全断面矩形掘进机冷却喷雾系统分析

张华强

（大同煤矿集团华盛万杰煤业有限公司， 山西 运城 043300）

引言

当前在煤矿下采煤机设施主要是有悬臂式掘进机以及掘锚机两种，由于该设备选用分断面掘进方式，因此不能满足矩形巷道，因此严重影响掘进工程的效率。当前新开发出来的全断面矩形掘进机其一次性挖掘形成的矩形巷道规格为5.8 m×3.8 m，其在一月的掘进尺度可以为3 000 m 以上，从而有效提高矿井矩形巷道。由于全断面矩形掘机在工作时可以产生大量的粉尘，与此同时在动力系统中产生大量的热量，进而可以使用喷雾与冷却系统实现降尘与冷却。为此在现有基础上，对全断面矩形掘进冷却与喷雾装置进行探究，进而可以提升掘进机的稳定性。

1 全断面矩形掘进机掘进系统构成

通常全断面掘进机机头共计分为五个刀头，其掘进总功率可以达到1 600 kW，图1 表示对应的实物图。

图1 全断面矩形掘进机示意图

该冷却系统共计包括8 台水冷电机、2 个液压油箱、8 台减速箱、1 个传动箱液压油冷却器四个单元，这些设备都采用水冷方式。而相应的喷雾降尘系统包括内置喷雾系统、外喷雾系统、6 台锚杆机上的冷却喷雾除尘系统[1-2]。

2 冷却、除尘系统结构设计

该冷却与喷雾系统包括水泵、节流阀、喷嘴、冲洗过滤器、安全阀、电动球阀等几个单元，如图2所示。

图2 冷却、喷雾系统结构示意图

对于井下冷却与喷雾水需要进行反复的冲洗过滤，接着将其送入全断面矩形掘进吸水泵（3.1）中，随即将水经过安全阀（4.1）流入水流压力设备中，从而可以解决缺氧的问题，与此同时在使用节流阀（5.1，5.2）对水流进行调整。接着经过节流阀（5.1）水路冷却液压油箱冷却（6.2）以及对应的驱动电机减速器及传动箱冷却器（6.3）。在借助节流阀（5.2）水路，同时需要借助另外两个节流阀（5.3，5.4）实现对掘进机侧边2 套掘进小刀进行驱动电机减速将温。假如三个水路汇集之后，同时又分为三路，其中一路流经电动球阀（11.1），进而可以从喷雾喷头位置喷出。一路通过高压水泵（3.2），以及安全阀（4.2），进而可以为外置式喷雾系统提供充足的水，与此同时可以流经电动球阀（11.2）之后，从外喷雾喷头喷出。最后一路可以给锚杆机提供需要的冷却水。表1 表示相应的压力传感器、流量传感器及节流阀的作用。

表1 几种传感器的主要作用情况表

3 供水流量、压力确定

通过分析《煤矿安全规程》发现，对掘进机内外喷雾系统的压力值进行了明确的要求，而内喷射系统压力不能小于2 MPa，对应外喷射系统在喷雾时的压力应大于4 MPa。与此同时，将安全阀（4.1）压力保持在2.7 MPa，而把安全阀（4.2）的工作压力数值设置为4.2 MPa，从而可以给供水系统提供有效的压力[3-5]。

由于设计的全断面掘进机，其月掘进尺度可以达到3 km，通常情况下每天工作16 h，掘进机掘进尺度可以达到6.2 m/h。

其进水量Q 可以使用如下公式进行计算：

式中：Q 表示相应的锚杆机喷雾降尘需水量；由于在全断面掘进机设置有2 台锚杆机，每台喷水量可以达到15 L/min，则2 台总喷水量Q1=30 L/min；相应的内外喷雾系统需要的水流量Q2，由式（2）计算。

式中：G 表示相应的掘进机单位时间掘进煤量，由公式（3）计算得到；q 表示相应的吨煤喷雾降尘需水量取0.03 m3/t。

式中：V 表示相应的掘进机推进量，经过查阅文献其取值为6.2 m/h；ρ 表示相应的煤密度，经过查阅文献将其取值为1 350 kg/m3；S 表示相应的巷道断面，其中宽为5 m，高为3.8 m，则S=19 m2。

代入数据计算得G=186 t/h，Q2=93 L/mim。

4 喷雾系统喷嘴布置

通过分析矩形全断面掘进机的分布情况，对于喷雾降尘喷嘴而言，可以选用流量系数大以及阻值系数比较小的喷嘴，如图3 所示。其中大刀盘设置有12 个V 形喷嘴，而相应的喷嘴水压为2 MPa，相应的喷嘴流量可以达到3.5 L/min，从而可以保证喷雾降尘水量满足工程的需要。喷嘴在刀板上面共计设置有4 个，刀板数量为3 个刀板。

图3 掘进机大刀盘上内喷嘴布置示意图

喷嘴在每个刀板上布置4 个，共有3 个刀板。从而可以有效地提高降尘效果。

对于外喷雾系统而言，将喷头设置在掘进机前壳体上，共计设置16 个V 型喷嘴，同时在上下两侧共计设置两个喷嘴，其中将掘进机下面的喷射嘴设置在煤炭运输刮板机两侧，从而可以有效地降低粉尘量[4-6]。

5 结语

经过六个月的调试及工程实践，证明该系统可以有效地解决超温报警的问题，同时掘进机内设置的驱动机、减速器以及液压油等温度降低到45 ℃左右，在大量的测试情况下发现并未出现超过50 ℃的状况，同时工作面位置的粉尘质量浓度保持在2.6～2.8 mg/m3的范围内。经过分析可以发现该系统能够满足设备的冷却需要，同时依据《煤矿安全规程》可以看出，降尘效果也满足标准，能够有效地为工作人员营造良好的工作环境。