青山礦滑移支架初撐力不足問題的分析與解決

楊志海，羅立強

(萍鄉礦業集團青山煤礦，江西萍鄉市 337000)

青山礦滑移支架初撐力不足問題的分析與解決

楊志海，羅立強

(萍鄉礦業集團青山煤礦，江西萍鄉市 337000)

青山礦采用滑移支架采煤工藝，經常出現工作面支架初撐力達不到要求。因此，對青山礦乳化液壓系統進行壓力損失計算和分析，得出液壓系統壓力損失在2 MPa左右，而泵站壓力為20 MPa，初撐力為19.6 MPa，得出工作面初撐力不足是由于同一泵站向多個工作面同時供液造成的。提出在每個采場的上部設置一個儲壓罐，可保證工作面支架的初撐力。

液壓系統；壓力損失；初撐力；儲壓罐

0 引 言

青山礦煤層平均傾角80°，屬于急傾斜煤層，當煤厚大于8 m時，采用分層開采方法，并于2009年開始使用并聯式滑移支架，工作面兩出口處采用單體液壓支柱加金屬頂梁加強支護。礦山現有液壓泵站型號為RB-80/200，公稱流量為80 L/min。但隨著滑移支架采煤工藝在多個工作面的應用，經常出現工作面支架初撐力達不到要求，甚至出現單體支柱上升一段距離后反之下降的現象。因此本文對此問題進行分析與探討。

1 乳化液泵站工作原理

乳化液泵站通常稱為“兩泵一箱”，由兩臺乳化液泵和一臺乳化液箱組成。乳化液泵由電機帶動，通過柱塞往返運動改變缸體容積的大小完成吸排液過程，將低壓乳化液轉換為高壓乳化液。乳化液泵的額定流量和壓力是由柱塞的直徑、個數、行程、往返次數及泵的容積效率等本身參數決定的，與乳化液箱的容積無關，只需保證乳化液箱中液體足量即可。乳化液箱是乳化液泵站的乳化存貯器，起著配比乳化液、過濾、沉淀乳化液及向乳化液泵提供潔凈的乳化液等作用，其通過供液閥門向乳化泵提供乳化液[1]。

2 乳化液泵站工況及系統壓力損失計算

2.1 乳化液泵工作能力與支架工作特性匹配分析

2.1.1 支架的工作壓力與最高壓力分析

初撐力即為支柱依靠泵站壓力上升直至頂板所達到的最大壓力。支架的初撐力來自于乳化液泵站的輸出壓力，與頂板壓力無關。在頂板來壓的作用下，支架的工作阻力與頂板壓力將保持相對平衡的狀態。若頂板壓力大于支架的卸載壓力，此時，立柱的安全閥將打開泄壓，使支柱下降，維持工作阻力與頂板壓力相對平衡的狀態。根據礦山滑移支架的特性，安全閥卸載壓力為42 MPa。此時，支架的工作阻力取決于頂板壓力，與乳化液泵站的初始壓力無關。當支架達到處于工作狀態時，支架內部乳化液的最大壓力為安全閥的卸載壓力42 MPa。

因此，對于礦上存在的支架初撐力不足的問題，應著重對液壓系統與支架特性匹配問題的分析。

2.1.2 乳化液泵輸出流量與工作面支架所需流量匹配性分析

工作面支架屬立柱內容積最大，當升柱完全時，所需乳化液7.2 kg，乳化液濃度按5%計算，故立柱所需乳化液容量為:體積＝質量/密度＝7.58 L；

若升柱時間按10 s計算，故此時支柱所需流量為:Q1＝45.5 L/min。

而現有液壓泵站型號為RB-80/200，公稱流量為80 L/min，故按此計算，現有液壓泵所提供的流量僅能供應2個工作面的單一立柱同時升柱(此時所算為升柱所需最大流量)。

2.2 液壓系統壓力損失計算

支柱達到工作狀態包括上升過程和承壓過程兩個階段。在上升過程中，液壓系統壓力的損失不會影響頂梁上升。當頂梁接頂后，進入承壓階段，支柱上升距離大幅減小，柱內壓力迅速增加直至液壓系統壓力，即為支架的初撐力。若液壓系統壓力損失過多，將會使得初撐力達不到規定的要求，造成工作面支護強度和高度等不符合要求。目前礦上存在多個工作面共同使用同一泵站的情況，但為了方便計算，在此假設工作面沒有其他任何操作，按泄露流量，計算此時液壓系統的壓力損失。

由于液壓輸送管路距離遠，支路較多，接頭多；另外，工作面支架數量較多，膠管接頭多，因此泄露點也多，這將造成較大部分的壓力損失。因液壓系統維護的不同，壓力損失在10%～20% 較為常見[2]，在此按15%計算。故支架在靜態時，系統中泄漏量為0.2 L/s。

根據壓力損失理論計算[3]:

式中，λ為沿程阻力系數；l為管路長度；ν為流速；d為管路直徑；ρ為液體密度。

式中，ζ為局部阻力系數。

礦山現有4個泵站，452泵站、四水平中央泵房泵站、西415泵站及482泵站，由于西415盤區沒有布置滑移工作面，現只對452泵站壓力損失進行計算。泄露量按0.2 L/s，管徑按0.032 m計算，液體運動粘性系數V取[2]4.3×10-5，故管路中液壓油流速:

雷諾系數:

故通過計算得知乳化液在管路中呈層流狀態，其沿程阻力系數λ＝64/Re＝0.34。

452泵站供一隊、二隊及三隊使用，因為三隊管路并聯在泵站系統上，壓強相等，故只需對管路最長的三隊(500 m)進行壓力損失計算即可:

下面進行局部壓力損失計算[4]，據統計，系統中沿途管道轉彎14處，局部阻力系數ζ1取為0.2，工作面節流閥2個，局部阻力系數ζ2取為5，故局部壓力損失:

支架的閥組、管接頭等元件的局部壓力損失Δ P3可由產品技術參數得知，取1.58 MPa。

故總的壓力損失ΔP＝ΔP1＋ΔP2＋ΔP3＝1.75 MPa。

從以上計算可以看出，系統壓力損失主要存在于支架的閥組、管接頭等元件的局部壓力損失，故可知其他泵站壓力損失也在2 MPa左右。

根據支架特性，初撐力為19.6 MPa，而泵站壓力為20 MPa，損失壓力為2 MPa，若泵站只供一個工作面使用，基本能滿足支架對初撐力的要求。但當單泵站同時向3個工作面供液時，每個工作面的液體流量是單一工作面供液時的1/3。當一工作面正在升柱時，另一工作面開始移架或升柱，就會“分走”一部分流量，造成瞬時壓力減小，將造成初撐力達不到要求，甚至出現單體柱上升一段距離后反之下降的現象。

3 結 論

通過以上分析和計算可知，工作面支架初撐力不足主要是由于泵站同時向多個工作面供液造成的，而系統壓力損失也對其造成一定的影響。首先需對對乳化液泵站進行良好的維護，及時清理及更換不合格的元件，讓液壓泵在最佳狀態下工作[5-6]。另外，在每個采區的上部設置一組儲壓罐(一般由4個儲壓罐構成)，泵站液壓首先輸送至各采區上部的儲壓罐進行儲存，各工作面支架所需液壓由其各自的儲壓罐提供，這相當于為每個采區配置了一個泵站，很好地解決了液壓系統支路的“分流”問題，保證了工作面支架的初撐力。

[1]史春祥，芮 冰.煤礦液壓支架用乳化液泵站[J].流體傳動與控制，2007，21(2):35-36.

[2]王冠民，劉慶利，孟 林，等.關于綜采液壓支架與乳化液泵的壓力配套分析[A].陜西省煤炭學會學術年會論文集[C]，2011.

[3]張維佳.水力學[M].北京:中國建筑工業出版社，2008.

[4]馬憲亭，張福來.液壓系統中壓力損失的分析與計算[J].煤礦機械，2009，30(9):26-28.

[5]莫華林，屈玉林.保證液壓支架初撐力的方法方探討[J].煤礦機械，2005，33(11):76-78.

[6]黃靖龍.液壓支架初撐力不足的原因及對策[J].礦山壓力與頂板管理，2002，24(3):24-26.

2015-11-09)

楊志海(1968-)，男，中級工程師，從事煤礦開采管理工作，Email:492511231@qq.com。