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[摘 要] 本文提出了回收重复利用综采工作面“三机”冷却水的数学模型。根据陕北矿业公司韩家湾2402综采工作面基础资料，通过计算得到了该工作面“三机”冷却水回收要求的回水管径等参数，并实施了冷却水的现场回收再利用，工作面三机设备冷却水的回收率达到100%，经济效益显著。
[关键词]综采工作面；机电设备；冷却水；回收
中图分类号：TD821 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）24-0381-02
综采“三机”设备指刮板运输机、桥式转载机和破碎机。本文介绍的“三机”，冷却水消耗量大约为170m3/d（按“四六”工作制计算）。目前大多数矿井处理三机冷却水的做法是直接将其排放到工作面生产现场，这样既浪费了水资源，又恶化了现场工作环境，致使生产的煤炭含水量增加、从而降低了煤炭发热量，不仅增加了生产成本而且降低了煤炭销售价格。
回收综采工作面机电设备的冷却水总体上分两种：一种是已知采煤工作面地质和供水系统的基本概况，来求解符合各类机电设备冷却水回收要求的回水管径等参数；另一种是已知所使用的回水管径，来求解在该管径下所能满足的工作面最大回水时机电设备冷却要求等参数。根据流体力学的原理，推导冷却水回收通用计算公式，使之适用于井下采煤工作面机电设备冷却水回收的一般情况。本文着重就方案一进行系统分析。
一、冷却水回收通用计算公式理论分析
由于韩家湾煤矿2402综采工作面上、下两端头为，刮板运输机机尾高、机头低的情况，本文仅对这种情况下刮板机机尾的回水管径求解公式进行推导（转载机、破碎机、刮板机头的推导过程类似，不做详细分析）。
在上述条件下，已知基本参数为：工作面长度L=261，工作面上、下端高差h，工作面煤层倾角θ，顺槽走向倾角β，刮板机机尾至冷却水回收水箱的距离s=L，刮板输送机机尾冷却水量q=50L/min，工作面各机电设备内部供水管路的承压能力及回水背压。
1、刮板机机尾冷却水回收参数计算
设刮板输送机机头处为比位能的零面，则根据粘性流体总流的伯努利方程可知
Z1++hf+hr=Z2+ （1）
式中Z2为刮板输送机机尾处冷却水的比位能，此时Z2=0，P2为刮板输送机机尾处冷却水的比压能，γ为流体的密度，α为动能校正系数，据实测，在紊流中α=1.05-1.10，在一般工程计算中，也可取α=1；2为刮板输送机机尾处冷却水的流速；g为重力加速度；Z1为冷却水回至回收水箱处的比位能，此时：Z1=ssinθ；P1为冷却水回至回收水箱处的比压能；1为冷却水回至回收水箱处的流速；hf为回水管路中流体沿程摩擦阻力能量损失；hr为回水管路中流体由于管路接头和弯头局部阻力能量损失。
若认为回水流速在整个过程中变化不大，而且比压能刚好满足回水要求，则1=2，P1=0。由式（1）可知
=Z1+hf+hr（2）
其中：hf=；hr=nξ接ξ弯，P2与减速机、电机内部管路的承压能力及回水背压有关。
式中：λ为沿程阻力系数，可通过查莫迪图得到。L为回水管路长度；d为回水管路直径；v为冷却水回水流速；n为回水管路接头个数，n=+1；ξ接为回水管路接头局部阻力系数；ξ弯为回水管路弯头局部阻力系数。ξ接和ξ弯均可通过查表得到。
因为=，所以式（2）是一个关于回水管径d的方程，解此方程，可求得满足刮板机尾冷却回水要求的管径。
二、2402综采工作面冷却水回收设计
1、2402综采工作面冷却水进、回管路如图1所示。
1、BPW-315/16型喷雾灭尘泵站及泵箱。2、转载机电机及减速机。3、破碎机电机及减速机。4、刮板运输机机头电机及减速机。5、刮板运输机机尾电机及减速机。6、冷却水回收水箱及潜水泵。7、转载机冷却水回水管。8、破碎机冷却水回水管。9、刮板机机头冷却水回水管。10、刮板机机尾冷却水回水管。11、冷却水总进水管。12、冷却水总回水管。
2、冷却供水管路
在皮带顺槽至工作面250m处，使用BPW-315/16型喷雾灭尘泵将冷却水增压至5-8Mpa，通过DN32管路送至工作面，采用多分将冷却水分为四路。一路直接将冷却用水引至转载机、破碎机、刮板输送机机头，对其电机、减速机进行冷却，其中电动机与其配套的减速机采用串联冷却方式。第二路引入刮板运输机机尾。第三路引入采煤机。第四路引入液压支架喷雾灭尘管路，用以消除工作面空气中的煤尘。在冷却水进入设备之前，必须先经过减压阀，将水压降低到3Mpa以下，方可通入机电设备冷却系统。
3、回水方案
在刮板机机头位置，安装一个500*500*1000mm冷却水回水箱。转载、破碎、刮板头、刮板尾四路冷却水分别由不同管径的回水管路回收到此水箱内，再由一台7.5kw潜水泵将回收水抽排至喷雾灭尘泵泵箱，完成冷却水回收，实现循环利用。
由于采煤机移动性强，回收管路铺设难度大等原因，目前还未对采煤机各电机冷却水进行回收。
4、水压和水量参数
根据相关资料显示，机电设备内部冷却管路的标称承压能力应小于等于3MPa，机电设备冷却水出水口水压为2.4MPa，即2.4Mpa≤回水背压≤3.0Mpa。主供水管路的水流量为315L/min，采煤机冷却水出水口的流量为120L/min，后刮板输送机的冷却水流量为50L/min；转载，的冷却水流量为30L/min，破碎机的冷却水流量为25L/minx。刮板输送机内部水压损失为0.6Mpa。
三、综采工作面各设备冷却水回收实践
1、符合刮板机机尾冷却水回收的参数
根据设计基础资料，可知：Z2=0，=142.8633m，Z1=5.4075m。经计算知：Re=61243；查莫迪图得，λ=0.020；查表得ξ接=1.500，ξ弯=0.883。
将上述各数据代入式（2），可求得满足采煤机冷却水回收要求的回水管径d=20mm。
考虑到工作面现场的生产条件较为复杂，有可能回水摩擦阻力和局部阻力大于所计算的值，所以刮板机尾冷却水回水管径d的取值应偏大，实际取d=25mm。
2、保护装置
为了避免由于回水管路弯折引起回水压力过大而损坏减速机、电机内部冷却管路，应在冷却水出水口处设置安全阀，其卸载压力为2.4Mpa。
3、此外，为保证回至水箱内的冷却水不至温度过高而影响其对机电设备的再次冷却作用，除冷却水沿线管路自然降温外，将冷却回收水与补充水源在喷雾灭尘泵泵箱内混合，再作为机电设备的冷却水源重新利用。
4、根据现场实测转载机、破碎机、刮板机机头冷却水进水温度为20.5℃，刮板机机尾进水温度为18℃。均满足机电设备冷却水进水温度不超过25℃的规定。
四、结语
本文提出的机电设备冷却水回收技术在陕北矿业公司韩家湾矿2402综采工作面进行了现场应用，验证了以流体力学知识推导的冷却水回水计算公式的正确性，利用该公式计算所得的管径能满足综采工作面生产现场机电设备的冷却水回水要求，既创造了良好的工作环境，又节约了水资源，提高了经济效益。
参考文献
[1] 杨树人.工程流体力学 石油工业出版社，2006年.
[2] 孔珑.流体力学（Ⅰ）高等教育出版社，2004年.
[3] BPW-315/16型喷雾灭尘泵 南京六合煤矿机械有限公司.
[4] SZZ900/315型转载机中煤张家口煤矿机械有限公司.
[5] PCM200型锤式破碎机中煤张家口煤矿机械有限公司.
[6] SGZ900/1400刮板运输机中煤张家口煤矿机械有限公司.
[关键词]综采工作面；机电设备；冷却水；回收
中图分类号：TD821 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）24-0381-02
综采“三机”设备指刮板运输机、桥式转载机和破碎机。本文介绍的“三机”，冷却水消耗量大约为170m3/d（按“四六”工作制计算）。目前大多数矿井处理三机冷却水的做法是直接将其排放到工作面生产现场，这样既浪费了水资源，又恶化了现场工作环境，致使生产的煤炭含水量增加、从而降低了煤炭发热量，不仅增加了生产成本而且降低了煤炭销售价格。
回收综采工作面机电设备的冷却水总体上分两种：一种是已知采煤工作面地质和供水系统的基本概况，来求解符合各类机电设备冷却水回收要求的回水管径等参数；另一种是已知所使用的回水管径，来求解在该管径下所能满足的工作面最大回水时机电设备冷却要求等参数。根据流体力学的原理，推导冷却水回收通用计算公式，使之适用于井下采煤工作面机电设备冷却水回收的一般情况。本文着重就方案一进行系统分析。
一、冷却水回收通用计算公式理论分析
由于韩家湾煤矿2402综采工作面上、下两端头为，刮板运输机机尾高、机头低的情况，本文仅对这种情况下刮板机机尾的回水管径求解公式进行推导（转载机、破碎机、刮板机头的推导过程类似，不做详细分析）。
在上述条件下，已知基本参数为：工作面长度L=261，工作面上、下端高差h，工作面煤层倾角θ，顺槽走向倾角β，刮板机机尾至冷却水回收水箱的距离s=L，刮板输送机机尾冷却水量q=50L/min，工作面各机电设备内部供水管路的承压能力及回水背压。
1、刮板机机尾冷却水回收参数计算
设刮板输送机机头处为比位能的零面，则根据粘性流体总流的伯努利方程可知
Z1++hf+hr=Z2+ （1）
式中Z2为刮板输送机机尾处冷却水的比位能，此时Z2=0，P2为刮板输送机机尾处冷却水的比压能，γ为流体的密度，α为动能校正系数，据实测，在紊流中α=1.05-1.10，在一般工程计算中，也可取α=1；2为刮板输送机机尾处冷却水的流速；g为重力加速度；Z1为冷却水回至回收水箱处的比位能，此时：Z1=ssinθ；P1为冷却水回至回收水箱处的比压能；1为冷却水回至回收水箱处的流速；hf为回水管路中流体沿程摩擦阻力能量损失；hr为回水管路中流体由于管路接头和弯头局部阻力能量损失。
若认为回水流速在整个过程中变化不大，而且比压能刚好满足回水要求，则1=2，P1=0。由式（1）可知
=Z1+hf+hr（2）
其中：hf=；hr=nξ接ξ弯，P2与减速机、电机内部管路的承压能力及回水背压有关。
式中：λ为沿程阻力系数，可通过查莫迪图得到。L为回水管路长度；d为回水管路直径；v为冷却水回水流速；n为回水管路接头个数，n=+1；ξ接为回水管路接头局部阻力系数；ξ弯为回水管路弯头局部阻力系数。ξ接和ξ弯均可通过查表得到。
因为=，所以式（2）是一个关于回水管径d的方程，解此方程，可求得满足刮板机尾冷却回水要求的管径。
二、2402综采工作面冷却水回收设计
1、2402综采工作面冷却水进、回管路如图1所示。
1、BPW-315/16型喷雾灭尘泵站及泵箱。2、转载机电机及减速机。3、破碎机电机及减速机。4、刮板运输机机头电机及减速机。5、刮板运输机机尾电机及减速机。6、冷却水回收水箱及潜水泵。7、转载机冷却水回水管。8、破碎机冷却水回水管。9、刮板机机头冷却水回水管。10、刮板机机尾冷却水回水管。11、冷却水总进水管。12、冷却水总回水管。
2、冷却供水管路
在皮带顺槽至工作面250m处，使用BPW-315/16型喷雾灭尘泵将冷却水增压至5-8Mpa，通过DN32管路送至工作面，采用多分将冷却水分为四路。一路直接将冷却用水引至转载机、破碎机、刮板输送机机头，对其电机、减速机进行冷却，其中电动机与其配套的减速机采用串联冷却方式。第二路引入刮板运输机机尾。第三路引入采煤机。第四路引入液压支架喷雾灭尘管路，用以消除工作面空气中的煤尘。在冷却水进入设备之前，必须先经过减压阀，将水压降低到3Mpa以下，方可通入机电设备冷却系统。
3、回水方案
在刮板机机头位置，安装一个500*500*1000mm冷却水回水箱。转载、破碎、刮板头、刮板尾四路冷却水分别由不同管径的回水管路回收到此水箱内，再由一台7.5kw潜水泵将回收水抽排至喷雾灭尘泵泵箱，完成冷却水回收，实现循环利用。
由于采煤机移动性强，回收管路铺设难度大等原因，目前还未对采煤机各电机冷却水进行回收。
4、水压和水量参数
根据相关资料显示，机电设备内部冷却管路的标称承压能力应小于等于3MPa，机电设备冷却水出水口水压为2.4MPa，即2.4Mpa≤回水背压≤3.0Mpa。主供水管路的水流量为315L/min，采煤机冷却水出水口的流量为120L/min，后刮板输送机的冷却水流量为50L/min；转载，的冷却水流量为30L/min，破碎机的冷却水流量为25L/minx。刮板输送机内部水压损失为0.6Mpa。
三、综采工作面各设备冷却水回收实践
1、符合刮板机机尾冷却水回收的参数
根据设计基础资料，可知：Z2=0，=142.8633m，Z1=5.4075m。经计算知：Re=61243；查莫迪图得，λ=0.020；查表得ξ接=1.500，ξ弯=0.883。
将上述各数据代入式（2），可求得满足采煤机冷却水回收要求的回水管径d=20mm。
考虑到工作面现场的生产条件较为复杂，有可能回水摩擦阻力和局部阻力大于所计算的值，所以刮板机尾冷却水回水管径d的取值应偏大，实际取d=25mm。
2、保护装置
为了避免由于回水管路弯折引起回水压力过大而损坏减速机、电机内部冷却管路，应在冷却水出水口处设置安全阀，其卸载压力为2.4Mpa。
3、此外，为保证回至水箱内的冷却水不至温度过高而影响其对机电设备的再次冷却作用，除冷却水沿线管路自然降温外，将冷却回收水与补充水源在喷雾灭尘泵泵箱内混合，再作为机电设备的冷却水源重新利用。
4、根据现场实测转载机、破碎机、刮板机机头冷却水进水温度为20.5℃，刮板机机尾进水温度为18℃。均满足机电设备冷却水进水温度不超过25℃的规定。
四、结语
本文提出的机电设备冷却水回收技术在陕北矿业公司韩家湾矿2402综采工作面进行了现场应用，验证了以流体力学知识推导的冷却水回水计算公式的正确性，利用该公式计算所得的管径能满足综采工作面生产现场机电设备的冷却水回水要求，既创造了良好的工作环境，又节约了水资源，提高了经济效益。
参考文献
[1] 杨树人.工程流体力学 石油工业出版社，2006年.
[2] 孔珑.流体力学（Ⅰ）高等教育出版社，2004年.
[3] BPW-315/16型喷雾灭尘泵 南京六合煤矿机械有限公司.
[4] SZZ900/315型转载机中煤张家口煤矿机械有限公司.
[5] PCM200型锤式破碎机中煤张家口煤矿机械有限公司.
[6] SGZ900/1400刮板运输机中煤张家口煤矿机械有限公司.