水射流喷嘴位置和压力对掘进机破岩性能的影响

任国强

（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司， 山西 晋城 048400）

引言

掘进机的切割机在切割坚硬和磨蚀性岩石时，会受到高作用力、过度磨损和高温，导致切割机寿命降低、增加机器停机时间。以往的研究表明，水射流有助于显著提高推进速度，减少粉尘产生，延长切割机寿命，切割力可以减少两倍，刀具寿命可以延长一倍。喷水喷嘴相对于镐的位置对于提高切割效率至关重要。以往的研究主要集中在喷嘴位置与单一刀具之间的关系[1-3]。

本文将针对喷嘴最佳位置的喷射、水射流压力对射流速度的影响以及岩石的破岩性能等方面做进一步的研究。

1 实验程序

1.1 喷嘴位置

为了研究喷嘴位置对岩石破碎效率的影响，分别对如图1 所示三种位置的水射流配置与捡拾器相关的喷嘴进行分析。如图1-1 所示为带有前置喷嘴的刀盘，喷嘴连接到刀盘上并与镐座分离。位于刀盘中心位置的喷嘴，如图1-2 所示，喷嘴埋头嵌入镐，使高压水流过镐。带有后部定位喷嘴的刀盘，如图1-3 所示，喷嘴放置在捡拾器上。为其拾取定位距离的喷嘴前后定位配置约为18 mm。

图1 一个系统的水射流喷嘴相对于镐三种位置配置

1.2 岩石标本

在本研究中，岩石样本采用42.5 级硅酸盐水泥、B 级石膏粉和河砂。混合后的材料放入模具和岩石盒中，岩石箱的高度、宽度和厚度分别为1000 mm、800 mm 和600 mm。圆柱形试样的直径和长度分别为50 mm 和100 mm。人造岩石的力学特性如表1 所示。

表1 人造岩石属性

1.3 测试平台

岩石破碎平台如图2 所示。液压缸用于移动工作台轨道，工作台上安装了一个位移传感器，用于测量刀盘的运动。刀盘的转速由变频器控制。齿轮箱输出轴端部装有高压泵用于将水泵入刀盘，最大喷水压力为40 MPa。岩石箱的侧向移动由电机和齿轮箱控制。数据采集系统能够监测和记录推力、扭矩和扭矩刀盘位移。选择四种喷水压力：10 MPa、20 MPa、30 MPa 和40 MPa。通过保持前进速度、旋转常数、喷水位置和喷水压力对掘进机破岩效率影响进行了计算和分析。

图2 刀盘破岩试验台

2 分析结果

2.1 岩石强度对切削扭矩和推力的影响

图3 所示为不使用高压水射流切割三块人造岩石时掘进机的切割扭矩和推力，推力的波动比切削扭矩的波动更为显著。这是因为在采掘过程中，刀盘被径向岩石包围，切削扭矩是对称的，振动在镐齿之间相互偏置，而推力的方向力是轴向的，镐中的振动叠加在一起。

图3 岩石强度对切削扭矩和推力的影响

2.2 喷嘴位置对岩石破碎的影响

图4 和图5 所示为喷水喷嘴不同位置对切割扭矩和刀盘推力的影响。人造岩石的破碎效率在一定程度上取决于岩石的抗压强度和水射流压力。在三种配置中，中心位置的喷嘴具有最高的扭矩和推力降低率，而后部喷嘴的性能增强能力最差。

由图4 可知，在高压水射流的作用下，三块岩石的扭矩降低了41%。图5 表明随着水射流的增大，推力降低了30%。对于扭矩和推力的降低，由于喷嘴的定位而产生的差异可高达10%和8%。

图6 所示为喷水位置对岩石破碎比能量的影响。这三种物质的比能在没有喷水辅助的情况下切割时，刀头基本相同。这表明安装在刀盘上的喷嘴影响（降低）性能。对于中心定位配置比能略高，当辅助有高压水射流时，中心定位配置方式由于扭矩和推力较低比能量最低（图4 和图5 所示）。对于这三种类型的岩石，相比没有使用水射流辅助的中心配置减少了41.3%、28.3%和20.1%。

图4 喷嘴位置对不同岩石切割扭矩的影响

图5 喷嘴位置对不同岩石推力的影响

图6 不同岩石的比能量和喷嘴位置之间的关系

2.3 水射流压力对岩石破碎的影响

下页图7 所示为喷水压力对扭矩的影响以及刀盘的推力。随着喷水压力的增加，刀盘扭矩和推力显著减小。对于中心定位配置，UCS10.8推力从4805 N（无喷水辅助）至3350 N（有40 MPa 喷水辅助），扭矩从858 N·m 降至503 N·m，推力和扭矩分别下降30%和41%。对于UCS19.5和UCS28.6，推力分别减少26%和19%，扭矩分别减少28%和20%。

图7 不同水射流下不同岩石的切割扭矩和推力

图8 所示为随着喷水压力的增加，能量比以缓慢的速度降低，随后斜率急剧下降。水射流压力需要超过临界压力，对岩石破碎更有效。换句话说，减少比能量约为10%，临界压力接近岩石的抗压强度。在相同的射流压力下，三种岩石的能量比降低是不同的。

图8 不同岩石的能量比和水射流压力之间的关系

2.4 抑尘

图9-1 和图9-2 所示为无需喷水协助下的切割过程和切口。图9-3 和图9-4 所示为使用水射流时的切割过程和切口图。很明显，在水射流的帮助下，粉尘的产生显著减少。

图9 无需喷水和水射流辅助下的切割过程和切口

不同条件下，使用和不使用喷水器的粉尘浓度统计数据，如表2 所示。抑尘效率可使用以下公式计算。

表2 不同条件下的粉尘浓度 mg/m3

式中：η 为抑尘效率；C0为不使用水射流粉尘浓度；CWJ为考虑到使用水射流的粉尘浓度。

图10 所示为不同岩石在不同喷水压力下的标准化抑尘效率η。对于给定的喷水压力，岩石强度越高，抑尘效率越差。对于相同的配置，效率会提高，随着水射流压力的增加，这一点会显著增加。抑尘效率从22%到72%不等，其中中心定位配置的抑尘效率比其他两种配置更好。

图10 不同喷水口的标准化抑尘效率

3 结论

1）水射流的辅助作用改善了掘进机的破岩性能，喷水喷嘴的位置会影响岩石破碎性能。扭矩、推力和比能量方面的最佳性能增强、减少的方法是通过将喷嘴定位在镐上，然后进行前定位和后定位配置。

2）随着岩石强度的增加，需要更高的喷水压力来实现预期的性能改善。对于特定的岩石强度，喷水压力应增加到获得理想结果的临界压力。为了将固相能量降低10%，阈值压力应接近岩石的UCS。

3）在水射流的帮助下，细粉尘抑制系数达到70%以上。随着喷水压力的增加，抑尘系数增大。