礦用全斷面掘進機冷卻噴霧系統的設計分析

張 磊

（山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業有限公司， 山西 晉城 048100）

引言

目前，煤礦井下掘進巷道的掘進方式逐漸多樣化，但大多還是利用連采機、掘錨機和懸臂式掘進機等分斷面的方式進行掘進，不僅無法滿足現在的發展要求，而且還制約了煤礦生產的發展。以中煤科工集團上海有限公司研制的煤巷全斷面掘進機為例，一次性制作斷面為矩形（5.8 m×3.8 m），月進尺3 000 m，利用步進式掘進能夠大幅度地提升施工制作效率。掘進機在運作時，傳動系統和液壓系統會產生高熱，與此同時還會出現大量煤塵，這些問題需要經過冷卻和噴霧降塵系統進行處理。

1 系統構成及工作原理

1.1 系統構成

由1 個大刀盤、4 個小刀盤共5 個刀盤組成的全斷面掘進機截割功率1 600 kW。全斷面掘進機的降塵系統和冷卻系統主要是對掘進機大刀盤、前殼體還有6 臺錨桿機進行內外噴霧冷卻降塵，并對8件減速箱、1 件傳動箱潤滑油冷卻器、8 件減速箱、8臺水冷電機進行冷卻[1-2]。

由過濾器（反沖洗功能）、節流閥、安全閥、水泵、電動球閥、噴嘴及壓力流量傳感器共同組成了冷卻、噴霧系統。

1.2 系統工作原理

圖1 所體現的是冷卻噴霧系統運作流程和工作原理，掘進機吸水泵3.1 通過過濾器由煤礦提供低壓水反沖洗過濾后，總進水水壓由調節安全閥4.1控制機器完成并通過節流閥5.1 和節流閥5.2 對兩路進水量進行調節，其中一路流經節流閥5.1 對大刀盤中的4 套電機減速器、1 號油箱冷卻器6.2 和傳動箱潤滑油的6.3 冷卻器進行冷卻，另一路流經5.2節流閥被分流至5.3 節流閥和5.4 節流閥分別對2套小刀盤電機減速器進行冷卻。5.1 節流閥和5.2 節流閥分流出來的5.3 節流閥、5.4 節流閥形成的三路水流匯合，一路水流用于錨桿機冷卻除塵，一路水流途經11.1 電動球閥從內噴霧噴頭噴出，最后一路供水給3.2 高壓水泵進行增壓，外噴霧供水水壓由4.2安全閥設置調節進行并經過11.2 電動球閥從外噴霧噴頭噴出。

圖1 冷卻噴霧系統原理圖

礦井供水檢測使用2.1 壓力傳感器，水泵3.1 的出水壓力使用2.2 壓力傳感器，內噴霧水壓力使用2.3 壓力傳感器，加壓泵3.2 的水壓使用2.4 壓力傳感器，加壓泵供水壓力使用2.5 壓力傳感器。3 條水路的流量情況分別使用3 個流量傳感器進行監視。內噴霧的流量大小使用5.3 節流閥用來調節[3-4]。

2 壓力流量分析

根據現行國家煤礦安全規定要求，掘進機內噴霧壓力要超過2 MPa、外噴霧壓力要超過4 MPa，所以4.1 安全閥應該調節為2.7 MPa、4.2 安全閥需要調節為4.2 MPa。

全斷面掘進機需要依照工作16 h/d、掘進6.2 m/h、斷面尺寸5.8 m×3.8 m、月進尺3 000 m。

2.1 單位時間的出煤量

式中：V 代表單位時間內的煤體積，取137.7 m3/h；ρ為煤的密度，取1.35×103kg/m3。

將數值代入公式得：單位時間的出煤量G 為186 t/h。

2.2 噴霧、冷卻流量Q1 的計算

式中：q 為噸煤噴霧水量，取0.03 m3/t。

將數值代入公式得：Q1=105 L/min。

2.3 系統總進水量Q 的計算

式中：Q2為噴霧降塵所需流量，取30 L/min。

將數值代入公式得：Q=135 L/min。

3 內外噴嘴布置

圖2 所示為矩形掘進機在井下布置情形。利用流量系數較大且阻力系數小的噴嘴可以讓噴霧效果更好更安全的運作[5]。

圖2 掘進機位置示意圖

圖3 為內外噴霧布置示意圖，在3 個大刀盤上裝置4 個2 MPa 水壓下每個噴嘴流量為3.5 L/min 的12 個V 形噴嘴，形成的噴霧在大刀盤軌跡范圍內。

為了有效清除掘進機作業工程中產生的塵土，我們采用噴霧模式清理。在前殼體上布置16 個V形噴嘴的外噴霧裝置，在4 MPa 下每個噴嘴流量為4.2 L/min。在前殼體左、右兩邊各布置6 個噴嘴，上下方各布置2 個噴嘴，下方布置的噴嘴位于刮板輸送機兩側，對清理刮板輸送機產生的灰塵較為及時有效。

圖3 內外噴霧布置圖

4 結語

通過工業性實驗證明，作為煤炭行業新興挖掘機械的全斷面矩形掘進機冷卻噴霧系統裝置在很大程度上滿足了機器流量和壓力對故障率低、降塵效果良好、噴霧區域大等要求，將其運用在采掘機械領域之中，可顯著提升采掘效率，推進采掘機械的設計和發展。