和世江

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

隨著智能化設(shè)備研究的逐步深入，先進(jìn)設(shè)備越來越多地應(yīng)用于煤炭開采技術(shù)當(dāng)中，智能化開采必然是煤礦綜采技術(shù)的發(fā)展趨勢［1］。目前，對(duì)煤礦綜采工作面遠(yuǎn)程供液領(lǐng)域的研究主要針對(duì)遠(yuǎn)程液壓損失，而遠(yuǎn)程供液技術(shù)的應(yīng)用研究較少［2］?；谛睖厦旱V23110綜放工作面生產(chǎn)條件，重點(diǎn)對(duì)遠(yuǎn)程供液技術(shù)的配套原則和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行論述，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型提供借鑒。

1 綜采面原供液設(shè)備布置

1.1 綜采面原供液設(shè)備布置方式

原綜放工作面泵站使用3臺(tái)BRW400/37.5型五柱塞乳化液泵和2臺(tái)RX630/70型乳化液箱，主進(jìn)液管為4D（4SH）-32-40MPa型高壓鋼絲纏繞膠管，主回液管為4-51-8MPa（GB）型高壓鋼絲編織膠管。串車設(shè)在皮帶巷,串車上搭載移動(dòng)變電站、組合開關(guān)、變頻器、泵站等設(shè)備，通過搬移式軌道,伴隨工作面回采推進(jìn)而遷移。

1.2 綜采面原供液設(shè)備布置缺點(diǎn)

綜放工作面供液設(shè)備的特點(diǎn)均為體積大、質(zhì)量大，同時(shí)由于工作面回采采動(dòng)壓力強(qiáng)力顯現(xiàn)，導(dǎo)致皮帶巷頻發(fā)底鼓現(xiàn)象，嚴(yán)重影響供液設(shè)備正常推進(jìn)。串車布置一般距切眼100 m，設(shè)備列車長180 m，串車行走需要至少2名工人協(xié)同配合操作，管路、電纜也得隨著挪動(dòng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，移動(dòng)頻率高，且影響開采效率。

1.3 改進(jìn)方向

為了避免設(shè)備列車頻繁移動(dòng)的復(fù)雜生產(chǎn)程序，將整個(gè)設(shè)備列車安設(shè)于停采線外，即輔運(yùn)大巷和膠帶大巷聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，通過管路將乳化液輸送至回采工作面設(shè)備當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程送液。

2 遠(yuǎn)距離供液配套設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)程供液配套原則

（1）供液系統(tǒng)因遠(yuǎn)程輸送會(huì)造成壓力損失，到達(dá)支架處的最末端供液壓力應(yīng)滿足液壓支架初撐力要求。

（2）優(yōu)選性價(jià)比高的管路設(shè)備，滿足安裝、維護(hù)便捷要求，適應(yīng)井下特殊惡劣環(huán)境。

（3）優(yōu)化供液方式，精確泵站輸出壓力、管路管徑、流量等相關(guān)參數(shù)，滿足遠(yuǎn)距離供液的壓力保障及工作面設(shè)備對(duì)乳化液的流量需求。

2.2 泵站參數(shù)

泵站的選型是解決遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)的首要難題。設(shè)計(jì)泵站安置于距離23110工作面1 860 m的輔運(yùn)大巷與膠帶大巷聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)。經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和分析計(jì)算后［3］，在充分滿足液壓支架活動(dòng)需求量前提下，綜合考慮設(shè)備自身損耗及富裕系數(shù)，乳化泵選用4臺(tái)BRW630/37.5型（2臺(tái)使用2臺(tái)備用），額定流量與壓力分別為630 L/min和37.5 MPa。搭配2個(gè)乳化液箱，混合液箱和回液箱容積均為1 000 L。

2.3 進(jìn)回液管路設(shè)計(jì)

參考綜放工作面液壓支架型號(hào)及數(shù)量，選用“兩進(jìn)一回”管路布置方式。由于輸送距離為1 860 m，考慮應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性，從泵站鋪設(shè)進(jìn)工作面的管路選取2路SSKV64型膠管，液壓支架進(jìn)液管選用DN50SS型高壓膠管，回液選取1路DN110鋼絲骨架管。

2.4 遠(yuǎn)程供液配套參數(shù)校驗(yàn)

在泵站與管路的參數(shù)明確后，為滿足高壓乳化液從泵站經(jīng)管路輸送到工作面支架時(shí)乳化液壓力不低于工作面機(jī)尾支架所要求的壓力，須計(jì)算壓力損失。由于主進(jìn)液管為SSKV64型膠管，供液管路內(nèi)徑101.6 mm。乳化液濃度為5%，所以管道內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)黏度μ=0.913×10-6m2/s。

雷諾數(shù)：

式中：υ為乳化液流速，1.37 m/s；d為供液管路內(nèi)徑，101.6 mm。

壓力損失包含沿程壓力損失h1、局部壓力損失h2、巷道高度落差壓力損失h3等［4］。

沿程壓力損失h1計(jì)算：

式中：λ為供液管路沿程磨阻系數(shù)，查表SSKV64型膠管絕對(duì)粗糙度Δ=0.06 mm，根據(jù)絕對(duì)粗糙度Δ/供液管路內(nèi)徑d，比值為0.000 59、雷諾數(shù)Re=1.52×105，判斷乳化液流態(tài)為湍流。查詢Moody圖獲取高壓膠管系數(shù)，取0.027；L為遠(yuǎn)程供液管路長度，1 860 m；υ為乳化液流速，1.37 m/s；d為 供 液 管 路 內(nèi) 徑，101.6 mm；ρ為 流 體 密 度，1 000 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算h1=2.723 MPa。

管道連接件、閥門、彎頭等造成局部壓力損失，該系統(tǒng)管路共計(jì)32個(gè)閘閥、10個(gè)直角彎頭。由連接件統(tǒng)計(jì)的數(shù)量計(jì)算：

式中：n1為閘閥個(gè)數(shù)，32；ε1為閘閥處阻力系數(shù)，取ε1=0.2；n2為彎頭個(gè)數(shù)，10；ε2為彎頭處阻力系數(shù)，取ε2=0.8。

經(jīng)計(jì)算h2=0.135 MPa。

高度落差壓力損失通常按100 m水柱的壓力降大約為0.1 MPa計(jì)算。巷道高度落差壓力損失計(jì)算：

式中：ΔH為巷道高度落差,指泵站到回采工作面標(biāo)高之差，升高160 m。

即h3=0.16 MPa。

對(duì)于遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)，系統(tǒng)供液壓力即管路出口壓力需滿足：

式中：Pb為泵站出口壓力，37.5 MPa。

經(jīng)計(jì)算Pm=34.482 MPa＞31.5 MPa。

通過配套系統(tǒng)的理論計(jì)算，遠(yuǎn)程供液設(shè)計(jì)足以滿足綜放工作面液壓需求。

2.5 通信技術(shù)

基于遠(yuǎn)程供液設(shè)計(jì)，雖然實(shí)現(xiàn)1 860 m遠(yuǎn)距離供液，但配套的通信技術(shù)也得滿足生產(chǎn)需求。為了提高遠(yuǎn)距離乳化液泵站主控器和順槽控制中心之間集中自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋岣哌h(yuǎn)控響應(yīng)的靈敏性，在順槽集中控制中心、遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)主控臺(tái)、工作面支架控制系統(tǒng)之間建立光纖通信，采用ModbusTCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)雙向通信技術(shù)［5］，解決控制信號(hào)傳輸?shù)臏笮詥栴}。

3 遠(yuǎn)程供液應(yīng)用及效果分析

3.1 遠(yuǎn)程供液應(yīng)用

根據(jù)流體力學(xué)中能量的損失規(guī)律與流態(tài)相關(guān)的知識(shí)［6］，乳化液流速同樣會(huì)造成供液管路的沿程壓力損失。選用智能變頻恒壓供液系統(tǒng)，其核心原理為變頻器采用調(diào)整電源的供電頻率實(shí)現(xiàn)乳化液泵站驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而對(duì)乳化液泵輸出的壓力進(jìn)行控制。在乳化液泵的泵頭處安設(shè)電磁卸荷閥，輸出管路的出口處安裝壓力、油溫傳感器，通過參數(shù)調(diào)整來控制乳化液泵的卸荷壓力，同時(shí)控制乳化液泵站的輸出壓力值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作面液壓支架供液管路中壓力恒定。

智能變頻恒壓供液系統(tǒng)大大降低了乳化液到達(dá)工作面的壓力損失程度，同時(shí)可以改善對(duì)液壓系統(tǒng)沖擊損耗，降低竄漏液發(fā)生頻率，提高供液管路、閥組使用壽命。皮帶頭繞道列車安設(shè)在輔運(yùn)大巷和皮帶巷聯(lián)內(nèi)，設(shè)備列車2安設(shè)在距皮帶巷口80 m位置，設(shè)備列車1安設(shè)在皮帶巷距切眼100 m位置。

圖1 遠(yuǎn)程供液方案

3.2 遠(yuǎn)程供液效果分析

（1）23110工作面遠(yuǎn)距離供液實(shí)施后，工作面支架靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)泵站出口與支架壓力變化趨勢一致，保證綜放工作面設(shè)備操作的流暢性；當(dāng)3個(gè)支架同時(shí)操作時(shí)，乳化液泵出口處瞬時(shí)壓力值為31.5 MPa，工作面尾端頭支架壓力值為28 MPa左右,能夠滿足現(xiàn)場設(shè)備操作的供液需求。同時(shí)，生產(chǎn)過程中，僅安排1名巡檢工即可保證生產(chǎn)穩(wěn)定性，減少了用人數(shù)量，提升了工作面整體智能化水平。

（2）采用遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)后，設(shè)備的能耗降低，同時(shí)可以改善對(duì)液壓系統(tǒng)沖擊損耗，降低竄漏液發(fā)生頻率，維修量及維護(hù)成本降低，提高了供液管路、閥組使用壽命。

4 結(jié)論

1）通過設(shè)計(jì)自動(dòng)化工作面遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)，可解決泵站串車隨工作面推進(jìn)頻繁移動(dòng)的復(fù)雜程序，提高智能化工作面推進(jìn)水平，對(duì)于深部開采特別是存在沖擊地壓的工作面，可顯著提高人員及巷道設(shè)備的安全性。

2）經(jīng)過對(duì)斜鉤煤礦23110工作面1 860 m遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)的供液壓力理論計(jì)算，并對(duì)選定的供液管路進(jìn)行驗(yàn)證分析，應(yīng)用效果可以滿足生產(chǎn)需求。采用ModbusTCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)雙向通信技術(shù)，對(duì)遠(yuǎn)程供液控制信號(hào)傳輸提供保障。