綜采工作面超長(zhǎng)距離供液壓損研究分析

胡云飛，張凱，王亮，史紀(jì)飛

(1.國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)源電力有限公司， 北京 100032；2.國(guó)能億利能源有限責(zé)任公司黃玉川煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 017000；3.山東科技大學(xué)， 山東 青島市 266590)

0 引言

傳統(tǒng)煤礦井下供液一般都是將配套的供液設(shè)備放在距離工作面不遠(yuǎn)處，設(shè)備基本都是采取隨采隨移的方式。但是配套設(shè)備在移動(dòng)拆除過(guò)程中會(huì)造成管路損壞、底板底鼓變形、流量泄漏等問(wèn)題，設(shè)備的反復(fù)拆卸、移動(dòng)進(jìn)一步增加了工人勞動(dòng)，安全問(wèn)題也相應(yīng)增加[1-3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一種超長(zhǎng)供液新技術(shù)，其特點(diǎn)是將乳化泵站等設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備列車分離，移至工作面外進(jìn)行固定布置，通過(guò)高壓輸送管將乳化液輸送到工作面，這樣一來(lái)增加了工作面的安全系數(shù)，同時(shí)避免了反復(fù)移動(dòng)拆裝設(shè)備，減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度[4-5]。與此同時(shí)，長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓力損失，造成乳化液到達(dá)工作面時(shí)壓力不足，不足以滿足液壓支架的壓力要求[6-7]。為解決長(zhǎng)距離供液壓損問(wèn)題，研制了一種內(nèi)襯不銹鋼管，為了驗(yàn)證其長(zhǎng)距離供液的可行性，進(jìn)行了理論計(jì)算，并結(jié)合陜煤曹家灘煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證長(zhǎng)距離供液的可行性。

1 煤礦長(zhǎng)距離供液理論分析

陜煤曹家灘煤礦12盤區(qū)首采煤層2-2煤由西到東逐漸變薄，西半?yún)^(qū)煤層厚度為 10.80～12.56 m，平均為11.80 m，東半?yún)^(qū)煤層厚度為8.08～12.09 m，平均為10.61 m，東翼采用大采高一次采全高開采，西翼經(jīng)論證后采用大采高綜放開采。西翼大采高綜放工作面設(shè)備配套能力為1500萬(wàn)t/年，該工作面從泵站到工作面端頭實(shí)際供液管路長(zhǎng)達(dá)6200 m。

對(duì)于煤礦 6000 m超長(zhǎng)距離的供液，傳統(tǒng)的高壓膠管以及普通鋼管都無(wú)法滿足該超長(zhǎng)距離供液系統(tǒng)長(zhǎng)久的穩(wěn)定性。為此，研制了一種內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管，其不銹鋼材質(zhì)為0Cr18Ni9，采用不銹鋼層全覆蓋接觸溶液位置的方式（通過(guò)焊接不銹鋼層后加工，如圖1所示）。

圖1 管路端頭用不銹鋼層覆蓋

內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管在使用過(guò)程中不會(huì)因內(nèi)壁銹蝕產(chǎn)生結(jié)垢、結(jié)瘤而使內(nèi)通徑縮小。輸送過(guò)程壓力損失減小，因此，現(xiàn)場(chǎng)擬采用內(nèi)徑為133 mm的內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管道，輸送管出口壓力需達(dá)到30 MPa以上才能滿足工作面對(duì)于設(shè)備的壓力需要。結(jié)合以上情況，特對(duì)此內(nèi)襯不銹鋼管遠(yuǎn)距離供液進(jìn)行可行性論證。

1.1 基本參數(shù)及壓力損失分析

從泵站到該工作面端頭實(shí)際供液管路長(zhǎng)達(dá) 6200 m；內(nèi)襯不銹鋼管道內(nèi)徑為 133 mm；取乳化液密度為 1000 kg/m3；取乳化液運(yùn)動(dòng)黏度V=6×10-6m2/s。

長(zhǎng)距離管道供液壓力損失主要包括沿程壓力損失和局部壓力損失兩方面，沿程壓力損失是流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失，主要是流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)由流體內(nèi)部摩擦力以及流體與管道之間的摩擦力所引起；局部壓力損失是流體在管道內(nèi)流動(dòng)，由于局部接頭或者管道橫截面突變，導(dǎo)致局部形成碰撞，使得流體與管道壁面產(chǎn)生劇烈摩擦，導(dǎo)致壓力損失。

供液流量分別選取300，500，700，900，1100，1300，1500，1700，2000 L/min的情況下，對(duì)沿程壓力損失和局部壓力損失這兩部分進(jìn)行理論計(jì)算。

1.2 沿程壓力損失計(jì)算

沿程壓力損失Δpa計(jì)算公式如下：

式中，λ為沿程阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度Δ/d的函數(shù)；L為管道的長(zhǎng)度，m；d為管道內(nèi)徑，mm；v為管內(nèi)內(nèi)乳化液平均流速，m/s；ρ為乳化液密度，kg/m3。

管道乳化液平均流速計(jì)算公式如下：

式中，Q為管道內(nèi)流量，L/min。

雷諾數(shù)用以判斷管內(nèi)流動(dòng)液體是層流還是紊流，臨界雷諾數(shù)取 2100作為判斷依據(jù)，當(dāng)計(jì)算雷諾數(shù)大于2100即是紊流，小于2100即是層流，其雷諾數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，V為乳化液運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

沿程阻力系數(shù)是雷諾數(shù)和Δ/d的函數(shù)，可根據(jù)勃拉修斯經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：

由以上計(jì)算公式最后求得計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同流量下各參數(shù)計(jì)算結(jié)果

1.3 局部壓力損失計(jì)算

長(zhǎng)距離供液管道在供液過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生局部阻塞、管道接口局部泄露等問(wèn)題，繼而引發(fā)局部壓力損失，在理論計(jì)算時(shí)可按照管路沿程損失的百分比進(jìn)行計(jì)算，一般選取50%，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同流量下局部壓力損失

1.4 管路供液過(guò)程總壓力損失計(jì)算

供液管路總的壓力損失為沿程壓力損失和局部壓力損失總和，計(jì)算公式如下：

根據(jù)式（5）求得最后不同流量下總的壓力損失，結(jié)果見表3。

表3 不同流量下總壓力損失

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于以上理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了陜煤曹家灘煤礦12盤區(qū)西翼大采高綜放工作面遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)管路，如圖2所示，從上到下依次是主進(jìn)管路、回路管路、噴霧管路，從泵站到工作面端頭實(shí)際供液管路長(zhǎng)達(dá)6200 m，通過(guò)階梯打壓試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證該內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管路系統(tǒng)的耐壓性能。通過(guò)動(dòng)態(tài)運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)記錄，分析該內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管路的壓力損失。

圖2 遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)

2.2 打壓測(cè)試

在陜煤曹家灘煤礦 12盤區(qū)西翼大采高綜放工作面進(jìn)行管道鋪設(shè)，鋪設(shè)完成后進(jìn)行打壓測(cè)試，分別將高壓供液管道壓力從0～40 MPa分5次階梯打壓進(jìn)行測(cè)試，對(duì)乳化液泵回液管路從0～30 MPa分4次進(jìn)行階梯打壓測(cè)試，每次間隔30 min，期間不定時(shí)巡查檢測(cè)，均無(wú)泄漏狀況出現(xiàn)。

2.3 長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)

管路打壓合格后又進(jìn)行了綜采工作面設(shè)備聯(lián)合試運(yùn)行，綜采工作試生產(chǎn)后進(jìn)入正常的長(zhǎng)期性運(yùn)行試驗(yàn)。

在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)隨機(jī)的三個(gè)月進(jìn)行記錄，記錄當(dāng)時(shí)流量與對(duì)應(yīng)的兩端壓力差，取這三個(gè)月壓力損失的平均值，繪制壓力損失隨流量變化曲線圖，如圖3所示。

圖3 壓力損失隨流量變化曲線

由圖3可以看出，理論計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，這是由于真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)管道供液還會(huì)存在其他形式的壓力損失，比如管道鋪設(shè)存在高度差，局部漩渦損失等等，誤差范圍符合實(shí)際情況。

從圖3還可以看出，無(wú)論是理論計(jì)算還是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，壓力損失都隨著流量的增大而增大。理論計(jì)算的壓力損失在0.28～3.41 MPa之間，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的壓力損失在0.35～5.88 MPa之間。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)需求，乳化泵的出口壓力調(diào)節(jié)為35 MPa，管道出口處壓力達(dá)到30 MPa以上。要合理控制流量大小，實(shí)際將流量控制在500～1500 L/min之間，使得壓力損失在 0.62～3.2 MPa之間，加之泵站智能流量預(yù)測(cè)控制技術(shù)的快速響應(yīng)，管道出口處的壓力能穩(wěn)定在30 MPa以上，滿足工作面支架壓力的使用要求。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)陜煤曹家灘煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，研制了一種內(nèi)襯不銹鋼管進(jìn)行遠(yuǎn)距離供液，通過(guò)對(duì)內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管端頭部位進(jìn)行不銹鋼覆蓋改進(jìn)，使得改進(jìn)后的管路腐蝕現(xiàn)象及管路輸送壓降明顯降低。

（2）對(duì)管路壓力損失進(jìn)行理論計(jì)算，得出超長(zhǎng)距離供液壓力損失值，進(jìn)一步通過(guò)煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證，得到理論計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)誤差保持在合理范圍內(nèi)，最終確定內(nèi)襯不銹鋼管6200 m超長(zhǎng)距離供液能達(dá)到使用要求，對(duì)其他長(zhǎng)距離供液也有一定的參考價(jià)值。

（3）理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證都表明，長(zhǎng)距離供液壓力損失會(huì)隨著流量的增大而增大，為滿足實(shí)際使用要求，降低壓力損失，應(yīng)盡量將供液流量控制在500～1500 L/min之內(nèi)。