矿用全断面掘进机冷却喷雾系统的设计分析

张 磊

（山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司， 山西 晋城 048100）

引言

目前，煤矿井下掘进巷道的掘进方式逐渐多样化，但大多还是利用连采机、掘锚机和悬臂式掘进机等分断面的方式进行掘进，不仅无法满足现在的发展要求，而且还制约了煤矿生产的发展。以中煤科工集团上海有限公司研制的煤巷全断面掘进机为例，一次性制作断面为矩形（5.8 m×3.8 m），月进尺3 000 m，利用步进式掘进能够大幅度地提升施工制作效率。掘进机在运作时，传动系统和液压系统会产生高热，与此同时还会出现大量煤尘，这些问题需要经过冷却和喷雾降尘系统进行处理。

1 系统构成及工作原理

1.1 系统构成

由1 个大刀盘、4 个小刀盘共5 个刀盘组成的全断面掘进机截割功率1 600 kW。全断面掘进机的降尘系统和冷却系统主要是对掘进机大刀盘、前壳体还有6 台锚杆机进行内外喷雾冷却降尘，并对8件减速箱、1 件传动箱润滑油冷却器、8 件减速箱、8台水冷电机进行冷却[1-2]。

由过滤器（反冲洗功能）、节流阀、安全阀、水泵、电动球阀、喷嘴及压力流量传感器共同组成了冷却、喷雾系统。

1.2 系统工作原理

图1 所体现的是冷却喷雾系统运作流程和工作原理，掘进机吸水泵3.1 通过过滤器由煤矿提供低压水反冲洗过滤后，总进水水压由调节安全阀4.1控制机器完成并通过节流阀5.1 和节流阀5.2 对两路进水量进行调节，其中一路流经节流阀5.1 对大刀盘中的4 套电机减速器、1 号油箱冷却器6.2 和传动箱润滑油的6.3 冷却器进行冷却，另一路流经5.2节流阀被分流至5.3 节流阀和5.4 节流阀分别对2套小刀盘电机减速器进行冷却。5.1 节流阀和5.2 节流阀分流出来的5.3 节流阀、5.4 节流阀形成的三路水流汇合，一路水流用于锚杆机冷却除尘，一路水流途经11.1 电动球阀从内喷雾喷头喷出，最后一路供水给3.2 高压水泵进行增压，外喷雾供水水压由4.2安全阀设置调节进行并经过11.2 电动球阀从外喷雾喷头喷出。

图1 冷却喷雾系统原理图

矿井供水检测使用2.1 压力传感器，水泵3.1 的出水压力使用2.2 压力传感器，内喷雾水压力使用2.3 压力传感器，加压泵3.2 的水压使用2.4 压力传感器，加压泵供水压力使用2.5 压力传感器。3 条水路的流量情况分别使用3 个流量传感器进行监视。内喷雾的流量大小使用5.3 节流阀用来调节[3-4]。

2 压力流量分析

根据现行国家煤矿安全规定要求，掘进机内喷雾压力要超过2 MPa、外喷雾压力要超过4 MPa，所以4.1 安全阀应该调节为2.7 MPa、4.2 安全阀需要调节为4.2 MPa。

全断面掘进机需要依照工作16 h/d、掘进6.2 m/h、断面尺寸5.8 m×3.8 m、月进尺3 000 m。

2.1 单位时间的出煤量

式中：V 代表单位时间内的煤体积，取137.7 m3/h；ρ为煤的密度，取1.35×103kg/m3。

将数值代入公式得：单位时间的出煤量G 为186 t/h。

2.2 喷雾、冷却流量Q1 的计算

式中：q 为吨煤喷雾水量，取0.03 m3/t。

将数值代入公式得：Q1=105 L/min。

2.3 系统总进水量Q 的计算

式中：Q2为喷雾降尘所需流量，取30 L/min。

将数值代入公式得：Q=135 L/min。

3 内外喷嘴布置

图2 所示为矩形掘进机在井下布置情形。利用流量系数较大且阻力系数小的喷嘴可以让喷雾效果更好更安全的运作[5]。

图2 掘进机位置示意图

图3 为内外喷雾布置示意图，在3 个大刀盘上装置4 个2 MPa 水压下每个喷嘴流量为3.5 L/min 的12 个V 形喷嘴，形成的喷雾在大刀盘轨迹范围内。

为了有效清除掘进机作业工程中产生的尘土，我们采用喷雾模式清理。在前壳体上布置16 个V形喷嘴的外喷雾装置，在4 MPa 下每个喷嘴流量为4.2 L/min。在前壳体左、右两边各布置6 个喷嘴，上下方各布置2 个喷嘴，下方布置的喷嘴位于刮板输送机两侧，对清理刮板输送机产生的灰尘较为及时有效。

图3 内外喷雾布置图

4 结语

通过工业性实验证明，作为煤炭行业新兴挖掘机械的全断面矩形掘进机冷却喷雾系统装置在很大程度上满足了机器流量和压力对故障率低、降尘效果良好、喷雾区域大等要求，将其运用在采掘机械领域之中，可显著提升采掘效率，推进采掘机械的设计和发展。