綜采面高壓外噴霧系統的改進設計

楊家威

（山西焦煤 西山煤電集團公司機電廠，太原 030053）

綜采面高壓外噴霧系統的改進設計

楊家威

（山西焦煤 西山煤電集團公司機電廠，太原 030053）

通過對綜采面常規噴霧系統的缺陷分析，采用智能高效的噴霧系統參數設計方法，確定系統參數，制定噴霧系統工作結構圖，并根據系統需求選定配套設備。綜采面高壓外噴霧降塵系統，利用設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)轉化為高壓水并通過沿順槽至工作面鋪設的高壓管路輸送到布置在采煤機上的負壓二次除塵裝置；負壓二次除塵裝置將供給的高壓水，轉化成控制產塵源向外擴散的汽霧流屏障和局部含塵風流凈化除塵系統。

綜采工作面；高壓；噴霧系統；改進設計

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

1 原有噴霧系統存在的問題

原使用的采煤機噴霧系統主要分為內、外兩個部分。

內噴霧系統經過水閥直接供水，其使用低壓1.2 MPa水源，供水形成內噴霧。內噴霧系統流量小（100 L/min左右）、壓力低，效果不好。內噴霧極易堵塞，當噴霧系統壓力低或滾筒旋轉時的外界壓力大于水壓力時，噴嘴就會被堵塞。

外噴霧系統使用低壓1.5 MPa水源，該水源首先對油箱冷卻器、截割電機、調高電機、牽引電機產生冷卻作用，然后經過搖臂水套，流通采煤機滾筒上的噴嘴，從而形成外噴霧。許多用戶在采煤工作面割煤200 m以后，外噴霧就因為堵塞而失效。

在實際生產使用中，礦方普遍反映其噴霧效果欠佳。其原因分析，共分兩個方面：噴霧壓力相對不足以及噴霧水量不足。據實際使用情況調查統計，多數礦井使用各類采煤機噴霧系統均出現此類問題。

目前，國內外除了部分采用數值模擬方法和理論對霧化過程進行研究外，大多采用實驗手段對其開展研究。

2 噴霧系統設計方案

2.1 噴霧系統的降塵工作原理

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

a.當粉塵顆粒小于0.1 μm時：采煤機滾筒周圍的煤塵濃度呈現緩慢下降趨勢，粉塵在滾筒轉動所引起的風流作用下向外擴散，同時與空氣分子相碰撞發生布朗運動，而布朗運動與顆粒物的直徑有直接聯系，由于顆粒物小于0.1 μm，布朗運動尤其活躍，形成擴散捕捉；

b.當粉塵顆粒大于0.1 μm時，采煤機滾筒旋轉產生的風流使煤塵向水霧珠運動。大于0.1 μm的粉塵顆粒因為慣性作用以一定的速度與水珠發生碰撞，從而附著在水霧上。因為其重量迅速增加，且速度急劇下降，從而達到降塵的效果。

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

因為噴霧系統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必須首先確定。

2.2 系統參數設計

2.2.1 噴霧壓力

國內外相關資料表明，噴霧壓力與降塵效果的關系呈漸近線的趨勢。隨著壓力的調高，降塵效率的提升逐漸減緩。噴霧壓力與降塵效果的關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系趨勢

隨著壓力的增加，系統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難度以及成本角度考慮都很不現實。綜合經濟以及使用效率兩方面的因素，確定系統的噴霧壓力為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，因此選擇60 L/min～70 L/min的水量為宜。

式中:Q為噴霧系統噴霧水量，L/min：；n為噴嘴個數，12個；k為流量系數，11.92；p為噴霧壓力，16 MPa。

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

3 噴霧系統配套設備的選擇

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

a.噴霧降塵裝置主機可接收傳感器或監測監控系統提供的本安接點控制信號，根據本安接點控制信號的狀態，控制高壓泵和閥門的開啟與關閉；

b.所配高壓水泵結構緊湊、體積小、單位水功率高，方便煤礦井下運輸，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，適應性廣，可減少工作面降塵設備數量，降低使用成本；

c.供水自動控制水箱適應供水壓力高，可保證使用過程中水箱供水水位穩定，水滿后自動關閉進水閥，水位下降后自動恢復補水，無須人工控制；

d.高壓泵安全閥由定值安全閥和可調安全閥組成，安全可靠；

e.噴霧系統所配備的自動反沖洗過濾器能確保對噴霧水的過濾，防止雜質進入高壓泵及噴霧系統；

f.增壓裝置實現高壓噴霧，霧化效果好，降塵效率高，節省水資源；

g.自動控制水箱內部安裝過濾裝置，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功能，從而保證高壓泵的穩定運行，進而保證系統的長期穩定運行；

h.配套電動球閥，通徑大，耐壓高、不易堵塞、穩定性好[2]。

4 噴霧系統工作原理結構及效果分析

裝置的安裝和使用比較簡單、方便。用戶只要根據現場供水干管、供電系統實際情況安裝各關聯設備即可。各關聯設備之間的電源，必須嚴格按照接線圖進行連接，并仔細檢查無誤后送電，該裝置系統就能正常工作。

圖1 綜采面高壓外噴霧系統結構圖

改進設計后的高壓外噴霧系統利用采煤機原有的管路，外設主機、增壓泵、自動控制供水箱、自動反沖洗水質過濾器以及礦用隔爆型真空電磁起動器和二次負壓降塵器（安裝在采煤機的搖臂上）。原有的采煤機泵站不再使用。

利用開停傳感器采集并傳輸采煤作業信號，實現噴霧降塵系統的全自動化控制；進行及其有效的灑水噴霧降塵；

噴霧時間及間歇時間可根據需求利用遙控器任意設置；

噴霧裝置主機微電腦程序可自動識別。噴霧系統工作狀態有噴霧裝置主機上的液晶顯示屏適時在線顯示；實現噴霧降塵系統的高端科技化；

利用設置在綜掘（綜采）工作面由高壓泵、供水自動控制水箱組成的高壓泵站，將低壓水轉換成高壓水并沿工作面敷設的高壓膠管輸送到布置在采煤機上的二次負壓降塵器和滾筒內噴霧裝置，使降塵器的霧流屏障、風流凈化、阻塵擴散等降塵機理有機結合，實現綜掘機（采煤機）高壓強力、閉鎖式內外噴霧降塵[3]；

負壓二次降塵器是適合我國煤礦井下各種類型采煤機、掘進機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，裝置體積小，安裝方便、維護容易，能夠實現對掘進機割煤產塵的有效控制；

供水自動控制水箱適應供水壓力高，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定，無須人工控制；

改進設計后的整套系統控塵能力強，可達到無人值守，使用方便、維護簡單。降塵效率大幅提升，可達90%左右[4]。

5 結束語

綜采面高壓外噴霧系統的設計，性能穩定可靠，降塵效率大幅提高，井下設備的使用壽命也有相應提高，同時，井下工作面的工作環境也得到了合理的優化。

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

[2]李曉豁.滾筒設計參數與粉塵爆炸率關系的數學模型[J].中國安全科學學報,2006,16(11):14-17.

[3]張博,朱琳.電牽引采煤機實時監測與故障診斷系統設計[J].煤炭科學技術,2010,38（4）：90-93.

[4]李剛.大型采煤機研發現狀和發展趨勢探討[J].中國新技術新產品,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，從事礦山機電修造工作。