綜采工作面遠距離智能供液技術的研究

王 志

(晉能控股裝備制造集團 天晟電氣有限公司， 山西 大同 037010)

近年來，隨著我國煤礦產能置換加快，小型礦井陸續關閉，代表先進產能的大型礦井智能化綜采工作面建設是未來煤礦的發展方向。智能化綜采工作面對采煤、運煤等設備提出了更高的要求，綜采工作面的傳統設備技術方案創新變革已經迫在眉睫。

同忻礦8102工作面為雙獨島面，地質條件復雜，按照傳統供液方式，將乳化液泵站設備布置在順槽設備列車上靠近工作面處，將會導致巷道空間狹小，且存在采動壓力變化大、頂板來壓劇烈、巷道變形嚴重等問題[1-3]. 在實際工作中，設備列車移動困難，且移動過程中危險系數高、工人勞動強度大、巷道起伏易引起泵站吸空。為了解決上述問題，必須改變傳統的工作面泵站系統的布置方式，將泵站系統移出工作面，放置于工作面之外的聯絡巷道，進行遠距離供液。

1 現場工況

同忻礦8102工作面煤層走向1 399.6 m，工作面切眼長度250 m，煤層厚度18 m,儲量780.8萬t. 前、后部刮板輸送機配置2×1 200 kW電機；SL500采煤機總功率1 750 kW；ZF21000放頂煤液壓支架共147架(頭4尾5)，初撐力31.5 MPa；設計日產2.45萬t，采進4.3 m. 擬將泵站系統布置于工作面之外的聯絡巷，采液設備固定使用超高壓管道進行遠距離供液，供液管道最大長度為1 500 m，供液點與用液點高度差最大為48 m.

根據現場工況，遠距離供液必須考慮以下幾點：

1) 為保證可靠性，采用高端大流量泵站進行集中供液。2) 乳化液泵站采用變頻器驅動實現工作面的恒壓供液。3) 泵站供液系統采用智能化控制，實現集中分布式智能控制，可以實現遠距離操控泵站系統。4) 采用高壓軟管進行遠距離供液，供液距離1 500 m，高壓軟管適應大變形巷道，滿足遠距離供液壓力需求及流量需求。

2 集中供液系統方案設計

2.1 供液系統組成

泵站系統主要由乳化液泵站、噴霧泵站、組合變頻開關、集散控制系統組成，整個系統構成見圖1[4].

主要設備配置如下：

1) 乳化液泵站。主要由3臺乳化液泵、2個乳化液箱、供液站和乳化液自動配比裝置等設備組成。a) 乳化液泵。額定流量630 L/min，額定壓力37.5 MPa，連續可調，電機功率500 kW. b) 乳化液箱。工作介質：乳化液，總容積7 000 L. c) 供液站。額定流量2 000 L/min，額定壓力31.5 MPa，蓄能器容量60 L×2個，系統壓力傳感器0～60 MPa. d) 自動配比裝置。由控制箱、配比泵、乳化油箱、乳化液傳感器、循環泵等設備組成。

圖1 供液系統組成圖

2) 噴霧泵站。全系統為2泵1箱，1臺運行1臺備用，不銹鋼水箱，額定流量500 L/min，功率400 kW，額定工作壓力16 MPa，連續可調，水箱容積5 000 L.

3) 組合變頻開關。輸入電壓：3AC 1 140 V，額定輸入總電流：1 410 A，具備3個獨立的500 kW變頻輸出回路、2個大工頻輸出回路、11個小工頻輸出回路；3個獨立的500 kW變頻輸出回路為二象限運行方式，可對3臺及以下電動機進行變頻調速控制；工頻回路用于輔助供電及控制，如電動機冷卻風機、噴霧、凈水系統、自動配比系統電機等。

4) 集散控制系統。集散控制系統由集中管理系統、通信系統、分散控制監測系統等3大部分組合而成，既有集中管理的功能又兼有分散控制的功能。作為乳化液泵站的控制系統，主站PLC進行集中控制，各分站PLC則對現場進行分別控制，主站控制器和從站控制器將通過CAN 總線使二者相互連接，從而構成了主/從式可編程控制器集散控制系統。主站通過通訊接口可與其他系統進行通訊，便于智能化工作面的構建。

2.2 供液系統管路

同忻礦8102工作面遠距離供液長度為1 500 m，工作面集中供液點與用液點高度差最大為48 m。根據實際使用經驗，如果高差在100 m以下工作面回液可以回到集中供液位置液箱，回液中轉箱可以不加，如果高差太大回液困難就需要在距離工作面平緩段合適位置增加一套回液中轉箱靠高壓管道泵把回液打到集中供液位置液箱。根據泵站配置情況，遠程供液管路選用d88.9 mm×8 mm的特高壓軟管進行乳化液的輸送，回液管路采用d108 mm×8 mm的超高壓軟管，噴霧水的輸送采用d88.9 mm×7 mm超高壓軟管。管徑選取的合理性直接決定乳化液的供應是否滿足液壓支架初撐力及移架的使用需求。綜采工作面遠程供液管路系統見圖2.

1、9—高壓膠管 2、8—特高壓分流器組 3—特高壓安全閥組4—特高壓鋼管連接器 5—高壓彎頭 6—溝槽式特高壓閘閥7—特高壓壓力表總成圖2 綜采工作面遠程供液管路示意圖

2.3 管路壓力損失計算

供液系統管路在長距離供液過程中會有一定的壓降，損失主要由高度差、管路摩擦沿程壓力損失、局部元件壓力損失3部分組成。

1) 高度落差產生的壓力損失。

泵站位置距離用液點的高度落差為48 m，通常100 m水柱的壓力降大約為1 MPa，因此48 m的高度差壓力降大約為0.48 MPa.

2) 沿程壓力損失計算。

單臺泵流量：Q=630 L/min

管路內(直)徑：d=88.9-8×2=72.9 mm=0.072 9 m

因乳化液中95%為水，所以取水的相關參數。

管中流態為湍流，查表取無縫鋼管的絕對粗糙度Δ=0.05 mm，管路內徑為72.9 mm，查詢莫狄(Moody)圖可確定λ=0.021，則有達西-威斯巴哈方程：

式中：

h—摩擦力造成的揚程損失，m;

λ—沿程磨阻系數；

l—工作面推進長度，即管路總長度，m，取1 500；

d—管路內徑，m；

V—乳化液流速，m/s；

g—重力加速度，m/s2，通常取9.8.

式中，1 m水柱壓強為9.8 kPa，沿程壓力損失為：137.7×9.8=1.343 MPa

3) 局部元件壓力損失。

局部壓力損失主要由管道連接件、閥門及彎頭產生,局部壓力損失公式為：

式中：

Z—局部壓力損失，Pa；

ξ—局部阻力系數(可參考CALEFFI技術手冊)；

ρ—水密度，kg/m3；

V—水流速，m/s.

局部元件壓力損失總計：

則局部壓力損失為：62.99×9.8 kPa=0.62 MPa

4) 計算結果。

泵站系統額定工作壓力為37.5 MPa，液壓支架初撐力為31.5 MPa，系統允許沿程最大壓力損失為6 MPa. 經計算，長距離供液管路壓力損失總計為：0.48+1.343+0.62=2.443 (MPa)，遠小于泵站系統的允許的最大壓力損失。

2.4 智能供液

智能化供液系統主要包括自動配液、補液和智能變頻恒壓供液兩部分：

1) 自動配液補液。

控制系統根據乳化液箱內的液位高度控制電磁水閥的開啟進行補液，同時循環泵抽取液箱內的乳化液進行實時濃度檢測，自動控制配液泵的開啟和持續開啟的時間，從而達到用戶設定的濃度值，乳化液自動配液工作示意圖見圖3.

1、9—電機 2—配比泵 3—單向閥 4—電磁水閥 5—PH傳感器 6—濃度傳感器 7—檢測箱 8—電導率傳感器 10、14—空氣濾清器 11、16—液位傳感器 12—循環泵 13—乳化液箱 15、17—乳化油箱圖3 乳化液自動配液工作示意圖

2) 智能變頻恒壓供液。乳化液泵站配置3泵2箱，3臺泵電機分別由3個獨立的變頻回路驅動，控制系統采集外部壓力傳感器信號，根據當前的壓力值調節轉速，當1臺變頻器全速工頻運行仍不能滿足供液要求時，開啟第2臺泵，對應的變頻調節頻率控制壓力，達到工頻時開啟第3臺泵；反之，逐臺關閉。變頻器采用直接轉矩控制和恒壓供液算法，全程實時調整輸出轉速實現恒壓供液，可以節約電能，減少液壓對管路的沖擊。

3 現場應用結果

同忻礦8102工作面自2020年6月投入運營后，采用高端大流量泵站、變頻器驅動實現工作面的恒壓供液。對乳化液泵站輸出壓力波動范圍進行3個月的跟蹤測試，支架入口壓力在290～310 bar波動，與工頻泵相比，波形相對平穩，減少了對管路的沖擊，滿足要求。采用高壓軟管進行遠距離供液，供液距離1 500 m，高壓軟管適應大變形巷道，壓降在允許范圍，滿足遠距離供液對壓力及流量需求。

4 結 語

以綜采工作面遠距離智能供液為研究目標,根據現場工況對供液方案設計。現場應用表明，遠距離供液方案應用于地質條件較差、巷道變形嚴重的工作面，可以滿足工作面供液壓力的需求和流量的需求，解決了設備列車放置移動困難、耗費大量人力物力、存在安全隱患等問題，提升了工作面供液系統的可靠性，同時為智能化礦井建設打下良好的基礎。