楊志海，羅立強(qiáng)

(萍鄉(xiāng)礦業(yè)集團(tuán)青山煤礦，江西萍鄉(xiāng)市 337000)

青山礦滑移支架初撐力不足問(wèn)題的分析與解決

楊志海，羅立強(qiáng)

(萍鄉(xiāng)礦業(yè)集團(tuán)青山煤礦，江西萍鄉(xiāng)市 337000)

青山礦采用滑移支架采煤工藝，經(jīng)常出現(xiàn)工作面支架初撐力達(dá)不到要求。因此，對(duì)青山礦乳化液壓系統(tǒng)進(jìn)行壓力損失計(jì)算和分析，得出液壓系統(tǒng)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(gè)工作面同時(shí)供液造成的。提出在每個(gè)采場(chǎng)的上部設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)壓罐，可保證工作面支架的初撐力。

液壓系統(tǒng)；壓力損失；初撐力；儲(chǔ)壓罐

0 引 言

青山礦煤層平均傾角80°，屬于急傾斜煤層，當(dāng)煤厚大于8 m時(shí)，采用分層開(kāi)采方法，并于2009年開(kāi)始使用并聯(lián)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(qiáng)支護(hù)。礦山現(xiàn)有液壓泵站型號(hào)為RB-80/200，公稱(chēng)流量為80 L/min。但隨著滑移支架采煤工藝在多個(gè)工作面的應(yīng)用，經(jīng)常出現(xiàn)工作面支架初撐力達(dá)不到要求，甚至出現(xiàn)單體支柱上升一段距離后反之下降的現(xiàn)象。因此本文對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析與探討。

1 乳化液泵站工作原理

乳化液泵站通常稱(chēng)為“兩泵一箱”，由兩臺(tái)乳化液泵和一臺(tái)乳化液箱組成。乳化液泵由電機(jī)帶動(dòng)，通過(guò)柱塞往返運(yùn)動(dòng)改變缸體容積的大小完成吸排液過(guò)程，將低壓乳化液轉(zhuǎn)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(gè)數(shù)、行程、往返次數(shù)及泵的容積效率等本身參數(shù)決定的，與乳化液箱的容積無(wú)關(guān)，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(guò)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(guò)供液閥門(mén)向乳化泵提供乳化液[1]。

2 乳化液泵站工況及系統(tǒng)壓力損失計(jì)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(dá)到的最大壓力。支架的初撐力來(lái)自于乳化液泵站的輸出壓力，與頂板壓力無(wú)關(guān)。在頂板來(lái)壓的作用下，支架的工作阻力與頂板壓力將保持相對(duì)平衡的狀態(tài)。若頂板壓力大于支架的卸載壓力，此時(shí)，立柱的安全閥將打開(kāi)泄壓，使支柱下降，維持工作阻力與頂板壓力相對(duì)平衡的狀態(tài)。根據(jù)礦山滑移支架的特性，安全閥卸載壓力為42 MPa。此時(shí)，支架的工作阻力取決于頂板壓力，與乳化液泵站的初始?jí)毫o(wú)關(guān)。當(dāng)支架達(dá)到處于工作狀態(tài)時(shí)，支架內(nèi)部乳化液的最大壓力為安全閥的卸載壓力42 MPa。

因此，對(duì)于礦上存在的支架初撐力不足的問(wèn)題，應(yīng)著重對(duì)液壓系統(tǒng)與支架特性匹配問(wèn)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(nèi)容積最大，當(dāng)升柱完全時(shí)，所需乳化液7.2 kg，乳化液濃度按5%計(jì)算，故立柱所需乳化液容量為:體積＝質(zhì)量/密度＝7.58 L；

若升柱時(shí)間按10 s計(jì)算，故此時(shí)支柱所需流量為:Q1＝45.5 L/min。

而現(xiàn)有液壓泵站型號(hào)為RB-80/200，公稱(chēng)流量為80 L/min，故按此計(jì)算，現(xiàn)有液壓泵所提供的流量?jī)H能供應(yīng)2個(gè)工作面的單一立柱同時(shí)升柱(此時(shí)所算為升柱所需最大流量)。

2.2 液壓系統(tǒng)壓力損失計(jì)算

支柱達(dá)到工作狀態(tài)包括上升過(guò)程和承壓過(guò)程兩個(gè)階段。在上升過(guò)程中，液壓系統(tǒng)壓力的損失不會(huì)影響頂梁上升。當(dāng)頂梁接頂后，進(jìn)入承壓階段，支柱上升距離大幅減小，柱內(nèi)壓力迅速增加直至液壓系統(tǒng)壓力，即為支架的初撐力。若液壓系統(tǒng)壓力損失過(guò)多，將會(huì)使得初撐力達(dá)不到規(guī)定的要求，造成工作面支護(hù)強(qiáng)度和高度等不符合要求。目前礦上存在多個(gè)工作面共同使用同一泵站的情況，但為了方便計(jì)算，在此假設(shè)工作面沒(méi)有其他任何操作，按泄露流量，計(jì)算此時(shí)液壓系統(tǒng)的壓力損失。

由于液壓輸送管路距離遠(yuǎn)，支路較多，接頭多；另外，工作面支架數(shù)量較多，膠管接頭多，因此泄露點(diǎn)也多，這將造成較大部分的壓力損失。因液壓系統(tǒng)維護(hù)的不同，壓力損失在10%～20% 較為常見(jiàn)[2]，在此按15%計(jì)算。故支架在靜態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中泄漏量為0.2 L/s。

根據(jù)壓力損失理論計(jì)算[3]:

式中，λ為沿程阻力系數(shù)；l為管路長(zhǎng)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(shù)。

礦山現(xiàn)有4個(gè)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(pán)區(qū)沒(méi)有布置滑移工作面，現(xiàn)只對(duì)452泵站壓力損失進(jìn)行計(jì)算。泄露量按0.2 L/s，管徑按0.032 m計(jì)算，液體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)V取[2]4.3×10-5，故管路中液壓油流速:

雷諾系數(shù):

故通過(guò)計(jì)算得知乳化液在管路中呈層流狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)λ＝64/Re＝0.34。

452泵站供一隊(duì)、二隊(duì)及三隊(duì)使用，因?yàn)槿?duì)管路并聯(lián)在泵站系統(tǒng)上，壓強(qiáng)相等，故只需對(duì)管路最長(zhǎng)的三隊(duì)(500 m)進(jìn)行壓力損失計(jì)算即可:

下面進(jìn)行局部壓力損失計(jì)算[4]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)中沿途管道轉(zhuǎn)彎14處，局部阻力系數(shù)ζ1取為0.2，工作面節(jié)流閥2個(gè)，局部阻力系數(shù)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(chǎn)品技術(shù)參數(shù)得知，取1.58 MPa。

故總的壓力損失ΔP＝ΔP1＋ΔP2＋ΔP3＝1.75 MPa。

從以上計(jì)算可以看出，系統(tǒng)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(jù)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(gè)工作面使用，基本能滿(mǎn)足支架對(duì)初撐力的要求。但當(dāng)單泵站同時(shí)向3個(gè)工作面供液時(shí)，每個(gè)工作面的液體流量是單一工作面供液時(shí)的1/3。當(dāng)一工作面正在升柱時(shí)，另一工作面開(kāi)始移架或升柱，就會(huì)“分走”一部分流量，造成瞬時(shí)壓力減小，將造成初撐力達(dá)不到要求，甚至出現(xiàn)單體柱上升一段距離后反之下降的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上分析和計(jì)算可知，工作面支架初撐力不足主要是由于泵站同時(shí)向多個(gè)工作面供液造成的，而系統(tǒng)壓力損失也對(duì)其造成一定的影響。首先需對(duì)對(duì)乳化液泵站進(jìn)行良好的維護(hù)，及時(shí)清理及更換不合格的元件，讓液壓泵在最佳狀態(tài)下工作[5-6]。另外，在每個(gè)采區(qū)的上部設(shè)置一組儲(chǔ)壓罐(一般由4個(gè)儲(chǔ)壓罐構(gòu)成)，泵站液壓首先輸送至各采區(qū)上部的儲(chǔ)壓罐進(jìn)行儲(chǔ)存，各工作面支架所需液壓由其各自的儲(chǔ)壓罐提供，這相當(dāng)于為每個(gè)采區(qū)配置了一個(gè)泵站，很好地解決了液壓系統(tǒng)支路的“分流”問(wèn)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(dòng)與控制，2007，21(2):35-36.

[2]王冠民，劉慶利，孟 林，等.關(guān)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(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]，2011.

[3]張維佳.水力學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[4]馬憲亭，張福來(lái).液壓系統(tǒng)中壓力損失的分析與計(jì)算[J].煤礦機(jī)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(jī)械，2005，33(11):76-78.

[6]黃靖龍.液壓支架初撐力不足的原因及對(duì)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(jí)工程師，從事煤礦開(kāi)采管理工作，Email:492511231@qq.com。