煤礦采煤工作面遠(yuǎn)程供液技術(shù)研究與分析

金付申，張超，呂向陽

（國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000）

隨著科學(xué)的進(jìn)步、裝備的升級，煤礦采煤工作面走向長度不斷增加，如新疆哈密大南湖一礦1308采煤工作面走向長度已達(dá)3000m。該工作面煤層屬“三軟”煤層，煤層頂?shù)装鍖賹訝罱Y(jié)構(gòu)的極軟巖，圍巖極不穩(wěn)定，受采煤工作面回采礦壓擾動影響，巷道變形嚴(yán)重，底鼓量可達(dá)2m。設(shè)備列車布置在工作面膠帶運輸順槽距離工作面150m位置，拉移困難，影響回采效率。為解決該問題，較多煤礦采用遠(yuǎn)距離供電和遠(yuǎn)程供液技術(shù)，將設(shè)備列車移除出采動區(qū)，布置在固定硐室，既能夠確保煤礦安全高效智能化生產(chǎn)，又能提升智能化水平。目前較多專家針對采煤工作面遠(yuǎn)距離供液技術(shù)進(jìn)行研究，為采煤工作遠(yuǎn)程供液技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。如李占平結(jié)合陜西省旬邑縣清塬煤礦走向長度為850m工作面，設(shè)計采用遠(yuǎn)距離供電供液方案，通過技術(shù)論證、計算和實踐，證明了其可行性。張洋等結(jié)合李村煤礦綜采工作面實際情況，固定泵站遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)可以滿足供液距離2500m，并分析遠(yuǎn)程供液社會和經(jīng)濟(jì)效益。馬海波提出神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限公司棗泉煤礦22采區(qū)薄煤層綜采工作面應(yīng)用長距離供液技術(shù)解決設(shè)備列車移動隱患，取得了較好的效果。李兆眾以新疆某礦1103綜放工作面為例，分析不同管徑對液壓系統(tǒng)的影響，提出了有效合理的主供液管路選型方案，為遠(yuǎn)程供液技術(shù)管路選型提供理論基礎(chǔ)。目前針對遠(yuǎn)距離供電、液計算及現(xiàn)場應(yīng)用研究較多，筆者結(jié)合新疆哈密大南湖一礦采煤工作面設(shè)備現(xiàn)狀，暫不考慮遠(yuǎn)距離供電技術(shù)，計算校驗供液距離3000m的可行性，對遠(yuǎn)程供液進(jìn)行優(yōu)缺點分析對比，為煤礦遠(yuǎn)程供液設(shè)計提供參考。

1 概況

1.1 礦井工作面基本情況

大南湖一礦1308采煤工作面采用放頂煤開采工藝，走向長度3000m，設(shè)備列車和膠帶運輸機(jī)平行布置在進(jìn)風(fēng)順槽，巷寬5.2m，設(shè)備列車寬1.5m，膠帶運輸機(jī)機(jī)架寬1.6m，設(shè)備列車供液系統(tǒng)設(shè)備主要有BRW400/31.5乳化泵3臺、BPW-315/10噴霧泵2臺、乳化泵箱2件、清水泵箱1件、乳化泵組合開關(guān)1臺、乳化泵控制器1臺、進(jìn)液過濾站1臺、回液過濾站1臺、乳化液自動配比箱1件，設(shè)備列車每天根據(jù)回采情況拉移10～20m。該工作面采用ZF10000/20/32型電液控放頂煤液壓支架，在正常回采時，采煤機(jī)平均割煤速度為5m/min，最大牽引速度7.6m/min，液壓支架的移動量需要達(dá)到12.5S/架次，末端設(shè)計工作壓力必須達(dá)到31.5MPa以上，相對應(yīng)的乳化液泵站的流量需要達(dá)到400L/min以上，才能保證工作面液壓支架的正常動作。回采工作面設(shè)備冷卻供水系統(tǒng)分別為采煤機(jī)內(nèi)外噴霧設(shè)計供液壓力不低于4MPa，前部刮板輸送機(jī)、后部刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)驅(qū)動電機(jī)、減速機(jī)冷卻水設(shè)計供液壓力為1～4MPa。

1.2 采煤工作面供液系統(tǒng)

采煤工作面泵站供液系統(tǒng)采用一進(jìn)一回一噴霧的管路布置方式，液壓支架進(jìn)液采用1路DN38、38MPa高壓膠管，回液采用1路DN63、16MPa高壓膠管，工作面冷卻用水采用1路DN25、16MPa高壓膠管。乳化液供液管路承載壓力不小于3.15MPa，乳化液回液管路承載壓力不小于16MPa，噴霧管路承載壓力不小于10MPa。

2 遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

2.1 遠(yuǎn)程供液方案

（1）遠(yuǎn)程供液設(shè)備配置。采煤工作面實現(xiàn)3000m遠(yuǎn)程供液，需將泵站供液系統(tǒng)設(shè)備布置在采煤工作面以外穩(wěn)定硐室，主供液、主回液管路均需增加3000m，管路長度增加造成供液系統(tǒng)水壓損失。為滿足采煤工作面設(shè)備用液要求，乳化泵選用額定壓力40MPa，流量600L/min，噴霧泵選用16MPa，流量800L/min。遠(yuǎn)程供液泵站全系統(tǒng)配置3臺乳化泵，其中2臺泵工作、1臺泵備用。其供液系統(tǒng)原理為井下清水→水處理裝置→凈水箱→乳化液液箱→乳化液泵→高壓反沖洗過濾站→特高壓供液管路→蓄能器→液壓支架→回液反沖洗過濾站→乳化液液箱。由1臺4組合礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻器和1臺乳電控箱構(gòu)成乳化液泵站自動控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)實現(xiàn)乳化液泵站、噴霧泵站集中分布式智能化控制，實現(xiàn)無人值守。多泵組合按編程自動開停，滿足大流量的要求。當(dāng)運行方式置于自動時，電控箱根據(jù)工作面液壓支架的用液量，可自動增加或減少泵的運行數(shù)量：當(dāng)一臺泵的流量不能滿足時，另一臺泵會自動開啟。當(dāng)工作面液壓支架的用液量減小時，可自動將運行的泵逐臺停止運行，最后只保留一臺泵在繼續(xù)運行。同時還可將運行的泵自動進(jìn)行輪換，以使每臺泵的運行時間接近一致。當(dāng)運行方式置于手動時，可由人工任意開啟一臺或數(shù)臺乳化液泵。

（2）遠(yuǎn)程供液管路配置。目前煤礦使用的遠(yuǎn)程供液管路主要采用特高壓無縫鋼管和高壓膠管兩種。其中，高壓膠管質(zhì)軟，方便無軌膠輪車運輸、鋪設(shè)吊掛方式靈活，對巷道圍巖變化等條件適應(yīng)性強(qiáng)、價格相對便宜等諸多優(yōu)點，但目前國內(nèi)最大高壓膠管的管徑為DN63mm，承壓42MPa，因供液管徑相對較小，造成沿程阻力大，且高壓膠管存在安全系數(shù)低，使用年限短等缺點；溝槽式27SiMn無縫鋼管管徑則能夠達(dá)到φ109，沿程阻力低，公稱壓力可實現(xiàn)40MPa，最大實驗壓力可達(dá)70MPa，管道使用壽命可達(dá)10a，總成本較高壓膠管低，并能確保遠(yuǎn)距離供液的穩(wěn)定性。故遠(yuǎn)程供液管路選用φ99×8.5mm的特高壓無縫鋼管進(jìn)行乳化液的輸送，回液管路采用φ109×8.5mm的超高壓無縫鋼管，噴霧水的輸送采用φ88.9×7mm的超高壓無縫鋼管。特高壓管路敷至采煤工作面轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭，在轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭實現(xiàn)特高壓管路與現(xiàn)有供液鋼絲網(wǎng)編制高壓膠管對接，管路末端加裝蓄能器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，形成遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)。遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)設(shè)備、管路工藝布置如圖1。

圖1 遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)設(shè)備、管路布置工藝圖

2.2 遠(yuǎn)程供液選型校驗

（1）乳化液泵管路壓力損失計算。通常管路壓力損失由沿程壓力損失、局部壓力損失及高度差造成的壓力損失組成。由于此處采用的管道沒有截面變化，局部壓力損失可以忽略，供液點布置在上方，高度差為正不存在高度差壓損，因此高度壓損暫時不計。

（2）沿程壓力損失計算。

單臺泵流量：Q=630L/min

管路內(nèi)（直）徑：d=99-8.5×2=82mm=0.082m

管路截面積S=πd2/4=0.00528m2

流速：V1=Q/S=3.976m/s（兩臺泵同時供液）

因乳化液中95%水，所以取水的相關(guān)參數(shù)

常溫狀態(tài)（25℃）下，黏性系數(shù)μ=0.893×10-6m2/s

故可判斷管中流態(tài)為湍流。

其中：λ代表沿程磨阻系數(shù)；l代表工作面推進(jìn)長度，既管路總長度；d代表管路內(nèi)徑；V代表乳化液流速；g代表重力加速度，通常取9.8。

{Darcy–Weisbach——達(dá)西-威斯巴哈方程}

1m水柱壓強(qiáng)為pgh=9.8kPa。

所以沿程壓力損失為：590×9.8kPa=5782kPa=5.78MPa管路末端出口壓力值F=40-5.78=34.22MPa。

根據(jù)設(shè)計計算3000m的供液管路，用液點壓力34.22MPa大于31.MPa的設(shè)計使用要求。同理噴霧管路沿程壓力損失可根據(jù)上述公式計算，其中噴霧泵站流量：Q=800L/min，管路內(nèi)（直）徑：d=88.9-7×2=74.9mm=0.0749m，管路末端出口壓力值：F=13.2MPa，3000m的供液管路滿足要求。

2.3 結(jié)論

工作面遠(yuǎn)距離供液長度為3000m，泵站選用BRW630/40型乳化泵和BPW800/16型噴霧泵，遠(yuǎn)程供液管路選用Φ99×8.5mm的特高壓無縫鋼管進(jìn)行乳化液的輸送，回液管路采用Φ109×8.5mm的超高壓無縫鋼管，噴霧水的輸送采用Φ88.9×7mm的超高壓無縫鋼管，能滿足采煤工作面液端用液需求。

3 遠(yuǎn)程供液分析

結(jié)合大南湖一礦采煤工作面走向長度3000m現(xiàn)狀，遠(yuǎn)程供液設(shè)備選用大流量、高壓力乳化泵和噴霧泵，設(shè)備布置在工作面以外專用硐室。供液管路選用特高壓無縫鋼管，管路連接方式采用新型溝槽式連接，管路達(dá)到工作面轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭位置后與現(xiàn)有供液管路對接。遠(yuǎn)程供液技術(shù)是一種新型供液方法，改變了采煤工作面設(shè)備布置方法，但遠(yuǎn)程供液技術(shù)也存在一些難題需要解決，現(xiàn)結(jié)合煤礦實際對遠(yuǎn)程供液優(yōu)缺點進(jìn)行分析。

3.1 遠(yuǎn)程供液優(yōu)勢

（1）遠(yuǎn)程供液提高了采煤工作面對復(fù)雜地質(zhì)的適應(yīng)性，把供液系統(tǒng)統(tǒng)一放置在距離工作面較遠(yuǎn)的一個固定硐室，幾個工作面甚至一個盤區(qū)可以共用一個集中供液點，通過遠(yuǎn)程供液把高壓液輸送到需要用液的工作面，可實現(xiàn)“一點多面式”供液布置，解決設(shè)備列車?yán)评щy、復(fù)雜巷道適應(yīng)能力差等問題。

（2）遠(yuǎn)程供液設(shè)備布置方式可增加巷道通行空間，使工作面安全通道更加寬暢，同時減少通風(fēng)阻力，防止有害氣體超限，提高礦井安全系數(shù)。

（3）遠(yuǎn)程供液技術(shù)配合遠(yuǎn)距離供電技術(shù)的應(yīng)用能夠解決條件較差煤礦將設(shè)備列車布置在回風(fēng)順槽的問題，改善人員長期在采煤工作面回風(fēng)流中作業(yè)的條件。

（4）遠(yuǎn)程供液技術(shù)的應(yīng)用將改變工作面設(shè)備布置方式，減少工作面設(shè)備，則減少采煤工作面搬家倒面的工作量，降低設(shè)備搬遷成本。

（5）應(yīng)用遠(yuǎn)程供液技術(shù)能夠?qū)⒈谜鞠到y(tǒng)布置在工作面以外，減少工作面人員，有利于實現(xiàn)“工作面少人作業(yè)”。

（6）遠(yuǎn)程供液技術(shù)采用特高壓無縫鋼管，管道能夠保證清潔供液，使用壽命長達(dá)到10年以上，能夠有效降低成本。

3.2 遠(yuǎn)程供液存在的問題

（1）超大采高、大采高采煤工作面需要供液系統(tǒng)滿足液壓支架的高初撐力、高工作阻力，以及快速移架的需求，目前國內(nèi)生產(chǎn)的乳化液泵的供液能力不足，是制約采煤工作面遠(yuǎn)程供液技術(shù)的發(fā)展的主要瓶頸。

（2）遠(yuǎn)距離供液管路較長，供液壓力損失較大，需增加管徑，提高乳化泵初始供液壓力。高壓膠管使用靈活方便，但管徑較小，不能滿足遠(yuǎn)距離供液要求。采用特高壓無縫鋼管時，能夠提高管徑，但其敷設(shè)吊掛要求比較高，稍微受力可能造成接頭漏液，降低供液壓力。特別是巷道圍巖變形嚴(yán)重礦井，管路日常維護(hù)量增加，管理難度增加。

（3）遠(yuǎn)程供液技術(shù)距離管路末端用液設(shè)備較遠(yuǎn)，對末端管路動壓、流量、震動等參數(shù)監(jiān)測不便，可能存在數(shù)據(jù)傳輸緩慢，需建成集成供液系統(tǒng)高速通訊鏈路，滿足智能化供液需求。

（4）遠(yuǎn)程供液技術(shù)受供液距離限制，壓力損失較大，特別是走向長度遠(yuǎn)，采煤工作面標(biāo)高遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)程供液布置位置標(biāo)高時，不宜采用遠(yuǎn)距離供液。

綜合分析可知：遠(yuǎn)程供液雖然存在部分不足，但遠(yuǎn)程供液技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)備布置遠(yuǎn)離采煤工作面，減少設(shè)備列車移動，減少搬家倒面工作量、減少采煤工作面維修量、減少作業(yè)人員、提高采煤效率、降低成本、提高智能化水平。同時采用遠(yuǎn)程集中供液，既能實現(xiàn)綠色開采、節(jié)能增效，又能實現(xiàn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化管理，便于設(shè)備統(tǒng)一維護(hù)，多工作面采用一套供液系統(tǒng)，減少投入產(chǎn)生實際價值。