)改造

2.1 降塵器噴霧泵改造

(1) 存在問(wèn)題:要使采煤機(jī)噴霧產(chǎn)生好的效果,必須配套相應(yīng)的噴霧泵?，F(xiàn)有的采煤工作面配套的315型噴霧泵均為一泵一箱,且315型噴霧泵多數(shù)為修舊利廢泵,質(zhì)量不可靠、故障率高。因此,將現(xiàn)有315型噴霧泵作為采煤機(jī)負(fù)壓噴霧降塵水源動(dòng)力不可靠。

(2) 改造措施:經(jīng)過(guò)考察和對(duì)比發(fā)現(xiàn),使用3SP60-15/4.8型高壓泵作為配套噴霧泵比較適合同忻礦采煤機(jī)負(fù)壓降塵技術(shù)要求。該高壓泵壓力P=15 MPa、流量Q=80 L/min,正常生產(chǎn)時(shí),將出口噴霧壓力調(diào)至10～12 MPa,即可保證采煤機(jī)負(fù)壓二次噴霧降塵壓3～5 MPa[4]。

(3) 另外,采煤機(jī)的噴霧系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)是一體的,但水冷和噴霧供水壓力值要求不同。水冷和噴霧供水方式分為兩路:水進(jìn)入機(jī)組總水門后分兩路,一路不減壓而直接供噴霧除塵,另一路減壓后進(jìn)入電機(jī)冷卻器和牽引部冷卻器。由于進(jìn)入冷卻器的水需要減壓,因而會(huì)對(duì)噴霧管路的水壓產(chǎn)生一定影響,特別是電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的耐水壓力較低(不得超過(guò)2.0 MPa),這會(huì)對(duì)降塵器噴霧水壓影響較大,導(dǎo)致達(dá)不到霧化除塵效果。并且從噴霧泵出來(lái)的高壓膠管最小直徑32 mm,經(jīng)常發(fā)生壓扁或堵塞現(xiàn)象。為解決以上問(wèn)題,采取以下措施:①工作面電纜槽內(nèi)鋪設(shè)兩趟高壓膠管,直徑分別為25 mm、19 mm,其中直徑25管路用于電機(jī)冷卻和牽引部冷卻,直徑19管路用于負(fù)壓二次降塵器噴霧系統(tǒng),如圖2所示;②用于負(fù)壓二次降塵器噴霧供水高壓的管路需專管專用,不與采煤機(jī)內(nèi)用于冷卻的供水管路發(fā)生串通,使負(fù)壓二次降塵器噴霧供水高壓管路壓力恒定保持在10～12 MPa。

圖2 負(fù)壓二次降塵器噴霧系統(tǒng)管路圖1.負(fù)壓二次降塵泵及控制系統(tǒng) 2.19 mm高壓主供水管路 3.手動(dòng)截止閥 4.變徑三通 5.采煤機(jī)

(4) 改造效果:負(fù)壓噴霧降塵水源動(dòng)力可靠運(yùn)行,高壓管路實(shí)現(xiàn)專管專用,達(dá)到壓力穩(wěn)定的目的,實(shí)際應(yīng)用效果如圖3所示。

圖3 迎風(fēng)側(cè)噴霧效果現(xiàn)場(chǎng)圖

(5) 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn):①3SP60-15/4.8高壓泵(以下簡(jiǎn)稱高壓泵)的溢流管須用液壓件,一般廠家出廠配套的溢流管均為水暖鑄鐵件,不能承受溢流高壓,易形成安全隱患;②高壓泵的溢流管出廠配套10 mm高壓管,但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中由于用水截止閥的關(guān)閉,導(dǎo)致了泵頭的瞬時(shí)高壓,宜更換為19 mm高壓管更為安全;③需將溢流壓力調(diào)至10～12 MPa,不可調(diào)為15 MPa;由于井下條件惡劣,在極限工作壓力15 MPa下,高壓泵缸套組件中的水封、銅套、柱塞磨損很快,大約2～3周就會(huì)出現(xiàn)故障;④負(fù)壓二次降塵系統(tǒng)配套的高壓泵及水箱穩(wěn)裝在平板車上,如圖4所示,且放在設(shè)備列車靠近工作面的序列,而設(shè)備列車長(zhǎng)度達(dá)150 m,因此在序列中的位置差異會(huì)對(duì)噴霧降塵產(chǎn)生的效果差別很大;⑤采煤機(jī)負(fù)壓二次降塵器水箱的設(shè)計(jì)容量2 m3,須用51 mm高壓管與噴霧泵水箱形成聯(lián)通器,以保證噴霧用水量。

圖4 平板車示意圖(俯視)

2.2 自動(dòng)控制補(bǔ)水系統(tǒng)改造

(1) 存在問(wèn)題:負(fù)壓二次噴霧系統(tǒng)出廠配置了高壓噴霧泵智能補(bǔ)水系統(tǒng),該系統(tǒng)由主控器、PLC控制系統(tǒng)和附屬部件組成,它可以通過(guò)安裝在水箱中的水位定位器來(lái)控制自動(dòng)補(bǔ)水。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)水的智能化控制,但是出于保護(hù)水泵考慮[5],當(dāng)高壓水箱處于低水位需要自動(dòng)補(bǔ)水的同時(shí),高壓水泵開關(guān)會(huì)立即關(guān)閉、水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn),因此存在補(bǔ)水期間噴霧泵停止運(yùn)行、噴霧器停止噴霧的缺陷,從而引發(fā)工作面的粉塵含量急驟增加。并且噴霧泵停止運(yùn)行之后的開泵工藝較為復(fù)雜,需要人工先開啟主控器,然后才能運(yùn)行水泵,極為不便,失去了智能控制補(bǔ)水的實(shí)際意義[6]。

(2) 改造措施:經(jīng)過(guò)對(duì)主控器內(nèi)部電路的改進(jìn)及對(duì)水箱內(nèi)水位定位器限位開關(guān)的改進(jìn),如圖5所示,實(shí)現(xiàn)了在低水位時(shí),補(bǔ)水自動(dòng)開啟后不會(huì)影響噴霧泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。只有當(dāng)?shù)V井進(jìn)水主管路因意外停水而導(dǎo)致水位滑塊繼續(xù)下滑至防干燒控制開關(guān)管時(shí),水泵開關(guān)才會(huì)關(guān)閉,水泵才會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)?shù)V井進(jìn)水主管路恢復(fù)供水后,水位滑塊上滑,靠近低水位開關(guān),補(bǔ)水開始,水泵開關(guān)正常開啟;當(dāng)水位上漲至上水位開關(guān)位置時(shí),主控器給電動(dòng)球閥門發(fā)送關(guān)閉信號(hào),上水停止[7]。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的高壓噴霧泵智能上水系統(tǒng)在礦井正常供水期間,可實(shí)現(xiàn)一次開啟,持續(xù)噴霧,不需要工作人員人工開停水泵,真正實(shí)現(xiàn)了高壓噴霧泵的智能化控制功能。

圖5 自動(dòng)控制上水系統(tǒng)的改造圖

(3) 智能控制上水系統(tǒng)改造效果:①甩開原設(shè)計(jì)聯(lián)鎖功能,新增了一組聯(lián)鎖控制系統(tǒng),可與水泵開關(guān)實(shí)現(xiàn)防干燒聯(lián)鎖,避免管路因突發(fā)意外缺水而導(dǎo)致水泵干燒的問(wèn)題;②水位定位器內(nèi)部增加了一組水位定位開關(guān),防止了低水位時(shí)補(bǔ)水與停泵同時(shí)動(dòng)作而導(dǎo)致工作人員頻繁人工開泵的弊端;③在水位定位器外部增加了一組滑動(dòng)定位塊,可保證水位控制的準(zhǔn)確性。

2.3 負(fù)壓二次降塵器噴咀改造

(1) 鑒于降塵器噴咀噴霧效果不好、噴霧距離近等問(wèn)題,同忻礦設(shè)計(jì)了不銹鋼噴霧噴嘴,并進(jìn)行了大量的適用性改進(jìn)試驗(yàn):①噴嘴出水口由原來(lái)的1 mm增擴(kuò)成了2 mm和3 mm兩種規(guī)格,經(jīng)噴霧試驗(yàn),噴霧距離有所增加,但還達(dá)不到預(yù)期噴霧距離;②噴嘴內(nèi)部的螺旋芯體分別添加了2 mm和3 mm的中心通孔,噴霧距離明顯提高,噴霧扇面顯著改善;③實(shí)際試用中,采用噴嘴出水口直徑2 mm、3 mm+螺旋芯體通孔2 mm、3 mm四種組合方式試驗(yàn)[8-10]。

(2) 試驗(yàn)效果表明:①噴嘴出水口直徑3 mm時(shí),配置通孔2 mm、3 mm的螺旋芯體后,雖然噴霧距離較遠(yuǎn),但由于工作面水壓原因,噴霧扇面穩(wěn)定性較差,對(duì)滾筒全斷面覆蓋效果不穩(wěn)定;②噴嘴出水口直徑2 mm時(shí),配置通孔2 mm、3 mm的螺旋芯體后,噴霧距離均能夠滿足要求,但配置3 mm的螺旋芯體的噴霧扇面更大、穩(wěn)定性更佳。由此確定采用了小直徑噴嘴出水口+大孔徑螺旋芯體的組合方式,即出水口直徑2 mm的噴嘴+中心通孔3 mm的螺旋芯體噴咀,如圖6所示。

圖6 二次降塵器噴咀改造示意圖

(3) 噴咀改造效果:噴霧距離和噴霧扇面均能夠滿足覆蓋采煤機(jī)滾筒全斷面的要求。

3 結(jié) 論

采煤機(jī)負(fù)壓二次降塵系統(tǒng)技術(shù)改造解決了采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)水源動(dòng)力不足、智能化自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)可靠性差、噴霧覆蓋面積不足等難題,顯著提高了設(shè)備的降塵率,極大地改善了工作面作業(yè)環(huán)境,避免了粉塵對(duì)作業(yè)人員的職業(yè)健康傷害。所得結(jié)論如下。

(1) 利用3SP60-15/4.8型高壓泵替代315型高壓泵,解決了噴霧泵質(zhì)量不可靠、故障率高的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)負(fù)壓噴霧降塵水源動(dòng)力的可靠運(yùn)行。

(2) 通過(guò)自動(dòng)控制補(bǔ)水系統(tǒng)的改造,實(shí)現(xiàn)了水位準(zhǔn)確控制,并解決了補(bǔ)水期間噴霧泵停止運(yùn)行的缺陷,達(dá)到負(fù)壓二次降塵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的使用目的。

(3) 開展降塵器噴咀試驗(yàn),明確了最佳噴咀組合方式為出水口直徑2 mm的噴嘴+中心通孔3 mm的螺旋芯體,實(shí)現(xiàn)了最佳噴霧效果。