水力采煤的落煤问题.pdf

水力采煤的落煤问题第六图书馆采煤水力采煤落煤水枪射流水力采煤与管道运输李海洲煤炭科学研究院唐山分院1998第六图书馆第六图书馆荽埠嬲蛘，器礁水力采煤与管道运输第 2 期 ⋯妲⋯ ～ 5 ． 1 提高水力落煤水能利用率的问题水力落煤是水力采煤耗能嚣太的生产环节，提高水力落煤水能利用率是水采矿井节能、提效的关键。这个问题主要包括提高水枪射流质量和提高供水效率。 5 ． 1 ． 1 提高水枪射流质量。水枪射流属于稳定连续高压大流量射流 4 MP a P 2 O MP a ，喷嘴直径大于 L 5 c m 下简称水射流。提高其质量的目的在于把水力落煤所需要的动压力、冲击力和高速水能更多地施加到煤壁上。进入水枪喷嘴的水流除具有高压和一定流速之外，还具有一定的湍流度，即水质点的径向运动。在通过喷嘴时，压力变为动能，流速急剧增加，湍流度也随之加剧。喷出喷嘴的射流表面又和周围相对静止的空气发生摩擦，射流中水质点的径向运动进一步发展成为水和空气质点的混流换位，空气被卷吸进去，形成气液两相的边界层；射流开始扩散见图 1 1 ，空气被卷吸进射流，形成空洞；当这些空洞被射流高速带走时，对周围空气形 j ． Z 、 l 图 u连续水射流结构 l 一全{ 葭相等建棱f 2 一过谜层； 3 一气液两流层成负压，又把更多的空气卷吸进去；如此发展下去，随距离的增加，气液两相射流边界层向里外扩展，射流进一步扩散开来。在一定距离之外，气液两相射流边界层侵入到射流中心，连续单一的液相射流完全转化为气液两槽射流。靠近喷嘴未被空气侵入的液相射流部分，具有和喷嘴出口同样的流速动压力，形成全液相等速压核包含高速核的射流部分维普资讯第六图书馆第六图书馆水力采煤的落堞问题第 2期称为射流起始段全部转化为水滴和空气混合时射流部分称为气液两相射流段在两者之间还有一个过渡射流段、液相射流虽吸进空气，但尚未完全断开。过渡射流段、气液两相射流段台称为射流基本段。一般来说在水压低，喷嘴几何形状合理，喷嘴直径太，加工精度高，喷嘴前水流湍流度低，空气处于静止或顺流条件下，空气侵入的速度就小，射流从液相向气液两相转化就慢，密实性就好，质量就好反之射流从液相向气液两相转化就快，密实性就差，质量就差。射流质量好坏可简单用起始段扩散角 n 来表示，质量好的水射流一般不超过 r3 O ，，最多不超过 3 。。 B 水射流动力学参数。 1 射流动压力指射流轴向动压力，是一个脉动值．其分布示于圈 1 2 。射流喷出喷嘴后扩散开来，横截面积逐渐扩大。其轴心动压力在起始段内等于喷嘴出口动压力，随后急刚衰减．但衰减的速度逐步减慢见图 1 3 。横截面上动压力从射流轴 5 - 沿半径衰减，类似高斯正态分布形式，随横截面积沿射流轴向的增大，动压分布曲线从高变低，从窄而陡变为宽而缓见图 1 2 。 a 、射流轴心动压力沿射流轴线变化可用下式表示笼 c 式中， P 分别为喷嘴出口和在射流横截面上点的射流轴心动压力；厶为射流起始段长度；为射流轴心动压力衰减的指数，在射流起始段 O ；在射流过渡段 o ．；；在两相射流段 o ． 8 ～1 } 射糖顺量越好值越小。流 i r 圈 1 2 水射流动压力分布曲线射流基本段横截面上动压力分布，可式中为射流横截面上半径为 r点的用下式瓮一篆筹笔维普资讯第六图书馆第六图书馆 1 9 9 8年 6月水力柬爆与管道运输第 2期为自然对数之底。 2 射流冲击力，距喷嘴出口某一距离￡上水射流对垂直于射流轴线平面上总的作用力射流喷出喷嘴之后，冲击力 n 开始随距离增加而增加，在一定距离上 L - l S 0 d。达到最大值 n⋯ j ’ ≤ 为喷嘴出口处理论冲击力， 2 A P o ， A为喷嘴出口面积，然后随距离的增加而逐步下降，射流冲击力的变化规律可用冲击力和距离的无因次量的函数来表示，参见图 1 3 。 n ， n FL j 10 ，．EL／ d o 图 1 3 射流轴线动压力和}巾击力变化曲线一射漉轴线动压力分布曲鲤F 6 一射流冲击力变化曲鲤 3 射流能量传递效率釉水射流在空气中飞越一定距离￡传递给垂直其轴平面的实际功率与喷嘴出口功率之比，可用下式计算瓠 M o 8 式中 o 、 M 分别为射流水的质量流量和￡距离上的射流总质量流量 1 e g s 。一般．来讲， M Mo ，一。因射流质量好 o 坏，一4 0 ％～7 ％综上所述，质量好的水射流表现为扩散角小．轴向动压力和横截面上轴向动压力髓距离增加衰璩慢，冲击力和能量传递效率随冲击距离增加衰减慢。在这些条件相同的情况下，射流动压力和冲击力决定于水枪出口水雁．喷嘴直径和冲击距离，在水压降低不多和冲击距离相同的情况下，采用较大的喷嘴较大流量，射流动压力、冲击力和能量传递效率较大，这就是说可以把更多的动压力、冲击力和高压水能送到煤壁上 5 ． 1 ． 2 提高高压供水系统能量利用效率。高压供水系统包括高压供水泵、供水管路和水枪等环节，高压供水系统总教率弛可用下式表示 e ‘ f 9 式中为供水泵效率， 7 0 ％新泵～j 0 ％多次大修的旧泵；为供水管路效率 8 0 ％～9 0 ％；为水枪射流总效率，，其中； ‰ 为水枪效率常用的上海一 1 4型，水枪札；9 4 ％；吕一4 型水枪弛 8 0 ％， L w 水抢一9 8 ％；为 j ～1 j m射流能量传递效率0 ；上海一l 4 型水枪． 6 0 ％} 吕一4型水枪， 5 3 ％； L w 型水枪， 7 5 ％．由上可知，上海一 1 4型水枪， j 6 ％；吕一4型水枪， ‰ 4 4 ％； Lw 型水枪，一7 4 。采用不同的水枪，如果高压供水效率 7 0 ，供水管路系统效率 9 0 ，则采用；上海--1 4型水枪， ‰ 7 0 9 0 6 3 5 ；吕一4 。型水枪，一7 0 9 0 4 4 一2 8 ％； L w 型水枪，弛 7 0 ％9 0 ％7 4 ％； 4 7 ％．这一组数字使人们感到吃惊，选用最好的 L w 型水枪也仅有 4 7 的供水系统的电能施加到煤壁上，如选用吕一4型水枪近 3 ／ 4的供水系统电能被无甩功消耗掉了。还有一个问题必须谈清楚的是高压水能质量问维普资讯第六图书馆第六图书馆 1 9 9 8年 6月水审采堞的落堞问惠第 2期题，由于只有 P≥尸，落煤能耗 E才最低并等于有效落煤能耗 ’ 蠡，如果 PE ．同 R 我们认为 PP 的高压水能是质量不合格水能， P≥』箍的高压水能是质量合格水能因此在讨论高压水能利用时，还必须引入一个水能质量效率。一警 1 o 当 PE 时，，选用高效供水泵 ≥ 7 0 ％ i 降低供水管路阻力，特别是直径最小的跟枪水管阻力，适当增加其直径并使其管径≥ 1 5 0 mm 固母1 0 0 mm的管俚是 ∞1 5 0 mm管阻的 8 ． 6 倍，是睨 0 0 mm管阻的近4 O 倍。假如一条 2 0 0 01 1 “1 长管路，其中 2 0 0 m m 的管路长 l 9 0 0 m， 1 0 a mi l l 的管路长 i 0 0 m，其中管长占 1 ／ 2 0的 1 O O mm的管阻却占全部管阻的 7 O ；选用水力性能好的水枪和高质量喷嘴，并在 P≥p 前提下增加其直径，保证射流质量扩散角 ≤ 2 。是至关重要的。 5 ． 2 采用大直径喷嘴问题为了最大限度地充分利用高压水能，提高水枪落煤能力，应该在保证喷嘴出口水压不小于有效落煤水压的前提下，尽量采用大直径喷嘴由 5 ． 1 ． 1可知在射流基本段 o 。，，，， p D， n 、Pz．o o 和 no 。，即射流能量传递效率．轴线动压力和总冲击力在一定距离上均随喷嘴直径正变。由此以提高射流能量传递效率，把更高的射流动压力和更大的射流冲击力施加到煤壁上，提高射流破煤能办。水力落煤高压供水方程为 H 摹 H 掉 I O O PRQ 1 2 式中Hi 供水泵压 m ； H 泵枪标高差 m ； J 喷嘴出口水压 MP a ； R 泵～水枪喷嘴出口管阻系数，可通过测量求出； Q水枪流量 m l h 。 Q为水枪流量可用下式求得 -__●_●___●_●__一 Q一 1 ． 1 8 d 1 O O P‘ 1 3 式中喷嘴直径 e ra 。公式 1 2 及之间的关系可用图 1 4 进行示意性描述，当喷嘴直径为 d 时，对应的供水泵工况点的供水压头为 H ．流量为 Q ．管阻为只。，喷嘴出口压力为 l O O P -大于煤层有效落煤压头 l O O P n 若喷嘴直径增加导致流量增加，但不能越过 P 的界限，必须保证 I O O P ≥l O O P 图 1 4 水力采煤落煤供水示意基于煤层有效落煤水压 P 是一个压力范围，所以最大喷嘴直径可以利用水力落煤的基本规律图 1 4 ，在有效落煤电耗不增的前提下，通过试验选用最大的喷嘴直径，增大水枪流量。待续维普资讯第六图书馆第六图书馆