全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)冷卻及噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

郝 艷 虎

（汾西礦業(yè)宜興煤業(yè) ，山西 孝義 032300）

現(xiàn)階段礦井井下巷道掘進(jìn)設(shè)備以懸臂式掘進(jìn)機(jī)、掘錨機(jī)以及連采機(jī)等設(shè)備為主，但是上述設(shè)備主要是采用分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)方式，不能很好的適應(yīng)矩形巷道，在一定程度上制約巷道掘進(jìn)效率[1～3]。新研制的全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)可以一次性掘進(jìn)斷面規(guī)格為5.8m×3.8m 矩形巷道，月掘進(jìn)進(jìn)尺量達(dá)到3000m 以上，大幅度的提升礦井矩形巷道的掘進(jìn)效率[4]。全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)在工程過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，同時(shí)其動(dòng)力傳輸系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要采用噴霧以及冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降塵及冷卻[5]。文中就在對(duì)全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)、降塵系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，對(duì)全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)冷卻、噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，以期能提升掘進(jìn)機(jī)的適應(yīng)性及穩(wěn)定性。

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

全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)頭共有5 個(gè)刀頭，包括有1 個(gè)大刀頭、4 個(gè)小刀頭， 掘進(jìn)部位總功率為1600kW，具體見(jiàn)圖1。

冷卻系統(tǒng)需要冷卻的設(shè)備包括有8 臺(tái)水冷電機(jī)、8 臺(tái)減速箱、2 個(gè)液壓油箱以及1 個(gè)傳動(dòng)箱液壓油冷卻器，均是采用水冷方式。噴霧除塵系統(tǒng)包括有安裝在大刀片上的內(nèi)置噴霧系統(tǒng)以及安裝在掘進(jìn)機(jī)前殼體上的外噴霧系統(tǒng)，同時(shí)還包括有6 臺(tái)錨桿機(jī)上的冷卻噴霧除塵系統(tǒng)。

圖1 全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)示意圖

2 冷卻、除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的冷卻、噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有水泵、沖洗過(guò)濾器、節(jié)流閥、安全閥、壓力流量傳感器、電動(dòng)球閥以及噴嘴等部分構(gòu)成，具體的冷卻、噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

礦井井下冷卻、噴霧水經(jīng)過(guò)200 目反沖洗過(guò)濾器后進(jìn)入到全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)吸水泵（3.1），隨后水流通過(guò)安全閥（4.1）后流出的水流壓力滿足設(shè)備冷缺需要，并分成通過(guò)兩個(gè)節(jié)流閥（5.1、5.2）對(duì)水量調(diào)整。經(jīng)過(guò)節(jié)流閥（5.1）水路冷卻液壓油箱冷卻器（6.2）、給掘進(jìn)機(jī)中部大刀頭提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器及傳動(dòng)箱冷卻器（6.3）；經(jīng)過(guò)節(jié)流閥（5.2）水路又通過(guò)兩個(gè)節(jié)流閥（5.3、5.4）調(diào)整為2 路分別為掘進(jìn)機(jī)側(cè)邊2 套掘進(jìn)小刀驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器冷卻。3 趟水路匯聚后，又分成三路，一路流經(jīng)電動(dòng)球閥（11.1）從掘進(jìn)機(jī)中部大刀側(cè)的內(nèi)噴霧噴頭噴出；一路經(jīng)過(guò)高壓水泵（3.2）、安全閥（4.2）后為掘進(jìn)機(jī)外置的噴霧系統(tǒng)提供水源，并經(jīng)過(guò)電動(dòng)球閥（11.2）從外噴霧噴頭噴出；一路給錨桿機(jī)冷卻供水。

圖2 冷卻、噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

具體的壓力傳感器、流量傳感器以及節(jié)流閥作用見(jiàn)表1。

表1 不同傳感器作用

3 供水流量、壓力確定

《煤礦安全規(guī)程》對(duì)掘進(jìn)機(jī)內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)噴霧壓力有明確要求，其中掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧系統(tǒng)噴霧壓力應(yīng)不低于2MPa，外噴霧系統(tǒng)噴霧壓力應(yīng)不低于4MPa，因此，為了確保噴霧系統(tǒng)供水水壓，將安全閥（4.1）壓力值設(shè)置為 2.7MPa，將安全閥（4.2） 壓力設(shè)置為4.2MPa，滿足《煤礦安全規(guī)程》關(guān)于掘進(jìn)機(jī)噴霧降塵系統(tǒng)供水壓力要求[6～8]。

采用的全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)月掘進(jìn)進(jìn)尺為3km，掘進(jìn)機(jī)除去檢修時(shí)間外每d 工作16h，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)尺為在6.2m/h。

掘進(jìn)機(jī)冷卻、噴霧系統(tǒng)進(jìn)水量Q 可以按照下述公式（1）計(jì)算：

式中：Q1為錨桿機(jī)噴霧降塵需水量。全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)配套有2 臺(tái)錨桿機(jī)，每臺(tái)錨桿機(jī)噴霧需水量為15L/min，則Q1=30L/min；Q2表示掘進(jìn)機(jī)冷卻以及內(nèi)外噴霧系統(tǒng)需水流量，計(jì)算可以采用下述公式（2）進(jìn)行：

式中：G 為掘進(jìn)機(jī)單位時(shí)間掘進(jìn)煤、巖量，可以采用下述公式（3）計(jì)算；q 為噸煤噴霧降塵需水量，取值為0.03m3/t。

式中：V 為掘進(jìn)機(jī)每小時(shí)推進(jìn)量，取值 6.2m/h；ρ 為煤密度，取值 1350kg/m3；S 為巷道斷面，其中寬 5m，高3.8m，S=19m2。 計(jì) 算 出 G=6.2 ×19 ×1350=186t/h ，Q2=186×0.03=5.58m3/h=93L/min。

4 噴霧系統(tǒng)噴嘴布置

根據(jù)矩形全斷面掘進(jìn)機(jī)在井下巷道掘進(jìn)中的布置情況，為了提升噴霧除塵效果，并確保掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)安全，噴霧降塵噴嘴采用流量系數(shù)大、阻力系數(shù)小的噴嘴，具體在掘進(jìn)機(jī)大刀盤上布置的內(nèi)噴嘴見(jiàn)圖3，在大刀盤上共布置12 個(gè)呈現(xiàn)V 形噴嘴，噴嘴的水壓為2MPa，每個(gè)噴嘴流量為3.5L/min，確保噴霧除塵需要水量。噴嘴在每個(gè)刀板上布置4 個(gè)，共有3 個(gè)刀板。內(nèi)噴霧系統(tǒng)噴霧范圍控制在掘進(jìn)機(jī)大刀盤掘進(jìn)軌跡范圍內(nèi)。

圖3 掘進(jìn)機(jī)大刀盤上內(nèi)噴嘴布置示意圖

外噴霧系統(tǒng)噴頭布置在掘進(jìn)機(jī)前殼體上，布置有16 個(gè)呈現(xiàn)V 型噴嘴。在掘進(jìn)機(jī)前殼體左右兩側(cè)分別對(duì)稱布置6 個(gè)噴嘴，上下兩側(cè)分別布置2 個(gè)噴嘴，其中掘進(jìn)機(jī)下側(cè)兩個(gè)噴嘴布置在用于煤炭運(yùn)輸?shù)墓伟遢斔蜋C(jī)兩側(cè)，以便降低刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)的粉塵量，提升噴霧降塵效果。

5 總 結(jié)

設(shè)計(jì)的冷卻、噴霧系統(tǒng)在全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)上經(jīng)過(guò)6 個(gè)月測(cè)試，解決了掘進(jìn)機(jī)電機(jī)存在的超溫報(bào)警問(wèn)題，掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、液壓油箱等設(shè)備溫度從原來(lái)的80℃降低至45℃左右，未出現(xiàn)超過(guò)50℃情況，同時(shí)掘進(jìn)工作面粉塵濃度由以往的2.6～2.8mg/m3降低至1.2～1.5mg/m3，粉塵降低率達(dá)到50%，噴霧除塵效果明顯。結(jié)果表明設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)冷切系統(tǒng)的流量、壓力等均可以滿足設(shè)備冷卻需要，除塵系統(tǒng)應(yīng)用效果顯著，冷卻、除塵效果都可以滿足《煤礦安全規(guī)程》要求，同時(shí)也給作業(yè)人員提供較好的作業(yè)環(huán)境。