0 引言

目前，國內(nèi)大部分煤礦依然選用傳統(tǒng)式的“一面一站”分散化就地供液方式，即在每一個(gè)采煤工作面設(shè)定一個(gè)乳化液泵站，每一個(gè)站配備“四泵三箱”或“三泵一箱”。乳化液泵站一般均布置于工作面主運(yùn)順槽設(shè)備列車上，供、回液管道連接采煤工作面液壓支架[1]。根據(jù)現(xiàn)場使用反饋，現(xiàn)階段供液方式主要存在三方面問題，一是配液濃度值操縱難度系數(shù)大，實(shí)際操作艱難。當(dāng)配制濃度值低時(shí)，導(dǎo)致液壓傳動(dòng)系統(tǒng)生銹等難題，當(dāng)配制濃度值高時(shí)，又會導(dǎo)致乳化液的無功消耗；二是受井下環(huán)境影響，乳化液配置過程時(shí)，在乳化液桶吸油、液箱張口等處易進(jìn)入煤塵等臟物，嚴(yán)重時(shí)會造成液壓傳動(dòng)系統(tǒng)阻塞；三是供液系統(tǒng)頻繁移動(dòng)，出現(xiàn)跑漏、滲漏狀況，使用維護(hù)成本增加。因此提出適合井下煤炭開采的高效集中供液技術(shù)具有十分重要的意義。

1 工程概述

大海則煤礦位于陜西省榆林市榆陽區(qū)西部，隸屬于中煤陜西榆林能源化工有限公司，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.0Mt/a。礦井移交時(shí)在201、202盤區(qū)共布置兩個(gè)大采高綜采工作面，兩個(gè)工作面面長均為300m，平均采高6.0m和6.6m，走向長度3200m和3800m。工作面配備ZY18000/32/65D支架，工作阻力18000kN，單架重量68.5t，支架乳化液需要量2800L/min。SL1000采煤機(jī)，裝機(jī)功率2640kW，最大截割高度7.1m，滾筒直徑3.5m，截深865mm，適應(yīng)煤層傾角≤10°。工作面回采巷道采用雙巷制，一條回風(fēng)巷（兼輔運(yùn)巷）和一條帶式輸送機(jī)巷，巷道斷面形式采用矩形斷面?；仫L(fēng)巷凈斷面積23.7m2，凈寬5640mm，凈高4200mm；帶式輸送機(jī)巷凈斷面積25.5m2，凈寬6140mm，凈高4150mm；202盤區(qū)工作面回風(fēng)巷凈斷面積23.7m2，凈寬5640mm，凈高4200mm；202盤區(qū)工作面帶式輸送機(jī)巷凈斷面積26.7m2，凈寬6140mm，凈高4350mm。

2 遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)的組成

針對傳統(tǒng)供液技術(shù)存在的弊端，提出適合大海則煤礦井下工作面開采的高效集中遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)方案，包括乳化液系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)。其中乳化液系統(tǒng)主要由地面乳化液配比站、配比液輸送管路、井下遠(yuǎn)距離供液泵站、乳化液供液主管、乳化液供液支管、乳化液回液主管和乳化液回液支管等組成；噴霧系統(tǒng)主要由進(jìn)水過濾站、噴霧水箱、噴霧增壓過濾、噴霧蓄能器站、噴霧泵組和噴霧供液管路等組成，詳見圖1。

圖1 遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)圖

將供液系統(tǒng)布置在工作面順槽外，供液距離將達(dá)到4000m，遠(yuǎn)距離供液距離長、管路壓力損失大，為保證遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)的安全、可靠，乳化液泵和噴霧泵的流量和壓力值，除滿足支架和采煤機(jī)等設(shè)備的正常使用外，還應(yīng)考慮管路的損失、管路材質(zhì)選擇和管路系統(tǒng)布置方案。另外，大海則煤礦作為現(xiàn)代化大型礦井，遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)智能化也是重點(diǎn)的考量指標(biāo)。鑒于上述理由，大海則煤礦井下遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)設(shè)備配置主要如下：

2.1 乳化液供液設(shè)備

2.1.1 地面自動(dòng)配比站設(shè)備

本礦井在地面設(shè)置自動(dòng)配比站，站內(nèi)安裝1套乳化液配比系統(tǒng)，包含1個(gè)配比液箱總成、1個(gè)乳化油箱總成、1個(gè)凈水箱總成及配比控制箱等部件，各箱體容積均為10000L。配比液箱總成配置2臺循環(huán)泵，1臺工作1臺備用，每臺泵電機(jī)功率0.75kW，電壓380V；乳化油箱總成配置2臺動(dòng)力泵，1臺工作1臺備用，每臺泵電機(jī)功率1.5kW，電壓380V；凈水箱總成配置2臺補(bǔ)水泵，1臺工作1臺備用，每臺泵電機(jī)功率3kW，電壓380V。

乳化油箱和凈水箱分別向配比箱內(nèi)注入水和油，配比箱內(nèi)混合均勻后經(jīng)輸液管路輸送至井下乳化液泵站。配比站自動(dòng)配比濃度范圍在2%-7%內(nèi)，并且可調(diào)。具有手動(dòng)與自動(dòng)兩種控制模式，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)控制乳化液配比系統(tǒng)啟停功能，能實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示乳化液配液濃度。另外，配比站具有乳化液箱液位、乳化油油箱油位監(jiān)測與顯示功能；具有液位實(shí)時(shí)監(jiān)測和乳化液自動(dòng)補(bǔ)液功能，當(dāng)乳化油箱油位偏低時(shí)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警并停止乳化液自動(dòng)配比，提示補(bǔ)充乳化油；其控制裝置具有顯示屏，可在屏幕上顯示液箱液位、乳化油油位、乳化液濃度、乳化液溫度等信息，具有數(shù)據(jù)查詢及參數(shù)配置功能。整個(gè)配比系統(tǒng)能夠適應(yīng)水壓范圍1-2MPa不穩(wěn)定的工況條件；具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口與通訊協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，具有在遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，遠(yuǎn)程控制及參數(shù)調(diào)整等功能。

2.1.2 井下遠(yuǎn)距離供液泵站

井下201、202盤區(qū)各設(shè)置1套遠(yuǎn)距離乳化液供液泵站。每個(gè)泵站由乳化液泵（4臺）、乳化液箱（3個(gè)）、乳化增壓過濾、乳化蓄能器站和回液過濾站等組成。乳化液泵3臺工作，1臺備用，每臺乳化液泵配置1臺隔爆變頻異步電動(dòng)機(jī)。泵站設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 乳化液泵站技術(shù)能力特征表

井下遠(yuǎn)距離供液泵站作為遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)的核心點(diǎn)位，其系統(tǒng)工藝為：地面配比液管路→乳化液箱→乳化液泵→高壓供液站→高壓自動(dòng)反沖洗過濾站→管道式過濾器→液壓支架→自動(dòng)反沖洗回液過濾站→供液箱。

供液泵站具有自動(dòng)卸載功能，可滿足自動(dòng)和機(jī)械兩種模式長期運(yùn)行的要求。供液泵站變頻控制和電磁閥卸荷智能聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力波動(dòng)的最小化、系統(tǒng)瞬間供液最大化，實(shí)現(xiàn)工作面恒壓供液。供液泵站具有性能可靠的工作面緊急卸荷系統(tǒng)，在膠管爆裂等突發(fā)情況下，能夠瞬間卸除主管路內(nèi)壓力，同時(shí)關(guān)閉蓄能器和泵站系統(tǒng)。同時(shí)，具有故障診斷、故障記錄、單泵運(yùn)行時(shí)間累積存儲、濃度監(jiān)測、自動(dòng)配液、低油位、低液位、超溫、管路失壓、潤滑油壓力和油位及油溫等保護(hù)功能。

2.2 噴霧系統(tǒng)設(shè)備

井下201、202盤區(qū)各設(shè)置1套噴霧泵站，每個(gè)泵站由進(jìn)水過濾站、噴霧泵（2臺）、噴霧泵液箱（1個(gè)）、噴霧增壓過濾和噴霧蓄能器站等組成。噴霧泵1臺工作，1臺備用，每臺泵配置1臺隔爆變頻異步電動(dòng)機(jī)。泵站設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 噴霧泵站技術(shù)能力特征表

噴霧泵具有水箱低水位、超溫、潤滑油壓力和油位及油溫等保護(hù)功能，可顯示壓力、流量、水位、溫度等數(shù)據(jù)。泵體上配備必要的監(jiān)測儀表，如壓力表、潤滑表、流量表、溫度表、液位表、乳化液濃度表等。

噴霧泵液箱，配有電磁閥控制的自動(dòng)進(jìn)水裝置。液箱配有必要的監(jiān)測儀表，如液位計(jì)等。噴霧泵液箱能夠自動(dòng)監(jiān)控清水箱的低液位,實(shí)現(xiàn)低位報(bào)警，超低位自動(dòng)停機(jī)保護(hù)。清水液箱具有清理口，可方便人員對箱體內(nèi)部的清洗。箱體組裝后為封閉式結(jié)構(gòu)，防止矸石、煤粉等雜物落入。液箱回液管與液箱連接處必須牢固可靠。

2.3 管路

2.3.1 乳化液管路規(guī)格

①配比液管路。

配比液管路選用Φ65×6（mm）無縫鋼管，沿地面及主立井井筒敷設(shè)1趟。

②乳化液供液管路。

乳化液供液管路干管選用Φ146×13（mm）27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，由乳化液泵站硐室沿2煤南、北翼回風(fēng)大巷各敷設(shè)1趟至工作面巷道口，供液支管選用Φ121×12（mm）27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，沿各綜采工作面帶式輸送機(jī)巷敷設(shè)1趟。

③乳化液回液管路。

乳化液泵站回液干管選用Φ146×9（mm）27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，由乳化液泵站硐室沿2煤南、北翼回風(fēng)大巷各敷設(shè)1趟至工作面巷道口，支管選用Φ133×9（mm）27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，沿各綜采工作面帶式輸送機(jī)巷敷設(shè)1趟。

2.3.2 噴霧供液管路

噴霧供液管路選用Φ108×5（mm）27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，由乳化液泵站硐室沿2煤南、北翼回風(fēng)大巷、綜采工作面帶式輸送機(jī)巷各敷設(shè)1趟。

2.3.3 供液管路管路特點(diǎn)

配比液管路靜壓輸送，傳輸壓力相對較小，采用普通無縫鋼管即可滿足使用要求。乳化液供液管路和噴霧供液管路，根據(jù)其特有的工況及工作環(huán)境，采用27SiMn牌號無縫鋼管，該管路主要具有以下特點(diǎn)：①該管路為超高壓無縫鋼管，具備較高的機(jī)械強(qiáng)度，可承壓60MPa，與其它管材相比更加安全；②耐腐蝕性強(qiáng)，特別適合在煤礦高壓管路中使用，使用壽命遠(yuǎn)高于其它管材；③管路阻力小，輸送介質(zhì)不會因管道內(nèi)壁問題混入其它雜質(zhì)，輸送能力有保障；④采用超高壓連接器連接，施工方便，安全可靠。

2.3.4 供液管路壓力校驗(yàn)

液壓系統(tǒng)中，當(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí)，有兩種主要的能量損失，一類是油液流經(jīng)管道時(shí)，流體的粘性和管壁產(chǎn)生的粘滯力所造成的能量損失，也表現(xiàn)為壓力的降低，稱之為沿程壓力損失。另一類是油液通過管道的節(jié)流元件（如彎頭、接頭、管道截面突然擴(kuò)大或收縮）時(shí)所造成的能量損失，由于液流的方向和速度的突然變化，在局部形成旋渦引起油液質(zhì)點(diǎn)間，以及質(zhì)點(diǎn)與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產(chǎn)生的壓力損失稱之為局部壓力損失[2-3]。

遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)中，遠(yuǎn)距離供液管路設(shè)置于巷道口，其節(jié)流原件較少，壓力損失主要主要體現(xiàn)在沿程損失，局部阻失相對較小，管路壓力損失計(jì)算可以簡化為：

Δpf=λ·L/d·ρ·υ2/2

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，它是雷諾數(shù)Re和相對粗糙度Δ/d的函數(shù)，λ=0.3164Re-0.25；L為鋼管的最遠(yuǎn)供液長度；d為供液管路內(nèi)徑；ρ為流體（乳化液）密度；υ為管內(nèi)平均流速[4]。

其中，雷諾數(shù)Re=υ×d/V，計(jì)算數(shù)值詳見表3，式中：υ為管內(nèi)平均流速；d為管路內(nèi)徑；V為乳化液運(yùn)動(dòng)黏度。

表3 雷諾數(shù)Re的計(jì)算

根據(jù)表4中管路壓力損失的計(jì)算值，綜采工作面乳化液供液管路最遠(yuǎn)端管路壓強(qiáng)為：P=P公稱-Δpf=（40-1.5-9.6）=28.9MPa。滿足工作面支架初撐力24MPa的要求[4-5]。乳化液回液管路內(nèi)徑均大于供液管路，阻力系數(shù)相對供液管路較小，不再進(jìn)行特殊驗(yàn)證。

表4 管路阻力損失Δpf的計(jì)算

綜采工作面噴霧管最遠(yuǎn)端管路壓強(qiáng)為：P=P公稱-Δpf=（16-1.09）=14.9MPa。滿足工作面噴霧壓力不小于10MPa的要求。

3 遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)效果分析

遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)是乳化液高壓供、回液及噴霧水高壓供液管路為煤礦井下綜合機(jī)械化采煤遠(yuǎn)程提供高壓乳化液，支架回液和噴霧用高壓水的輸送裝置，從設(shè)計(jì)上和使用上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，從根本上解決了傳統(tǒng)供液技術(shù)存在的問題[6-7]，良好的使用效果，主要體現(xiàn)在以下四方面：

①礦井采用遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)后，工作面順槽設(shè)備列車數(shù)量減少，巷道布置簡潔，巷道斷面較不采用遠(yuǎn)距離供液縮小15%。②供液系統(tǒng)集中管理，減少了供液系統(tǒng)設(shè)備搬移次數(shù)，降低了供液系統(tǒng)的故障率，消除了拉移設(shè)備列車車過程中各種不安全因素。③乳化液配比工藝遷移至地面進(jìn)行，配比站環(huán)境較井下顯著提升，沒有煤塵等臟物的影響，乳化液配比工作簡單、配比精度提升。④設(shè)備管理方面，固定地點(diǎn)集中供液有效解決了泵站設(shè)備的防潮、防污管理。

4 結(jié)論

液壓支架、采煤機(jī)作為工作面三機(jī)配套的關(guān)鍵設(shè)備，其穩(wěn)定性直接與礦井的安全、高效生產(chǎn)掛鉤，而乳化液供液質(zhì)量直接影響液壓支架密封件的使用效果和使用壽命。通過遠(yuǎn)距離供液技術(shù)，提高了乳化液供液質(zhì)量，同時(shí)簡化了工作面順槽機(jī)電設(shè)備管理，降低了供液設(shè)備的故障率，對巷道斷面的優(yōu)化起到了積極作用，對推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)具有重要意義，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。