全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)冷卻噴霧系統(tǒng)分析

張華強(qiáng)

（大同煤礦集團(tuán)華盛萬杰煤業(yè)有限公司， 山西 運(yùn)城 043300）

引言

當(dāng)前在煤礦下采煤機(jī)設(shè)施主要是有懸臂式掘進(jìn)機(jī)以及掘錨機(jī)兩種，由于該設(shè)備選用分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)方式，因此不能滿足矩形巷道，因此嚴(yán)重影響掘進(jìn)工程的效率。當(dāng)前新開發(fā)出來的全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)其一次性挖掘形成的矩形巷道規(guī)格為5.8 m×3.8 m，其在一月的掘進(jìn)尺度可以為3 000 m 以上，從而有效提高礦井矩形巷道。由于全斷面矩形掘機(jī)在工作時可以產(chǎn)生大量的粉塵，與此同時在動力系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的熱量，進(jìn)而可以使用噴霧與冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降塵與冷卻。為此在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，對全斷面矩形掘進(jìn)冷卻與噴霧裝置進(jìn)行探究，進(jìn)而可以提升掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性。

1 全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成

通常全斷面掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭共計分為五個刀頭，其掘進(jìn)總功率可以達(dá)到1 600 kW，圖1 表示對應(yīng)的實(shí)物圖。

圖1 全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)示意圖

該冷卻系統(tǒng)共計包括8 臺水冷電機(jī)、2 個液壓油箱、8 臺減速箱、1 個傳動箱液壓油冷卻器四個單元，這些設(shè)備都采用水冷方式。而相應(yīng)的噴霧降塵系統(tǒng)包括內(nèi)置噴霧系統(tǒng)、外噴霧系統(tǒng)、6 臺錨桿機(jī)上的冷卻噴霧除塵系統(tǒng)[1-2]。

2 冷卻、除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該冷卻與噴霧系統(tǒng)包括水泵、節(jié)流閥、噴嘴、沖洗過濾器、安全閥、電動球閥等幾個單元，如圖2所示。

圖2 冷卻、噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

對于井下冷卻與噴霧水需要進(jìn)行反復(fù)的沖洗過濾，接著將其送入全斷面矩形掘進(jìn)吸水泵（3.1）中，隨即將水經(jīng)過安全閥（4.1）流入水流壓力設(shè)備中，從而可以解決缺氧的問題，與此同時在使用節(jié)流閥（5.1，5.2）對水流進(jìn)行調(diào)整。接著經(jīng)過節(jié)流閥（5.1）水路冷卻液壓油箱冷卻（6.2）以及對應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)減速器及傳動箱冷卻器（6.3）。在借助節(jié)流閥（5.2）水路，同時需要借助另外兩個節(jié)流閥（5.3，5.4）實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)側(cè)邊2 套掘進(jìn)小刀進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)減速將溫。假如三個水路匯集之后，同時又分為三路，其中一路流經(jīng)電動球閥（11.1），進(jìn)而可以從噴霧噴頭位置噴出。一路通過高壓水泵（3.2），以及安全閥（4.2），進(jìn)而可以為外置式噴霧系統(tǒng)提供充足的水，與此同時可以流經(jīng)電動球閥（11.2）之后，從外噴霧噴頭噴出。最后一路可以給錨桿機(jī)提供需要的冷卻水。表1 表示相應(yīng)的壓力傳感器、流量傳感器及節(jié)流閥的作用。

表1 幾種傳感器的主要作用情況表

3 供水流量、壓力確定

通過分析《煤礦安全規(guī)程》發(fā)現(xiàn)，對掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧系統(tǒng)的壓力值進(jìn)行了明確的要求，而內(nèi)噴射系統(tǒng)壓力不能小于2 MPa，對應(yīng)外噴射系統(tǒng)在噴霧時的壓力應(yīng)大于4 MPa。與此同時，將安全閥（4.1）壓力保持在2.7 MPa，而把安全閥（4.2）的工作壓力數(shù)值設(shè)置為4.2 MPa，從而可以給供水系統(tǒng)提供有效的壓力[3-5]。

由于設(shè)計的全斷面掘進(jìn)機(jī)，其月掘進(jìn)尺度可以達(dá)到3 km，通常情況下每天工作16 h，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)尺度可以達(dá)到6.2 m/h。

其進(jìn)水量Q 可以使用如下公式進(jìn)行計算：

式中：Q 表示相應(yīng)的錨桿機(jī)噴霧降塵需水量；由于在全斷面掘進(jìn)機(jī)設(shè)置有2 臺錨桿機(jī)，每臺噴水量可以達(dá)到15 L/min，則2 臺總噴水量Q1=30 L/min；相應(yīng)的內(nèi)外噴霧系統(tǒng)需要的水流量Q2，由式（2）計算。

式中：G 表示相應(yīng)的掘進(jìn)機(jī)單位時間掘進(jìn)煤量，由公式（3）計算得到；q 表示相應(yīng)的噸煤噴霧降塵需水量取0.03 m3/t。

式中：V 表示相應(yīng)的掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)量，經(jīng)過查閱文獻(xiàn)其取值為6.2 m/h；ρ 表示相應(yīng)的煤密度，經(jīng)過查閱文獻(xiàn)將其取值為1 350 kg/m3；S 表示相應(yīng)的巷道斷面，其中寬為5 m，高為3.8 m，則S=19 m2。

代入數(shù)據(jù)計算得G=186 t/h，Q2=93 L/mim。

4 噴霧系統(tǒng)噴嘴布置

通過分析矩形全斷面掘進(jìn)機(jī)的分布情況，對于噴霧降塵噴嘴而言，可以選用流量系數(shù)大以及阻值系數(shù)比較小的噴嘴，如圖3 所示。其中大刀盤設(shè)置有12 個V 形噴嘴，而相應(yīng)的噴嘴水壓為2 MPa，相應(yīng)的噴嘴流量可以達(dá)到3.5 L/min，從而可以保證噴霧降塵水量滿足工程的需要。噴嘴在刀板上面共計設(shè)置有4 個，刀板數(shù)量為3 個刀板。

圖3 掘進(jìn)機(jī)大刀盤上內(nèi)噴嘴布置示意圖

噴嘴在每個刀板上布置4 個，共有3 個刀板。從而可以有效地提高降塵效果。

對于外噴霧系統(tǒng)而言，將噴頭設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)前殼體上，共計設(shè)置16 個V 型噴嘴，同時在上下兩側(cè)共計設(shè)置兩個噴嘴，其中將掘進(jìn)機(jī)下面的噴射嘴設(shè)置在煤炭運(yùn)輸刮板機(jī)兩側(cè)，從而可以有效地降低粉塵量[4-6]。

5 結(jié)語

經(jīng)過六個月的調(diào)試及工程實(shí)踐，證明該系統(tǒng)可以有效地解決超溫報警的問題，同時掘進(jìn)機(jī)內(nèi)設(shè)置的驅(qū)動機(jī)、減速器以及液壓油等溫度降低到45 ℃左右，在大量的測試情況下發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)超過50 ℃的狀況，同時工作面位置的粉塵質(zhì)量濃度保持在2.6～2.8 mg/m3的范圍內(nèi)。經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)備的冷卻需要，同時依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》可以看出，降塵效果也滿足標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效地為工作人員營造良好的工作環(huán)境。