煤礦采煤工作面遠距離供電技術(shù)應(yīng)用與展望

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）

0 引言

隨著現(xiàn)代化大型高產(chǎn)高效礦井工作面走向長度不斷增加，例如新疆哈密大南湖一礦1308 采煤工作面走向長度3000m，目前開采煤層屬“三軟”煤層，煤層堅固系數(shù)1.57，煤層頂?shù)装鍘r石抗壓強度小于5MPa，軟化系數(shù)小于0.75，煤層抗壓強度在6.5MPa～7.5MPa 之間，煤層頂?shù)装鍖賹訝罱Y(jié)構(gòu)的極軟巖，屬極不穩(wěn)定巖層，采煤工作面回風(fēng)巷受礦壓影響，圍巖變形嚴(yán)重，設(shè)備列車?yán)评щy，傳統(tǒng)的供電方式問題逐漸凸顯，影響回采效率。為解決該問題，較多礦井采用遠距離供電，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。目前較多學(xué)者針對采煤工作面遠距離供電進行研究， 為采煤工作遠距離供電提供理論基礎(chǔ)。如韓瑞東等[1]提出了井下遠距離供電電壓降的計算方法。龐瑞禮[2]結(jié)合開灤（集團）唐山礦業(yè)分公司采用3.3kV 供電，實現(xiàn)供電距離1060m。 張龍[3]針對新景公司80117 綜放工作面遠距離供電系統(tǒng)進行分析， 提出設(shè)備選型原則，闡述其優(yōu)缺點，其供電距離達到1645m。趙利杰等[4]結(jié)合神華烏海能源有限公司對煤礦采取遠距離供電進行論證，其供電距離達到2430m。 目前針對遠距離供電計算及現(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供電現(xiàn)狀，計算最大供電距離，對遠距離供電優(yōu)缺點進行分析， 提出將遠距離供電采取變電所布置在地面的新觀點遠距離供電新型布置方式， 對未來智能化礦井發(fā)展提供研究思路。

1 概況

1.1 采煤工作面設(shè)備基本情況

大南湖一礦1308 采煤工作面采用放頂煤開采工藝，工作面長240m，巷道高度3.8m，設(shè)備列車長約120m，設(shè)備列車布置在膠帶運輸順槽，距離工作面約200m，設(shè)備列車主要有移動變電站、組合開關(guān)、控制臺、乳化泵、泵箱、液壓支架進回液過濾系統(tǒng)、電纜框等組成，設(shè)備列車作業(yè)工藝為每天檢修期間根據(jù)回采情況拉移10～20m。 工作面主要設(shè)備由采煤機、前部刮板輸送機240m、后部刮板輸送機240m、轉(zhuǎn)載機62m、破碎機、液壓支架139 臺構(gòu)成。 設(shè)備列車泵站供液系統(tǒng)按照遠距離供液考慮，在此不作考慮，本文重點針對采煤機、前部刮板輸送機、后部刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機負荷進行計算研究，其設(shè)備負荷統(tǒng)計表見1308 工作面負荷統(tǒng)計見表1。

表1 1308 工作面負荷統(tǒng)計

1.2 1308 采煤工作面供電現(xiàn)狀

自采取變電所至1308 工作面敷設(shè)2 趟3000m MYPTJ8.7/10Kv 3×70mm2型高壓橡套電纜， 敷設(shè)方式采用電纜掛鉤固定吊掛，兩趟電纜分別引自不同母線段。設(shè)備列車布置2 臺KBSGZY2-T-3150Kva 10/3.3Kv 型移動變電站， 分別選擇2 趟長110 米MYP-1.9/3.3Kv 3×70mm2型橡套電纜干線至長治貝殼組合開關(guān)， 長治貝殼開關(guān)分別供采煤工作面煤機、前部刮板輸送機、后部刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機負荷，供電距離不大于350m。

1.3 遠距離供電需要解決的問題

（1）大南湖一礦采煤工作面設(shè)備負荷較大，隨電纜長度增加，電纜電壓損失較大，需通過選擇合適的電纜進行計算校驗，計算出最大供電距離，為遠距離供電提供理論依據(jù)。

（2）大南湖一礦采煤工藝為放頂煤開采，設(shè)備較多，負荷較大，需通過合理分配供電負荷，盡可能選擇截面較小的電纜，確保供電系統(tǒng)安全可靠。

（3）遠距離供電需敷設(shè)多根電纜，需對電纜敷設(shè)和電纜回撤方法進行明確， 確保電纜敷設(shè)滿足安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求，同時電纜截面較大，應(yīng)對電纜回撤、存儲進行優(yōu)化，確?；爻贩奖悖鎯Π踩?。

1.4 遠距離供電設(shè)備布置

供電設(shè)備布置在工作面外部車場內(nèi)， 主要包含向采煤工作面供電的移動變電站、泵站供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)；干線供電電纜布置在進風(fēng)順槽，采用電纜溝吊掛，便于回撤。 組合開關(guān)采用天津華寧低矮型組合開關(guān)， 開關(guān)高度0.8m，布置在轉(zhuǎn)載機上，隨轉(zhuǎn)載機移動，轉(zhuǎn)載機上布置電纜框，回撤過程電纜放置在電纜框內(nèi)。

泵站系統(tǒng)采用遠程供液系統(tǒng)，供電、供液設(shè)備移出采煤工作面，布置在工作面外部車場內(nèi)，滿足使用要求，泵站供電在遠距離供電設(shè)計過程不予考慮。

2 供電距離計算

遠距離供電重點克服供電電壓損失問題， 電壓損失分為變壓器的電壓損失、 電纜電壓損失及電動機啟動電壓損失。因變壓器電壓損失與供電距離無關(guān)，不影響遠距離供電設(shè)計要求， 電動機的最小啟動電壓一般為額定電壓的0.75 倍，在此重點計算電纜電壓損失。 根據(jù)《供用營業(yè)規(guī)則》規(guī)定，用戶受電端的電壓最大允許偏差不應(yīng)超過額定值的±7%。 按照電纜的長時工作電流、電壓損失值計算出不同截面電纜的最大供電距離。

2.1 電纜的實際長時工作電流計算公式

式中：Σp—電纜所帶負荷的額定功率之和（kW）；Un—電纜所在電網(wǎng)的額定電壓 （Un=3300V）；Kx—電纜所帶負荷需用系數(shù) （Kx=1）；cosφ—電纜所帶負荷的加權(quán)平均功率因數(shù)（cosφ=0.7）。

利用公式計算出工作面各負荷電纜長時允許通過電流，并利用查表法對電纜截面進行選型。查張學(xué)成[5]《工況企業(yè)供電設(shè)計指導(dǎo)書》可知： 3×50mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜長時工作電流為176A，3×70mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜長時工作電流為215A，3×95mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜長時工作電流為274A，3×120mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜長時工作電流為315A。

2.2 按電壓損失校驗

式中：△Uw—電纜電壓損失（V）；L—電纜長度（m）；A—截面積（mm2）；Rsc—導(dǎo)線材料的電導(dǎo)率[m/（Ω·mm2）]查《工礦企業(yè)供電》表，取53m/（Ω·mm2）；Pca—電纜所帶負荷的有功功率計算值（kW）。

△Uw≤Un×7%=±231V。根據(jù)《供用營業(yè)規(guī)則》規(guī)定，用戶受電端的電壓最大允許偏差不應(yīng)超過額定值的±7%。

帶 入 公 式 計 算 可 知L=ΔUwUn·RscA/（Pca×1000）=40401A/P。

2.3 采煤工作面供電方案及供電距離計算

根據(jù)大南湖一礦采煤工作面負荷情況， 采取前部刮板輸送機和采煤機共用一臺4000kVA 變壓器供電，裝機容量為2320kW。 后部刮板輸送機與轉(zhuǎn)載機、破碎機公用一臺4000kVA 變壓器供電， 裝機容量2325kw，2 臺變壓器放置在車場。 采煤機采用一根3×70mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜供電， 轉(zhuǎn)載機、 破碎機采用一根3×70mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜供電，前部刮板輸送機采用一根3×120mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜供電，后部刮板輸送機采用一根3×120mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜供電，滿足長時工作電流設(shè)計要求，其中采煤機、前部刮板輸送機使用一臺組合開關(guān)，后部刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機使用一臺組合開關(guān)，組合開關(guān)放置在轉(zhuǎn)載機身上。

采煤機最大供電距離：L1=40401×70/920m=3073m，刮板輸送機最大供電距離：L2=40401×120/1400m=3462m，轉(zhuǎn)載機、破碎機最大供電距離：L3=40401×70/925m=3057m。

根據(jù)計算可知，大南湖一礦采煤工作面920kW 采煤機最大供電距離為3073m，考慮工作面長度240m，有效最大供電距離為2850m。 刮板輸送機最大供電距離3462米，考慮工作面長度，有效最大供電距離為3200m。 通過對電纜長時工作電流和最大供電距離計算， 結(jié)合工作面敷設(shè)、回撤電纜的可行性，綜合考慮大南湖一礦采煤工作面最大供電距離為2850m 比較合理。

3 遠距離供電分析

結(jié)合大南湖一礦采煤工作面實際， 供電距離設(shè)計為2850m，遠程供液系統(tǒng)設(shè)備需同樣布置在車場，距離采煤工作面2850m，遠距離供電、供液能夠減少設(shè)備列車移動次數(shù)，減少工作量。 同時遠距離供電、供液設(shè)計也存在部分問題需要解決， 現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場實際對遠距離供電優(yōu)缺點進行分析。

3.1 遠距離供電缺點

（1）根據(jù)計算可知，大南湖一礦采用遠距離供電需在采取車場至工作面布置2 根3×120mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜和2 根3×70mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜， 較現(xiàn)有供電系統(tǒng)采用2 根3×50mm28.7/10kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜增加2 根電纜。因新電纜直徑較粗，造成入井運輸不便，現(xiàn)場回撤、儲存及運輸非常不方便，增加回撤人員和回撤時間。

（2）遠距離供電布置電纜較粗，因礦井運輸條件限制，由原來1000m/根電纜需更換為500m/根，2850 米巷道內(nèi)每根電纜需增加3 個3.3kV 接線盒， 共需增加12 個，增加故障點，增加管理難度。

（3）遠距離供電需根據(jù)使用負荷設(shè)備電壓等級低電壓供電，電流增大，增加功率損耗，在采用遠程供液時也會由于距離的原因造成嚴(yán)重損耗，供電成本增加。

（4）采用遠距離供液需配套遠距離供液設(shè)備，而遠程供液對管路、設(shè)備的要求非常高，需要根據(jù)用液要求對管路進行專項設(shè)計，設(shè)備投入巨大。

（5）對于高產(chǎn)高效礦井，工作面設(shè)備負荷較大，電纜截面需要不斷增加或者增加電纜數(shù)量，現(xiàn)場敷設(shè)、使用困難，不能滿足現(xiàn)場電纜回撤、存儲和運輸要求。

3.2 遠距離供電優(yōu)點

（1）遠距離供電適用地質(zhì)條件復(fù)雜礦井，設(shè)備列車?yán)苿永щy礦井。 采用遠距離供電配合遠程供液系統(tǒng)可將設(shè)備列車布置在工作面順槽外部， 不需每天移動設(shè)備列車， 解決了三軟煤層巷道圍巖變化大影響設(shè)備拉移困難的問題，提高回采效率。

（2）遠距離供電將供電、供液設(shè)備布置在車場等固定場所，增加巷道空間，提高礦井逃生空間，減小風(fēng)阻，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，杜絕有害氣體超限問題，消除危險源，增加安全系數(shù)。

（3）遠距離供電徹底解決了條件困難礦井將電器設(shè)備布置在回風(fēng)順槽的問題， 消除了電氣設(shè)備布置在回風(fēng)巷的隱患，改善人員長期在回風(fēng)巷作業(yè)的環(huán)境，提高礦井安全系數(shù)。

（4）遠距離供電將供電、供液設(shè)備布置在車場等固定場所，減少設(shè)備列車頻繁移動，設(shè)備故障率降低，同時方便維修，易實現(xiàn)集中智能化供電。

由以上分析可知： 遠距離供電雖然也存在增加投資成本，安全風(fēng)險點多，電能損失等問題，但遠距離供電能夠解決設(shè)備列車?yán)评щy問題，消除隱患提高安全系數(shù)，改善職工作業(yè)條件，降低故障率，提高安全系數(shù)，有利于實現(xiàn)智能化供電，是智能化礦井發(fā)展的主流方向。總體來說遠距離供電優(yōu)勢突出， 選擇遠距離供電有利于提高工作效率，改善作業(yè)條件，有利于減少工作面人數(shù)，符合智能化化工作面發(fā)展需要。

4 結(jié)束語

根據(jù) 《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源〔2020〕283 號）要求，為適應(yīng)智能化礦井建設(shè)要求，遠距離供電能夠?qū)崿F(xiàn)集中智能供電，方便進行智能化建設(shè)，采煤工作面設(shè)備電器設(shè)備布置在采煤順槽以外有利于實現(xiàn)集中智能供電，能夠減少工作面人員，實現(xiàn)地面遠程操作。

采煤工作面遠距離供電的發(fā)展方向是通過研究探索解決電壓損失和供水損失將遠距離供電、供液設(shè)備直接布置在地面，地面電纜、供水管路由地面直達井下固定硐室，在固定硐室布置接線盒、水閥，由井下固定硐室轉(zhuǎn)接各采煤工作面。 遠程供電、供液設(shè)備布置在地面可減少井下作業(yè)人員，提高安全系數(shù)。地面設(shè)備易實現(xiàn)智能化，提高安全系數(shù)。當(dāng)然對于采煤工作面負荷較小、煤層埋深較淺，井下工作面兩翼布置礦井比較適宜將設(shè)備布置在地面， 對于采煤工作面負荷加大， 煤層埋深較深礦井受電壓損失和供水管路材質(zhì)影響還需要進一步探索研究， 隨著技術(shù)的進步，遠供電距離、遠程供液技術(shù)將進一步獲得突破，遠程供電、供液技術(shù)更加成熟，最終達到采取變電所在地面布置。 井下設(shè)備逐步布置在地面是煤礦未來的發(fā)展方向，筆者認為應(yīng)該充分應(yīng)用采煤工作面遠距離供電技術(shù)，將井下采區(qū)供電設(shè)備布置在地面，并以此為突破點，將井下整個供電系統(tǒng)布置在地面，減少井下作業(yè)人數(shù)，消除電氣故障，提高礦井安全系數(shù)是未來的發(fā)展趨勢和方向。