全断面矩形掘进机冷却及喷雾系统设计研究

郝 艳 虎

（汾西矿业宜兴煤业 ，山西 孝义 032300）

现阶段矿井井下巷道掘进设备以悬臂式掘进机、掘锚机以及连采机等设备为主，但是上述设备主要是采用分断面掘进方式，不能很好的适应矩形巷道，在一定程度上制约巷道掘进效率[1～3]。新研制的全断面矩形掘进机可以一次性掘进断面规格为5.8m×3.8m 矩形巷道，月掘进进尺量达到3000m 以上，大幅度的提升矿井矩形巷道的掘进效率[4]。全断面矩形掘进机在工程过程中，会产生大量的粉尘，同时其动力传输系统、液压系统也会产生大量热量，需要采用喷雾以及冷却系统进行降尘及冷却[5]。文中就在对全断面矩形掘进机结构、降尘系统以及冷却系统分析基础上，对全断面矩形掘进机冷却、喷雾系统设计研究，以期能提升掘进机的适应性及稳定性。

1 全断面矩形掘进机掘进系统构成

全断面矩形掘进机掘进头共有5 个刀头，包括有1 个大刀头、4 个小刀头， 掘进部位总功率为1600kW，具体见图1。

冷却系统需要冷却的设备包括有8 台水冷电机、8 台减速箱、2 个液压油箱以及1 个传动箱液压油冷却器，均是采用水冷方式。喷雾除尘系统包括有安装在大刀片上的内置喷雾系统以及安装在掘进机前壳体上的外喷雾系统，同时还包括有6 台锚杆机上的冷却喷雾除尘系统。

图1 全断面矩形掘进机示意图

2 冷却、除尘系统结构设计

设计的冷却、喷雾系统结构包括有水泵、冲洗过滤器、节流阀、安全阀、压力流量传感器、电动球阀以及喷嘴等部分构成，具体的冷却、喷雾系统结构见图2。

矿井井下冷却、喷雾水经过200 目反冲洗过滤器后进入到全断面矩形掘进机吸水泵（3.1），随后水流通过安全阀（4.1）后流出的水流压力满足设备冷缺需要，并分成通过两个节流阀（5.1、5.2）对水量调整。经过节流阀（5.1）水路冷却液压油箱冷却器（6.2）、给掘进机中部大刀头提供动力的驱动电机减速器及传动箱冷却器（6.3）；经过节流阀（5.2）水路又通过两个节流阀（5.3、5.4）调整为2 路分别为掘进机侧边2 套掘进小刀驱动电机减速器冷却。3 趟水路汇聚后，又分成三路，一路流经电动球阀（11.1）从掘进机中部大刀侧的内喷雾喷头喷出；一路经过高压水泵（3.2）、安全阀（4.2）后为掘进机外置的喷雾系统提供水源，并经过电动球阀（11.2）从外喷雾喷头喷出；一路给锚杆机冷却供水。

图2 冷却、喷雾系统结构示意图

具体的压力传感器、流量传感器以及节流阀作用见表1。

表1 不同传感器作用

3 供水流量、压力确定

《煤矿安全规程》对掘进机内、外喷雾系统喷雾压力有明确要求，其中掘进机内喷雾系统喷雾压力应不低于2MPa，外喷雾系统喷雾压力应不低于4MPa，因此，为了确保喷雾系统供水水压，将安全阀（4.1）压力值设置为 2.7MPa，将安全阀（4.2） 压力设置为4.2MPa，满足《煤矿安全规程》关于掘进机喷雾降尘系统供水压力要求[6～8]。

采用的全断面矩形掘进机月掘进进尺为3km，掘进机除去检修时间外每d 工作16h，掘进机掘进进尺为在6.2m/h。

掘进机冷却、喷雾系统进水量Q 可以按照下述公式（1）计算：

式中：Q1为锚杆机喷雾降尘需水量。全断面矩形掘进机配套有2 台锚杆机，每台锚杆机喷雾需水量为15L/min，则Q1=30L/min；Q2表示掘进机冷却以及内外喷雾系统需水流量，计算可以采用下述公式（2）进行：

式中：G 为掘进机单位时间掘进煤、岩量，可以采用下述公式（3）计算；q 为吨煤喷雾降尘需水量，取值为0.03m3/t。

式中：V 为掘进机每小时推进量，取值 6.2m/h；ρ 为煤密度，取值 1350kg/m3；S 为巷道断面，其中宽 5m，高3.8m，S=19m2。 计 算 出 G=6.2 ×19 ×1350=186t/h ，Q2=186×0.03=5.58m3/h=93L/min。

4 喷雾系统喷嘴布置

根据矩形全断面掘进机在井下巷道掘进中的布置情况，为了提升喷雾除尘效果，并确保掘进机掘进安全，喷雾降尘喷嘴采用流量系数大、阻力系数小的喷嘴，具体在掘进机大刀盘上布置的内喷嘴见图3，在大刀盘上共布置12 个呈现V 形喷嘴，喷嘴的水压为2MPa，每个喷嘴流量为3.5L/min，确保喷雾除尘需要水量。喷嘴在每个刀板上布置4 个，共有3 个刀板。内喷雾系统喷雾范围控制在掘进机大刀盘掘进轨迹范围内。

图3 掘进机大刀盘上内喷嘴布置示意图

外喷雾系统喷头布置在掘进机前壳体上，布置有16 个呈现V 型喷嘴。在掘进机前壳体左右两侧分别对称布置6 个喷嘴，上下两侧分别布置2 个喷嘴，其中掘进机下侧两个喷嘴布置在用于煤炭运输的刮板输送机两侧，以便降低刮板输送机运行过程中产的粉尘量，提升喷雾降尘效果。

5 总 结

设计的冷却、喷雾系统在全断面矩形掘进机上经过6 个月测试，解决了掘进机电机存在的超温报警问题，掘进机驱动电机、减速器、液压油箱等设备温度从原来的80℃降低至45℃左右，未出现超过50℃情况，同时掘进工作面粉尘浓度由以往的2.6～2.8mg/m3降低至1.2～1.5mg/m3，粉尘降低率达到50%，喷雾除尘效果明显。结果表明设计的冷却系统冷切系统的流量、压力等均可以满足设备冷却需要，除尘系统应用效果显著，冷却、除尘效果都可以满足《煤矿安全规程》要求，同时也给作业人员提供较好的作业环境。