煤礦智能化工作面遠程供液技術應用

和世江

（山西焦煤集團西山煤電公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

隨著智能化設備研究的逐步深入，先進設備越來越多地應用于煤炭開采技術當中，智能化開采必然是煤礦綜采技術的發(fā)展趨勢［1］。目前，對煤礦綜采工作面遠程供液領域的研究主要針對遠程液壓損失，而遠程供液技術的應用研究較少［2］?；谛睖厦旱V23110綜放工作面生產條件，重點對遠程供液技術的配套原則和設計方法進行論述，為系統(tǒng)設計和設備選型提供借鑒。

1 綜采面原供液設備布置

1.1 綜采面原供液設備布置方式

原綜放工作面泵站使用3臺BRW400/37.5型五柱塞乳化液泵和2臺RX630/70型乳化液箱，主進液管為4D（4SH）-32-40MPa型高壓鋼絲纏繞膠管，主回液管為4-51-8MPa（GB）型高壓鋼絲編織膠管。串車設在皮帶巷,串車上搭載移動變電站、組合開關、變頻器、泵站等設備，通過搬移式軌道,伴隨工作面回采推進而遷移。

1.2 綜采面原供液設備布置缺點

綜放工作面供液設備的特點均為體積大、質量大，同時由于工作面回采采動壓力強力顯現(xiàn)，導致皮帶巷頻發(fā)底鼓現(xiàn)象，嚴重影響供液設備正常推進。串車布置一般距切眼100 m，設備列車長180 m，串車行走需要至少2名工人協(xié)同配合操作，管路、電纜也得隨著挪動，勞動強度大，移動頻率高，且影響開采效率。

1.3 改進方向

為了避免設備列車頻繁移動的復雜生產程序，將整個設備列車安設于停采線外，即輔運大巷和膠帶大巷聯(lián)絡巷內，通過管路將乳化液輸送至回采工作面設備當中，實現(xiàn)遠程送液。

2 遠距離供液配套設計

2.1 遠程供液配套原則

（1）供液系統(tǒng)因遠程輸送會造成壓力損失，到達支架處的最末端供液壓力應滿足液壓支架初撐力要求。

（2）優(yōu)選性價比高的管路設備，滿足安裝、維護便捷要求，適應井下特殊惡劣環(huán)境。

（3）優(yōu)化供液方式，精確泵站輸出壓力、管路管徑、流量等相關參數(shù)，滿足遠距離供液的壓力保障及工作面設備對乳化液的流量需求。

2.2 泵站參數(shù)

泵站的選型是解決遠距離供液系統(tǒng)的首要難題。設計泵站安置于距離23110工作面1 860 m的輔運大巷與膠帶大巷聯(lián)絡巷內。經過查閱相關文獻和分析計算后［3］，在充分滿足液壓支架活動需求量前提下，綜合考慮設備自身損耗及富裕系數(shù)，乳化泵選用4臺BRW630/37.5型（2臺使用2臺備用），額定流量與壓力分別為630 L/min和37.5 MPa。搭配2個乳化液箱，混合液箱和回液箱容積均為1 000 L。

2.3 進回液管路設計

參考綜放工作面液壓支架型號及數(shù)量，選用“兩進一回”管路布置方式。由于輸送距離為1 860 m，考慮應用經濟性，從泵站鋪設進工作面的管路選取2路SSKV64型膠管，液壓支架進液管選用DN50SS型高壓膠管，回液選取1路DN110鋼絲骨架管。

2.4 遠程供液配套參數(shù)校驗

在泵站與管路的參數(shù)明確后，為滿足高壓乳化液從泵站經管路輸送到工作面支架時乳化液壓力不低于工作面機尾支架所要求的壓力，須計算壓力損失。由于主進液管為SSKV64型膠管，供液管路內徑101.6 mm。乳化液濃度為5%，所以管道內液體的運動黏度μ=0.913×10-6m2/s。

雷諾數(shù)：

式中：υ為乳化液流速，1.37 m/s；d為供液管路內徑，101.6 mm。

壓力損失包含沿程壓力損失h1、局部壓力損失h2、巷道高度落差壓力損失h3等［4］。

沿程壓力損失h1計算：

式中：λ為供液管路沿程磨阻系數(shù)，查表SSKV64型膠管絕對粗糙度Δ=0.06 mm，根據(jù)絕對粗糙度Δ/供液管路內徑d，比值為0.000 59、雷諾數(shù)Re=1.52×105，判斷乳化液流態(tài)為湍流。查詢Moody圖獲取高壓膠管系數(shù)，取0.027；L為遠程供液管路長度，1 860 m；υ為乳化液流速，1.37 m/s；d為 供 液 管 路 內 徑，101.6 mm；ρ為 流 體 密 度，1 000 kg/m3。

經計算h1=2.723 MPa。

管道連接件、閥門、彎頭等造成局部壓力損失，該系統(tǒng)管路共計32個閘閥、10個直角彎頭。由連接件統(tǒng)計的數(shù)量計算：

式中：n1為閘閥個數(shù)，32；ε1為閘閥處阻力系數(shù)，取ε1=0.2；n2為彎頭個數(shù)，10；ε2為彎頭處阻力系數(shù)，取ε2=0.8。

經計算h2=0.135 MPa。

高度落差壓力損失通常按100 m水柱的壓力降大約為0.1 MPa計算。巷道高度落差壓力損失計算：

式中：ΔH為巷道高度落差,指泵站到回采工作面標高之差，升高160 m。

即h3=0.16 MPa。

對于遠程供液系統(tǒng)，系統(tǒng)供液壓力即管路出口壓力需滿足：

式中：Pb為泵站出口壓力，37.5 MPa。

經計算Pm=34.482 MPa＞31.5 MPa。

通過配套系統(tǒng)的理論計算，遠程供液設計足以滿足綜放工作面液壓需求。

2.5 通信技術

基于遠程供液設計，雖然實現(xiàn)1 860 m遠距離供液，但配套的通信技術也得滿足生產需求。為了提高遠距離乳化液泵站主控器和順槽控制中心之間集中自動化控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋岣哌h控響應的靈敏性，在順槽集中控制中心、遠距離供液系統(tǒng)主控臺、工作面支架控制系統(tǒng)之間建立光纖通信，采用ModbusTCP/IP通信協(xié)議實現(xiàn)雙向通信技術［5］，解決控制信號傳輸?shù)臏笮詥栴}。

3 遠程供液應用及效果分析

3.1 遠程供液應用

根據(jù)流體力學中能量的損失規(guī)律與流態(tài)相關的知識［6］，乳化液流速同樣會造成供液管路的沿程壓力損失。選用智能變頻恒壓供液系統(tǒng)，其核心原理為變頻器采用調整電源的供電頻率實現(xiàn)乳化液泵站驅動電機轉速的控制，進而對乳化液泵輸出的壓力進行控制。在乳化液泵的泵頭處安設電磁卸荷閥，輸出管路的出口處安裝壓力、油溫傳感器，通過參數(shù)調整來控制乳化液泵的卸荷壓力，同時控制乳化液泵站的輸出壓力值，實現(xiàn)系統(tǒng)工作面液壓支架供液管路中壓力恒定。

智能變頻恒壓供液系統(tǒng)大大降低了乳化液到達工作面的壓力損失程度，同時可以改善對液壓系統(tǒng)沖擊損耗，降低竄漏液發(fā)生頻率，提高供液管路、閥組使用壽命。皮帶頭繞道列車安設在輔運大巷和皮帶巷聯(lián)內，設備列車2安設在距皮帶巷口80 m位置，設備列車1安設在皮帶巷距切眼100 m位置。

圖1 遠程供液方案

3.2 遠程供液效果分析

（1）23110工作面遠距離供液實施后，工作面支架靜止狀態(tài)時泵站出口與支架壓力變化趨勢一致，保證綜放工作面設備操作的流暢性；當3個支架同時操作時，乳化液泵出口處瞬時壓力值為31.5 MPa，工作面尾端頭支架壓力值為28 MPa左右,能夠滿足現(xiàn)場設備操作的供液需求。同時，生產過程中，僅安排1名巡檢工即可保證生產穩(wěn)定性，減少了用人數(shù)量，提升了工作面整體智能化水平。

（2）采用遠距離供液系統(tǒng)后，設備的能耗降低，同時可以改善對液壓系統(tǒng)沖擊損耗，降低竄漏液發(fā)生頻率，維修量及維護成本降低，提高了供液管路、閥組使用壽命。

4 結論

1）通過設計自動化工作面遠程供液系統(tǒng)，可解決泵站串車隨工作面推進頻繁移動的復雜程序，提高智能化工作面推進水平，對于深部開采特別是存在沖擊地壓的工作面，可顯著提高人員及巷道設備的安全性。

2）經過對斜鉤煤礦23110工作面1 860 m遠距離供液系統(tǒng)的供液壓力理論計算，并對選定的供液管路進行驗證分析，應用效果可以滿足生產需求。采用ModbusTCP/IP通信協(xié)議實現(xiàn)雙向通信技術，對遠程供液控制信號傳輸提供保障。