硕士毕业论文全文煤矿主井装卸载系统粘煤堵塞问题研究3.docx

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硕士毕业论文全文煤矿主井装卸载系统粘煤堵塞问题研究3

4.空气炮在井下料仓粘煤清堵中的应用试验研究

4.1空气炮的系统组成及工作原理

空气炮，又叫破拱助流器或者清堵器，是以压缩气体的突然释放形成冲击力的一种装置。

空气炮适用于对混凝土、钢、木或塑料制成的仓斗进行清堵。

空气炮以压缩气体为动力源，将压缩气体通过气冲装置突然释放，形成强烈的喷爆气流，气流的速度可以超过声速，直接冲击架拱的堵塞区域，由压缩空气形成的气流具有很大的冲击力，这种冲击破坏了物料间的静摩擦，使容器内储存的物料恢复下落。

空气炮是利用空气动力学原理，工作介质为空气，通过一可实现自动控制的快速电磁阀和差压活塞装置，瞬间将压缩空气的压力势能转变为空气的喷射动力能[36]，可以瞬间产生强大的冲击力。

空气炮结构简单、使用安全方便，且其冲击力大，易于实现自动控制，放炮时不损伤仓斗[37]，是目前最理想的破拱助流装置。

空气炮清堵装置主要由空气储气罐、气冲装置[38-44]、二位三通电磁阀、空气过滤减压器、单向阀、球阀等元件组成，空气炮结构见图4-1。

图4-1空气炮结构图

Fig.4-1Installation drawingofaircannon

1.球阀2.单向阀3.空气过滤减压器

4.二位三通电磁阀5.螺纹接头6.气冲装置7.气罐

打开空气炮进气球阀，空压机产生的压缩空气经单向阀、空气过滤器及电磁阀进入气冲装置，然后进入储气罐，当储气罐内的压力达到设定压力时，停止充气。

当料仓发生堵塞需要空气炮喷爆破拱时，接通电磁阀的控制开关，气冲装置两端失去平衡，活塞在气体的压差作用下迅速打开，空气炮内的压缩集体急速膨胀，通过空气炮的喷管进行加速，气流的速度以超过音速的速度喷射而出，空气炮喷出的强烈气流直接冲击料仓的堵塞区域破拱助流，释放能量，清除堵塞区域。

空气炮的动作过程如下：

①开启进气阀，压缩气体经由S进入气缸A，如图4-2所示；

②活塞P在压缩气体的作用下，移向位置C封闭贮气罐D，此时气缸壁上的进气孔打开。

压缩气体通过A，进入空气炮的腔体中，此时空气炮可以随时进行喷爆破拱。

如图4-3所示。

图4-2空气炮的动作示意图（a）

Fig.4-2Actiondiagramofaircannon（a）

图4-3空气炮的动作示意图（b）

Fig.4-3Actiondiagramofaircannon（b）

③开启电磁阀，气冲装置两端平衡状态被打破，这时空气炮腔体中的压缩气体经过喷爆管在极短的时间之内喷射出去，如图4-4所示。

图4-4空气炮的动作示意图（c）

Fig.4-4Actiondiagramofaircannon（c）

空气炮的储气腔容积是固定的，不断的向储气室内充入空气，储气室内的空气压力将会不断升高，储气室内的空气被压缩具有了压缩能。

当空气炮罐体压力达到工作压力时，储气罐内的压力与管路压力相等，此时系统处于平衡状态。

图4-5中：

为罐内压力；为管路压力；、为绝对温度；、为气体密度；、为流速；为空气炮贮气罐体积；为音速；为气体指数，取其值1.4；为出口断面积；为气体常数。

图4-5系统状态参数构成图

Fig.4-5Structurediagramofsystem’sstateparameters

在系统平衡的状态下，气体的任一参数变化都会打破系统的平衡。

当=，压力比=1，此时气体不发生流动。

当<，系统失去平衡，空气炮活塞在压力作用下开启，此时喷爆口被打开，压缩气体在压差作用下喷爆而出。

当压力比，（=1.4）将其值代入得到，此时喷爆气体流速达到音速。

喷爆气流的流速可以用（4-1）公式表达：

（4—1）

通过式（4-1）可知，气体的喷爆流速与、、等参数有关

根据连续性方程：

（4—2）

将上式取对数整理得到：

（4—3）

（4—4）

。

（4—5）

当气体流速小于声速时，气流的截面变小流速会增加；当气体流速大于声速时，气流的截面变大流速会增加。

根据此原理，空气炮内的压缩空气受到压力不平衡的作用，刚刚开启时，气体开始膨胀，速度较小，经过空气炮喷管后，空气炮喷爆气体的流速开始增加，达到音速。

气体以音速冲出喷爆口时，喷爆气流截面近似无限增大，随着压缩气体的膨胀，气体速度进一步增加，此时气体的速度超过音速。

煤仓或者箕斗内的物料受到超音速气流的冲击，自身的内摩擦被破坏，起拱架桥的部位被破坏，产生落块从仓内流出，堵塞的原煤下落后解除了堵塞。

空气炮发出的这种瞬间冲击波能够有效地清除堵塞[38]。

由于空气炮的喷爆时间极短，热交换也很小，可以把空气炮喷爆过程看作气体的绝热膨胀。

空气炮压缩气体膨胀所做的功可由式（4-6）求出：

（4—6）

式（4-6）是理论值，没有考虑损失等因素。

可以看出，相同的充气压力和容量时，空气炮的喷爆时间越短，喷爆的气体流速就会越大。

空气炮的喷爆能力与空气炮的参数设计密切相关。

4.2空气炮用于井下料仓的清堵

4.2.1煤的内聚力

煤的粒度在1厘米以下并且含水量超过10%时，煤的颗粒之间有较大的内聚力。

内聚力主要包括煤的内摩擦力和粘结力。

当细煤粉的含量增加或者水分在一定范围内增加时，煤的内聚力会随之增大，当煤中的含水量继续增加，达到一定程度时，过多的水使得煤呈现泥浆状，此时煤的内聚力又会随着含水量的增加而减小。

井下料仓的堵塞主要是内聚力较大的煤粘结起拱形成的，研究煤的内聚力有助于找到合适的清堵方式。

随着煤中含有自由水分的增加，颗粒间形成水膜，在气水交界面上产生表面张力，增加了煤的粘结力，因而引起煤的压实和粘结。

当颗粒尺寸愈小，所表现出的粘结力愈大。

当粘结力的增加超过煤的重力时，1带处的煤受到的自身粘结力大于其自身的重力，不会掉落，首先在放出口就形成了阻滞带。

煤仓中的煤趋向于固体的性质，这时粉尘状的细末煤起着重要作用，它会在长期的贮存中使煤和矿石失去松散性，而具有粘结性。

随着存料高度的增加，上层压力加大，煤和矿石的粘结和结块的危险程度也增长。

逐渐形成了自然均衡拱和阻滞带，有时达到相当大的高度。

因此内聚力C值不可忽视。

但当水分继续增加到一定值后，由于煤或矿石颗粒间空隙中水分逐渐饱和，破坏了颗粒间形成的水膜和表面张力，因而内聚力又有所降低。

在一定范围内，煤的内聚力随着含水量增大而增大，但当含水量达到一定值后，内聚力则又随着含水量的继续增长而降低。

煤的内聚力随含水量的不同而变化的示意图如图4-6所示。

图4-6煤的内聚力与含水量的关系示意图

Fig.4-6Thecontactdiagrambetweencoal’scohesive forceandwater content

料仓内煤的内聚力除了与煤的粒度和湿度有关外，还与煤的压实度有密切的关系。

在压实度增加的情况下，细小的煤粉进入到粗颗粒之间使其组织加密，煤的粘结力因此加强。

煤进入料仓时，由于自身的自重和下落时的动力冲击，使得仓内的原煤压实度大大提高，煤中的水也会促进原煤的沉降和压实。

对于有粘结性的原煤，会由于压实性提高而失去松散性。

当原煤的含水量很小时，原煤被压实后在溜放时又会恢复其松散性，当原煤的含水量较大时，原煤被压实后就难以在重力的作用下恢复其松散性，此时就需要借助外力。

井下料仓装煤时，仓内的物料处于被压实状态，当井下料仓卸载时，仓内的物料处于被松散状态，一般来说，物料的松散作用比压实作用要大的多，压实作用可使容重增加百分之几，而松散作用却可使容重减少百分之几十。

当料仓伤口装载下口同时卸载时，松散带比压实带扩散的快，在仓内不易形成压实带，堵塞的情况也回大为减少。

研究表明，料仓上部装料时比物料稳定流动时在仓内物料中产生的竖向压实应力要大的多。

当料仓上口不断装载，下口又处于关闭状态时，料仓内的煤受到冲击作用，压实度不断提高，容易在料仓中形成堵塞，因此在料仓的使用过程中应尽量避免下口长期不溜放。

对于井下料仓内的原煤来说，减少其含水量是比较困难的，虽然可以向料仓中加过量水使煤的内聚力降低，进而减轻堵塞问题，但是注水清堵会加重运输系统的负担，还有可能引起跑仓事故。

改变计入料仓的煤的颗粒组成也是很困难的，所以通过减少煤的内聚力来解决堵塞问题的方式是不可行的，但是可以通过其他手段破坏煤的内聚力，达到清堵的目的。

使用空气炮进行井下料仓的清堵是一种科学可行的手段。

4.2.2用空气炮进行清堵的优点

空气炮是利用储气室内的压缩气体在极短的时间喷出形成的强烈气流进行清堵的。

压缩气体的突然释放，经过空气炮喷管的加速，气流速度可以超过音速，形成膨胀冲击波。

强烈的冲击气流破坏煤的内聚力，使得料仓内的原煤恢复流动。

空气炮使用空气为工作介质，电磁阀打开后，气冲装置在气体压差作用下开启，空气炮内的压缩气体急剧膨胀，空气的压缩能转变为空气射流，具有很强的冲击清堵能力。

空气炮的主要特点概括如下：

（1）喷爆力强劲有力，冲击力强，安全可靠；

（2）维护简单，使用无污染；

（3）使用的物质是空气，不会向料仓中混入其他物质，不会压缩料仓内原料；

（4）喷爆后活塞立即复位，可以阻挡料仓内脏污物质反串入空气炮并且可以短时间内进行下一次喷爆；

（5）使用寿命长，控制简单，可方便实现现场控制和远程控制；

（6）空气炮能够根据现场情况组合成系统，清堵效果更好。

空气炮喷爆气流速度高，能量强，使用的是自然中无处不在的空气，对环境没有污染，且使用空气炮进行清堵不会向里料仓中加入多余的物质，不会增加运输和提升系统的负担，是一种理想实用的破拱清堵设备。

使用空气炮疏通法[45]取代人工清理，注水清仓，机械破拱等这些效率低、安全性差的方法，保障了工人安全，提高了煤矿效益。

4.3空气炮冲击力测试

4.3.1冲击力测试平台的搭建

本测试试验系统主要用于测试空气炮喷爆的瞬态冲击压力，试验系统主要由空气炮、ZBM-0.067/8型空压机、过滤器、二位二通电磁阀、NIPCI-6014数据采集卡、数据采集软件、CYG1145型动态高频压力变送器及一台PC机组成。

高频动态压力变送器为测压元件，压力变送器采集到的数据通过数据采集卡进行A/D模数转换，以PCI总线与计算机连接，完成压力数据的采集过程，系统的软件开发基于Labview，软件的主要功能是实时波形显示和测试结果的分析及储存。

空气炮冲击力测试系统如图4-7所示。

图4-7空气炮冲击力测试系统图

Fig.4-7Systemgraphontransientimpactexperimentofaircannon

图4-8空气炮冲击力测试实物连接图

Fig.4-8Thephysicalconnectiondiagramontransientimpactexperimentofaircannon

测试系统的工作过程为：

由空气压缩机出来的压缩气体先经过空气过滤器过滤掉杂质和部分水分，经过过滤后的压缩空气进入到空气炮中，此时空气炮处于待发射状态。

接通电控箱上的开关后，电磁阀动作，空气炮的气冲装置失去平衡打开，空气炮内的压缩气体在很短的时间内急速膨胀，气流通过空气炮炮口的加速达到并超过声速，高速气流冲击在传感器的应力面上，高频压力变送器根据受到的冲击力不同输出不同的电压信号，电压信号被数据采集卡接收经过AD转换后输入到计算机中，计算机中的数据采集软件程序对采集到的数据进行处理后显示出波形和数据并加以保存。

（1）空气压缩机用于为空气炮提供压缩空气，空气压缩机的型号是ZBM-0.067/8。

空气炮的工作压力是0.4～0.8MPa，此款空气压缩机可以满足试验充气要求。

空气压缩机的参数如下

排气压力：

0.8Mpa   

容积流量：

0.067M3/min

储气罐容积：

 8L 

功率：

1.1KW

电源：

220V/50HZ      

电流：

6.5