解决采掘工作面防尘水压不足的新途径

解决部分防尘水压缺乏的新途径
郑光相栗成杰
〔平顶山工业职业技术学院，河南平顶山467001〕
摘要：针对矿井防尘管路供水压力缺乏的问题，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，为解决部分防尘水压缺乏提供了一种新的途径。

关键词：防尘管路；供水压力；增压泵站
1.矿井防尘治理根本状况及存在的缺乏
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，多年来使用施行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，获得了较满意的效果。

但是，由于煤矿井下降尘点分散、间隔远，标高差大等特点，致使部分采掘工作面降尘效果达不到料想效果。

几年来，笔者对部分矿井防尘系统及使用情况进展了调查，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、间隔远、标高差大，致使一些间隔较远，高差大的降尘点水压缺乏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φ50和φ40的管道，在用水顶峰时管路水力损失大，呈现压力缺乏。

〔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、喷射角度和喷射间隔。

〔4〕降尘点供水压力不稳定，用水顶峰，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。

供水压力缺乏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途径不尽合理，造成部分用水地点供水压力缺乏，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
设为用水点与贮水池水面间的高差，为用水点所具有的水头(水压)，∑为水池至用水点之间的水头损失。

那么用水点水头可表示为：
∑
对某一个用水点来讲，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间隔是不同的，或者使用管径不同，使得供水点到用水点损失∑大小不一样；再者各采掘工作面标高相差甚远，造成各用水点静压水头也是不一样的，因此，都会造成各个用水点降尘防尘设施的水头不同。

对于矿井喷雾设施，要求水头在100米〔1〕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进步设施的耐压。

2.2用水点的变化规律
如图1所示，供水静压受用水地点标高的影响，上山开采时，较小；下山开采时，较大。

供水管路水头损失总和∑，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∑较大。

综上所述，井下标高和供水间隔远及流过流量较大时，常出现防尘设施供水压力缺乏。

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；用水顶峰时供水点压力缺乏。

要解决上述压力缺乏问题，仅依靠合理的设计管路系统是办不到的。

即使前期可以满足要求，但随着矿井消费，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，段为工业利用区。

H—扬程特性曲线；N一功率特性曲线；η—效率特性曲线；—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以下问题。

工况点左偏(流量过小)会出现：①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；②效率过低；③噪声加大，流量断续。

工况点右偏(流量过大)会出现：①电动机过负荷，严重时有烧坏电机的危险；②可能产生汽蚀；③加速平衡盘的磨损；④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。

设为泵出口压力，为泵进口压力，为泵产生的压力。

那么泵出口压力：
P o(1)
由(1)式可看出，泵站的输出压力是进口压力和泵产生压力的迭加。

由前面所述管网的压力是随用水顶峰、低峰时变化的，致使输出压力也是变化的。

当很小时，低于当时水温下饱和蒸汽压时，泵将产生汽蚀；当过大时，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～范围内变化。

当防尘喷雾装置停顿工作时(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 6/1.5自动增压泵站设计
为理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，本着平安、可靠、灵敏、简便的原那么，经过多方案的综合比拟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，根据压力迭加原理那么泵的出口压力等于泵产生的压力与泵的入口压力之和(即+ )。

输出压力由溢流阀调定，泵产生的压力将随入口压力的增大而减小。

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。

检测压力信号实现上下压保护。

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)。

合适于防尘系统小流量、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1～1.5。

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上下。

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，防止了过多的电力信号传输，运行更平安。

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：
①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：闸阀翻开，喷雾装置开始工作〔当管中流量Q>时，泵站即投入工作〕。

其中泵站切除流量确实定：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5～10L ／
②检测泵站进水管中压力，施行最低压力和最高压力保护。

当泵的入口压力>(喷雾设施工作压力)时，泵站停顿工作，通过旁通单向阀直接供水；当来水管中停水或压力过低时<，泵站不能启动或停顿运转。

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＜〕或管中压力过低、过高(<，>)时，泵站不能启动或停顿工作。

只有在有流量信号〔Q>〕时，压力在<<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到达喷雾系统的使用压力范围(1～1.5)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，使泵站停顿工作，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；而当泵停顿工作时，反向压差消失，单向阀翻开直接供水。

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，泵站停顿工作。

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：100L／
额定输出压力：1.0～1.5
最小工作流量：10L／
最大入口压力；0.9
最小入口压力：0.1
4 结语
〔1〕该泵站可以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，且水压缺乏时，泵站自动投入运行。

既适用于煤矿井下防尘管路，也适用于地面供水管网。

〔2〕泵站设计中，使用了旋涡泵，但并不是说用离心泵不能构成自动增压泵站，只是因为保证泵的正常工作需增加较复杂的附属装置而已。

〔3〕该泵站主要适用于水量不大、压力不高的用水地点。

对用水量较大和使用压力较高的综采工作面来说流量和压力偏小，不合适选用。

综采工作面可选择专门配套的喷雾泵站产品。

第一作者简介：郑光相〔1957—〕，男，湖北秭归人，平顶山工业职业技术学院副教授，主要从事教学和煤矿平安技术的科研工作。