解决采掘工作面防尘水压不足的新途径

解决局部防尘水压不足的新途径解决局部防尘水压不足的新途径 郑光相 栗成杰 平顶山工业职业技术学院 河南 平顶山 摘要摘要 针对矿井防尘管路供水压力不足的问题 分析了不能直接串联离心泵增压的原因 并设计研制了一种自动增压泵站 为解决局部防尘水压不足提供了一种新的途径 关键词关键词 防尘管路 供水压力 增压泵站 1 矿井防尘治理基本状况及存在的不足 煤矿井下粉尘治理 多采用在采掘工作面 转载点 回风巷及运输大巷等地点 多年 来使用实施喷雾降尘和空气净化水幕证明 此法简便易行 空气含尘率明显下降 井下粉 尘得到了有效控制 改善了井下作业工人的工作环境 消除了因粉尘而引起事故的隐患 取得了较满意的效果 但是 由于煤矿井下降尘点分散 距离远 标高差大等特点 致使部分采掘工作面降 尘效果达不到预想效果 几年来 笔者对部分矿井防尘系统及使用情况进行了调查 通过 调查发现有以下几个问题 特别是地方小煤矿 1 目前煤矿井下防尘系统 多采用在地面工业广场设置供水池 沿井筒 运输大巷 敷设管道 送至各降尘用水地点 由于降尘点分散 距离远 标高差大 致使一些距离较 远 高差大的降尘点水压不足达不到喷嘴的压力要求 而得不到预期的喷雾效果 由于达 不到预期的降尘效果 长期废而不用 2 受井筒断面及敷设管道的困难 多采用较小的 50 和 40 的管道 在用水高峰 时管路水力损失大 呈现压力不足 3 选用的喷嘴品种繁杂 部分喷嘴与防尘地点的要求不相适应 调查中发现 由于 种种原因 很多喷嘴达不到应有的雾化粒度 喷射角度和喷射距离 4 降尘点供水压力不稳定 用水高峰 压力低于工作压力 用水低峰时 压力高于 工作压力 喷嘴不能处于稳定工作状态 供水压力不足和压力不稳定是多数矿井普遍存在 的主要原因 一些矿井也采取了一些增大管径等措施 但是随着工作面的推移 还会出现 上述问题 且工程量大 投资大 2 离心泵不能直接串联于管路增压 煤矿井下防尘用水一般在地面设置贮水池 通过铺设管路利用位差实行静压供水 由 于井下降尘地点标高相差悬殊和供水路径不尽合理 造成部分用水地点供水压力不足 严 重影响降尘效果 能不能在管路上直接串接离心泵实现增压呢 为了说明此问题 我们首先 研究防尘供水系统及防尘设施水压变化的规律 从而阐述用增压泵站增压的必要性和需要 解决的问题 2 1 防尘供水系统 以地面集中供水为例 煤矿防尘供水系统 一般如图 1 所示 水源经井筒 井底车场 大巷 采区上下山 平巷进入防尘降尘设施 1 储水池 2 井筒 3 大巷 4 上山 5 喷雾降尘点 图 1 防尘供水系统 设 HK为用水点与贮水池水面间的高差 HB为用水点所具有的水头 水压 hf为水池 至用水点之间的水头损失 则用水点水头可表示为 HB HK Hf 对某一个用水点来讲 HK往往是确定的 供水静压水头一定 但管路所负责的降尘点 的个数和输送的距离是不同的 或者使用管径不同 使得供水点到用水点损失 Hf大小不 相同 再者各采掘工作面标高相差甚远 造成各用水点静压水头 HK也是不相同的 因此 都会造成各个用水点降尘防尘设施的水头 HB不同 对于矿井喷雾设施 要求水头 HB在 100 米 1MPa 左右 过小会严重影响降尘效果 过大可能损害防尘设施或要求进一步提高设 施的耐压 2 2 用水点 HB的变化规律 如图 1 所示 供水静压 HK受用水地点标高的影响 上山开采时 HK较小 下山开采时 HK较大 供水管路水头损失总和 Hf 主要由各段管长和通过的流量决定 某段管路的水 头损失与管长成正比 与流量的平方成正比 因此管路较长 通过的流量较大时 水头损 失 Hf较大 综上所述 井下标高和供水距离远及流过流量较大时 常出现防尘设施供水压力不足 水压变化有如下特点 不用水或用水低峰时用水点压力较高 用水高峰时供水点压力不足 要解决上述压力不足问题 仅依靠合理的设计管路系统是办不到的 即使前期能够满 足要求 但随着矿井生产 工作面的更换或推移还会出现上述问题 2 3 普通离心泵不能直接串入管路中增压 2 3 1 离心泵的工业利用区 通常离心泵性能曲线如图 2 所示 AB 段为工业利用区 H 扬程特性曲线 N 一功率特性曲线 效率特性曲线 AB 工业利用区 图 2 离心泵性能曲线 工况点偏出工业利用区主要存在下列问题 工况点左偏 流量过小 会出现 泵在死水中工作 水温急剧上升 加速水泵磨损 严重时 可能烧坏水泵 效率过低 噪声加大 流量断续 工况点右偏 流量过大 会出现 电动机过负荷 严重时有烧坏电机的危险 可能 产生汽蚀 加速平衡盘的磨损 效率过低 2 3 2 泵在管路上工作 1 离心泵 2 截止阀 3 降尘喷嘴 图 3 离心泵在管路上工作 离心泵串入管路中工作如图 3 所示 设 Po为泵出口压力 Px为泵进口压力 Pb为泵产 生的压力 则泵出口压力 Po Px Pb 1 由 1 式可看出 泵站的输出压力 Po是进口压力 Px和泵产生压力 Pb的迭加 由前面所 述管网的压力 Px是随用水高峰 低峰时变化的 致使输出压力 Po 也是变化的 当 Px很小 时 低于当时水温下饱和蒸汽压时 泵将产生汽蚀 当 Px过大时 Po 将很大 可能超过 泵体所能承受的压力和防尘设施听能承受的压力而损坏 泵的流量取决于同时工作的喷嘴数 在 0 Qmax范围内变化 当防尘喷雾装置停止工作 时 由于防尘设施分散 无法给出停泵信号 流量 Q 很小 泵进入小流量工作区 严重时 不及时停泵会损坏水泵 当某种原因造成管路流量过大时 泵从大流量方向超出工业利用 区 轴功率过大可能烧坏电机 因此 离心泵直接串入管路增压 损坏水泵 电机的可能性很大 这种事实已被现场 所证实 3 ZYB 6 1 5 自动增压泵站设计 为了解决离心泵直接串入管路上工作存在的问题 经过对泵的性能分析和现场调查 本着安全 可靠 灵活 简便的原则 经过多方案的综合比较设计了防尘管路自动增压泵 站 3 1 工作原理 泵站由漩涡泵和控制阀组成 控制阀由溢流阀 2 旁通单向阀 3 流量传感器 4 压力 传感器 5 等组成 图 4 把旋涡泵串接在采掘工作面入口处防尘管道上增压 根据压力迭 加原理则泵的出口压力 Po等于泵产生的压力 Pb与泵的入口压力 Px之和 即 Po Px Pb 输出压力 Po由溢流阀调定 泵产生的压力 Pb将随入口压力 Px的增大而减小 流量传感器 检测流量信号来决定泵站是否投入工作 以实现泵站自动控制 检测压力信号实现高低压 保护 供水压力满足要求时 利用旁通单向阀实现旁路直接供水 1 漩涡泵 2 溢流阀 3 旁通单向阀 4 流量传感器 5 压力传感器 6 启动器 7 电动机 图 4 自动增压泵站工作原理图 3 2 主要部件与作用 1 旋涡泵 旋涡泵外形尺寸小 流量小 扬程高 相当于二级离心泵的扬程 适合于防尘系统小 流量 大扬程的特点 旋涡泵的性能曲线如图 5 H 一为扬程特性曲线 N 一为功率特性曲线 图 5 旋涡泵性能曲线 旋涡泵正常工作流量不受喷雾装置用水量多少的影响 即喷雾装置需用量大时 溢流 量减少 反之溢流大 泵始终在调定压力 某一流量 某一功率下工作 当用水量超过泵的最大供水量时 泵出口压力大幅度降低 泵轴功率下降 卸荷 不 会出现离心泵因流量偏大超出工业利用区而过载 2 溢流阀 作用是恒定喷雾系统压力 并在一定范围内压力连续可调 调整压力范围 1 1 5MPa 旋涡泵与溢流阀的合理配置构成良好的动态跟随系统 溢流阀的溢流口与泵的吸入口 也为泵站管路入口 连接 当泵站管线入口处的压力升高 对集中防尘供水系统存在压力不 稳定情况 由于泵的增压 系统压力随之升高 通过控制水路使溢流口开度增大 溢流量 增大 通过泵的流量增大 由于旋涡泵输出流量增大 扬程降低 输出功率下降 卸荷 这时泵站增压作用降低 出力减小 相反 入口压力降低 溢流量减少 泵输出流量减小 扬程升高 输出功率增大出力增大 由此看出 泵站入口压力低 增压作用强 入口压力 高 增压作用弱 泵站增压的多少及时有效地跟随泵站入口压力的高低 可谓是较理想的 动态跟随系统 3 流量 压力传感器 专门配套设计的流量 压力传感器的流量信号和压力信号是靠水力介质来反映的 避 免了过多的电力信号传输 运行更安全 流量信号和压力信号的综合控制性能 保证泵可 靠稳定地工作 其主要功能如下 检测流量信号使泵站投入工作 通过检测管中流量信号 来决定泵站是否投入工作 即 闸阀打开 喷雾装置开始工作 当管中流量 Q Qmin时 泵站即投入工作 其中泵站切除流量 Qmin的确定 流量过小 会造成水流在泵站内部循环 水温急剧上 升 严重时可损坏水泵 流量过大 降尘设施开启时 泵站不能投入工作 所以综合考虑 取 Qmin 5 10L min 检测泵站进水管中压力 实施最低压力和最高压力保护 当泵的入口压力 Px Pmax 喷雾设施工作压力 时 泵站停止工作 通过旁通单向阀直接供水 当来水管中停 水或压力过低时 Px Pmin 泵站不能启动或停止运转 流量信号和压力信号串联于控制回路 为互锁功能 即 当无流量信号 Q Qmin 或 管中压力过低 过高 PxPmax 时 泵站不能启动或停止工作 只有在有流量信号 Q Qmin 时 压力在 Pmin Px Pmax时 泵站自动投入实现增压供水 4 旁通单向阀 作用是当泵站入口压力达到喷雾系统的使用压力范围 1 1 5MPa 时 泵站增压作用较 小 但仍有空载损耗实属浪费 通过检测泵站入口压力信号 使泵站停止工作 通过旁通 单向阀 实现原有压力供水 旁通单向阀跨接于泵的出入口 当泵工作时 泵产生的压力反向作用于单向阀上 使 其有严密的封闭性能 而当泵停止工作时 反向压差消失 单向阀打开直接供水 3 3 泵站性能特点 1 泵站采用后制式控制 即降尘设施工作时 泵站投入工作 不用水时 泵站停止工 作 靠降尘设施开 停实现泵站自动控制 2 由于采用后制式控制方法 易与声控 光控自动喷雾装置配合 实现自动喷雾 自 动增压 3 泵站输出压力稳定 并连续可调 4 泵站停泵或出现故障时 自动转换实行低压供水 5 流量和压力保护保证泵站处于正常状态工作 6 泵站不需设置专人看护和操作 3 4 泵站主要技术指标 额定输出流量 Qt 100L min 额定输出压力 H 1 0 1 5MPa 最小工作流量 Qmin 10L min 最大入口压力 Hmax 0 9MPa 最小入口压力 Hmin 0 1MPa 4 结语 1 该泵站能够实现管道供水自动增压 能自动判断喷雾装置是否工作 当且仅当喷 雾装置工作 且水压不足时 泵站自动投入运行 既适用于