采煤機負壓二次降塵系統(tǒng)的改造與應用*

武 玲

(山西省晉能控股煤業(yè)集團同忻礦,山西 大同 037006)

0 引 言

煤礦粉塵的主要來源是采煤工作面,控制好采煤機在割煤時的粉塵濃度,才能夠減少工作面下風流及回風巷的粉塵總量,為下風流及回風巷作業(yè)的工作人員提供一個較好的工作環(huán)境,保障作業(yè)人員身心健康[1]。同忻礦在綜采工作面采取內(nèi)外濕式噴霧降塵措施,配置了負壓二次降塵系統(tǒng),該系統(tǒng)在應用過程中出現(xiàn)了噴霧泵故障頻發(fā)、自動控制補水系統(tǒng)不可靠、噴咀堵塞嚴重等問題,導致割煤時粉塵濃度較大,同忻礦針對以上三項問題開展了升級改造。將降塵器噴霧泵替換應用為3SP60-15/4.8型高壓泵,為采煤機負壓噴霧降塵提供水源動力;通過對主控器內(nèi)部電路及水箱內(nèi)水位定位器限位開關(guān)的改進,實現(xiàn)高壓噴霧泵的智能化控制;通過小直徑噴嘴出水口+大孔徑螺旋芯體組合方式,使噴霧扇面能滿足覆蓋采煤機滾筒全斷面的要求。

1 采煤機負壓二次降塵器工作原理

8204工作面標高912～940 m,煤層大致呈東西走向,傾向東,傾角平均2°的煤層為近水平煤層。平均走向長度2 220 m,工作面傾向178.5 m,可采面積279 352.5 m2。老頂由粗砂巖、礫巖、高嶺巖組成,厚度11.94 m,膠結(jié)致密;直接頂由炭泥巖、細砂巖組成,厚度6.45m,孔隙式膠結(jié),含水性較強;直接底和老底由粗砂巖、炭泥巖組成,厚度2.58 m,膠結(jié)致密。工作面最大瓦斯涌出量1.83 m3/min,工作面最大CO2涌出量2.31 m3/min,屬低瓦斯礦井。煤塵爆炸指數(shù)34%～42%,有爆炸性,火焰長度為100 mm。

同忻礦采煤機負壓二次降塵器設(shè)置在工作面順槽,工作時高壓泵站將低壓水轉(zhuǎn)化成高壓水,高壓水通過高壓管路輸送到采煤機兩端頭的負壓二次除塵裝置;負壓二次除塵裝置將供給的高壓水轉(zhuǎn)化成控制采煤機滾筒割煤產(chǎn)塵源向外擴散的汽霧流屏障,進而產(chǎn)生負壓場,使采煤機滾筒周圍的粉塵吸進降塵裝置內(nèi)完成凈化處理[2]。采煤機二次負壓降塵器系統(tǒng)可實現(xiàn)對采煤機滾筒割煤產(chǎn)塵的就地凈化,從而達到阻止和減少粉塵向外擴散的目的。系統(tǒng)主要由高壓水泵、供水自動控制水箱、二次負壓降塵裝置及高壓管路等組成[3],負壓除塵器高壓供水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 采煤機負壓除塵器高壓供水系統(tǒng)示意圖1.高壓泵站 2.高壓供水管(φ25,從泵站至工作面中間) 3.變節(jié)頭(φ25～φ19) 4.自動供水控制水箱 5.水箱內(nèi)置過濾器 6.高壓水泵

2 負壓二次降塵系統(tǒng)改造

2.1 降塵器噴霧泵改造

(1) 存在問題:要使采煤機噴霧產(chǎn)生好的效果,必須配套相應的噴霧泵?，F(xiàn)有的采煤工作面配套的315型噴霧泵均為一泵一箱,且315型噴霧泵多數(shù)為修舊利廢泵,質(zhì)量不可靠、故障率高。因此,將現(xiàn)有315型噴霧泵作為采煤機負壓噴霧降塵水源動力不可靠。

(2) 改造措施:經(jīng)過考察和對比發(fā)現(xiàn),使用3SP60-15/4.8型高壓泵作為配套噴霧泵比較適合同忻礦采煤機負壓降塵技術(shù)要求。該高壓泵壓力P=15 MPa、流量Q=80 L/min,正常生產(chǎn)時,將出口噴霧壓力調(diào)至10～12 MPa,即可保證采煤機負壓二次噴霧降塵壓3～5 MPa[4]。

(3) 另外,采煤機的噴霧系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)是一體的,但水冷和噴霧供水壓力值要求不同。水冷和噴霧供水方式分為兩路:水進入機組總水門后分兩路,一路不減壓而直接供噴霧除塵,另一路減壓后進入電機冷卻器和牽引部冷卻器。由于進入冷卻器的水需要減壓,因而會對噴霧管路的水壓產(chǎn)生一定影響,特別是電動機冷卻系統(tǒng)的耐水壓力較低(不得超過2.0 MPa),這會對降塵器噴霧水壓影響較大,導致達不到霧化除塵效果。并且從噴霧泵出來的高壓膠管最小直徑32 mm,經(jīng)常發(fā)生壓扁或堵塞現(xiàn)象。為解決以上問題,采取以下措施:①工作面電纜槽內(nèi)鋪設(shè)兩趟高壓膠管,直徑分別為25 mm、19 mm,其中直徑25管路用于電機冷卻和牽引部冷卻,直徑19管路用于負壓二次降塵器噴霧系統(tǒng),如圖2所示;②用于負壓二次降塵器噴霧供水高壓的管路需專管專用,不與采煤機內(nèi)用于冷卻的供水管路發(fā)生串通,使負壓二次降塵器噴霧供水高壓管路壓力恒定保持在10～12 MPa。

圖2 負壓二次降塵器噴霧系統(tǒng)管路圖1.負壓二次降塵泵及控制系統(tǒng) 2.19 mm高壓主供水管路 3.手動截止閥 4.變徑三通 5.采煤機

(4) 改造效果:負壓噴霧降塵水源動力可靠運行,高壓管路實現(xiàn)專管專用,達到壓力穩(wěn)定的目的,實際應用效果如圖3所示。

圖3 迎風側(cè)噴霧效果現(xiàn)場圖

(5) 應用經(jīng)驗:①3SP60-15/4.8高壓泵(以下簡稱高壓泵)的溢流管須用液壓件,一般廠家出廠配套的溢流管均為水暖鑄鐵件,不能承受溢流高壓,易形成安全隱患;②高壓泵的溢流管出廠配套10 mm高壓管,但在實際應用過程中由于用水截止閥的關(guān)閉,導致了泵頭的瞬時高壓,宜更換為19 mm高壓管更為安全;③需將溢流壓力調(diào)至10～12 MPa,不可調(diào)為15 MPa;由于井下條件惡劣,在極限工作壓力15 MPa下,高壓泵缸套組件中的水封、銅套、柱塞磨損很快,大約2～3周就會出現(xiàn)故障;④負壓二次降塵系統(tǒng)配套的高壓泵及水箱穩(wěn)裝在平板車上,如圖4所示,且放在設(shè)備列車靠近工作面的序列,而設(shè)備列車長度達150 m,因此在序列中的位置差異會對噴霧降塵產(chǎn)生的效果差別很大;⑤采煤機負壓二次降塵器水箱的設(shè)計容量2 m3,須用51 mm高壓管與噴霧泵水箱形成聯(lián)通器,以保證噴霧用水量。

圖4 平板車示意圖(俯視)

2.2 自動控制補水系統(tǒng)改造

(1) 存在問題:負壓二次噴霧系統(tǒng)出廠配置了高壓噴霧泵智能補水系統(tǒng),該系統(tǒng)由主控器、PLC控制系統(tǒng)和附屬部件組成,它可以通過安裝在水箱中的水位定位器來控制自動補水。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)補水的智能化控制,但是出于保護水泵考慮[5],當高壓水箱處于低水位需要自動補水的同時,高壓水泵開關(guān)會立即關(guān)閉、水泵停止運轉(zhuǎn),因此存在補水期間噴霧泵停止運行、噴霧器停止噴霧的缺陷,從而引發(fā)工作面的粉塵含量急驟增加。并且噴霧泵停止運行之后的開泵工藝較為復雜,需要人工先開啟主控器,然后才能運行水泵,極為不便,失去了智能控制補水的實際意義[6]。

(2) 改造措施:經(jīng)過對主控器內(nèi)部電路的改進及對水箱內(nèi)水位定位器限位開關(guān)的改進,如圖5所示,實現(xiàn)了在低水位時,補水自動開啟后不會影響噴霧泵的正常運轉(zhuǎn)。只有當?shù)V井進水主管路因意外停水而導致水位滑塊繼續(xù)下滑至防干燒控制開關(guān)管時,水泵開關(guān)才會關(guān)閉,水泵才會停止運轉(zhuǎn);當?shù)V井進水主管路恢復供水后,水位滑塊上滑,靠近低水位開關(guān),補水開始,水泵開關(guān)正常開啟;當水位上漲至上水位開關(guān)位置時,主控器給電動球閥門發(fā)送關(guān)閉信號,上水停止[7]。經(jīng)過改進后的高壓噴霧泵智能上水系統(tǒng)在礦井正常供水期間,可實現(xiàn)一次開啟,持續(xù)噴霧,不需要工作人員人工開停水泵,真正實現(xiàn)了高壓噴霧泵的智能化控制功能。

圖5 自動控制上水系統(tǒng)的改造圖

(3) 智能控制上水系統(tǒng)改造效果:①甩開原設(shè)計聯(lián)鎖功能,新增了一組聯(lián)鎖控制系統(tǒng),可與水泵開關(guān)實現(xiàn)防干燒聯(lián)鎖,避免管路因突發(fā)意外缺水而導致水泵干燒的問題;②水位定位器內(nèi)部增加了一組水位定位開關(guān),防止了低水位時補水與停泵同時動作而導致工作人員頻繁人工開泵的弊端;③在水位定位器外部增加了一組滑動定位塊,可保證水位控制的準確性。

2.3 負壓二次降塵器噴咀改造

(1) 鑒于降塵器噴咀噴霧效果不好、噴霧距離近等問題,同忻礦設(shè)計了不銹鋼噴霧噴嘴,并進行了大量的適用性改進試驗:①噴嘴出水口由原來的1 mm增擴成了2 mm和3 mm兩種規(guī)格,經(jīng)噴霧試驗,噴霧距離有所增加,但還達不到預期噴霧距離;②噴嘴內(nèi)部的螺旋芯體分別添加了2 mm和3 mm的中心通孔,噴霧距離明顯提高,噴霧扇面顯著改善;③實際試用中,采用噴嘴出水口直徑2 mm、3 mm+螺旋芯體通孔2 mm、3 mm四種組合方式試驗[8-10]。

(2) 試驗效果表明:①噴嘴出水口直徑3 mm時,配置通孔2 mm、3 mm的螺旋芯體后,雖然噴霧距離較遠,但由于工作面水壓原因,噴霧扇面穩(wěn)定性較差,對滾筒全斷面覆蓋效果不穩(wěn)定;②噴嘴出水口直徑2 mm時,配置通孔2 mm、3 mm的螺旋芯體后,噴霧距離均能夠滿足要求,但配置3 mm的螺旋芯體的噴霧扇面更大、穩(wěn)定性更佳。由此確定采用了小直徑噴嘴出水口+大孔徑螺旋芯體的組合方式,即出水口直徑2 mm的噴嘴+中心通孔3 mm的螺旋芯體噴咀,如圖6所示。

圖6 二次降塵器噴咀改造示意圖

(3) 噴咀改造效果:噴霧距離和噴霧扇面均能夠滿足覆蓋采煤機滾筒全斷面的要求。

3 結(jié) 論

采煤機負壓二次降塵系統(tǒng)技術(shù)改造解決了采煤機噴霧系統(tǒng)水源動力不足、智能化自動補水系統(tǒng)可靠性差、噴霧覆蓋面積不足等難題,顯著提高了設(shè)備的降塵率,極大地改善了工作面作業(yè)環(huán)境,避免了粉塵對作業(yè)人員的職業(yè)健康傷害。所得結(jié)論如下。

(1) 利用3SP60-15/4.8型高壓泵替代315型高壓泵,解決了噴霧泵質(zhì)量不可靠、故障率高的問題,實現(xiàn)了采煤機負壓噴霧降塵水源動力的可靠運行。

(2) 通過自動控制補水系統(tǒng)的改造,實現(xiàn)了水位準確控制,并解決了補水期間噴霧泵停止運行的缺陷,達到負壓二次降塵系統(tǒng)連續(xù)運行的使用目的。

(3) 開展降塵器噴咀試驗,明確了最佳噴咀組合方式為出水口直徑2 mm的噴嘴+中心通孔3 mm的螺旋芯體,實現(xiàn)了最佳噴霧效果。