緩傾斜煤層綜采工作面乳化液泵站的選型

侯天晶

（山西焦煤責(zé)任有限公司官地煤礦綜安區(qū)，山西太原 030053）

0 引言

工作面開(kāi)采設(shè)備選型是制約礦井生產(chǎn)能力的重要因素，對(duì)于綜采工作面而言，主要的開(kāi)采設(shè)備包括液壓支架、采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、皮帶機(jī)、乳化液泵站等[1-2]。設(shè)備的選型要與工作面的實(shí)際生產(chǎn)能力相匹配，若開(kāi)采設(shè)備功率過(guò)高，會(huì)造成資源浪費(fèi)，降低生產(chǎn)效率；若開(kāi)采設(shè)備功率過(guò)低，會(huì)造成設(shè)備長(zhǎng)期處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，影響設(shè)備的正常使用，降低設(shè)備的使用壽命[3-5]。因此，對(duì)工作面開(kāi)采設(shè)備的合理選型十分重要，而乳化液泵站作為工作面支護(hù)設(shè)備的動(dòng)力來(lái)源，對(duì)它的合理選型也是保障工作面支護(hù)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文作者以某礦緩傾斜煤層工作面實(shí)際地質(zhì)情況為工程背景，分析乳化液泵站的組成和工作原理，并對(duì)其進(jìn)行合理選型，為工作面高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某礦4301工作面位于南二盤區(qū)南部，西側(cè)為井田邊界，北側(cè)為待回采的4303工作面。工作面傾斜長(zhǎng)度為180 m，走向長(zhǎng)度為1 320 m，主采3#煤層，埋深為534～635 m，煤層厚度為2.8～3.5 m，平均3.2 m。煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傾角為11～18°，平均為11°，屬于緩傾斜煤層，工作面東側(cè)傾角較小，西側(cè)較大，工作面采用俯采方法，俯角為3°。

工作面煤層頂板為深灰色泥巖，厚度平均為2.7 m，底板為灰色砂質(zhì)泥巖，厚度平均為1.3 m?；夭上锏谰蜻M(jìn)過(guò)程中，共揭露斷層8條，均為逆斷層，其中F6斷層落差為1.4 m，對(duì)工作面開(kāi)采會(huì)造成一定影響，其余斷層落差較小，基本不會(huì)影響工作面的正常生產(chǎn)。工作面兩側(cè)分布布置材料巷和運(yùn)輸巷，巷道均為矩形斷面，斷面尺寸均為4.5 m×3.0 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

2 乳化液泵站的組成及工作原理

2.1 乳化液泵站的組成

乳化液泵站由乳化液泵組、乳化液箱以及其它附屬裝置所組成，如圖1所示[6]。

圖1 乳化液泵站的組成

圖中，為保證工作面的生產(chǎn)要求，乳化液泵站一般安裝2臺(tái)乳化液泵和1個(gè)乳化液箱。正常工作時(shí)，2臺(tái)乳化液泵一臺(tái)工作另一臺(tái)備用，當(dāng)工作面液壓設(shè)備所需供液量增大時(shí)，可利用2臺(tái)乳化液泵并聯(lián)使用。

2.2 乳化液泵的工作原理

主要介紹采用往復(fù)式柱塞的乳化液泵的工作原理，這是一款容積式的液壓泵，如圖2所示[7]。

圖2 往復(fù)式單柱塞泵的工作原理

圖中，該型乳化液泵在工作時(shí)通過(guò)弱雞變化來(lái)完成吸液和排液的過(guò)程。在電動(dòng)機(jī)的牽引下，曲軸沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，受曲軸作用，連桿開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊往返運(yùn)動(dòng)，在滑塊運(yùn)動(dòng)的影響下，柱塞向左運(yùn)動(dòng)，使泵缸內(nèi)的氣壓降低，將乳化液通過(guò)進(jìn)液閥吸入崩崗內(nèi)，乳化液泵完成吸液過(guò)程。

完成吸液過(guò)程后，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連桿、滑塊的帶動(dòng)，柱塞向右運(yùn)動(dòng)，泵缸內(nèi)壓力增大，進(jìn)液閥受壓關(guān)閉，出液閥被頂開(kāi)，乳化液由出液閥進(jìn)入供液管道，完成出液過(guò)程。至此，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)一周，乳化液泵也完成了一次完整的工作循環(huán)[8]。

3 配套液壓支架技術(shù)參數(shù)

3.1 液壓支架選型及驗(yàn)算

該礦4301工作面目前擬定選用ZY5600/20/40型掩護(hù)式支架，下面對(duì)其基本參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。

（1）支架工作阻力驗(yàn)算

根據(jù)頂板載荷估算法，工作面液壓支架工作阻力應(yīng)為

式中：Pz為液壓支架工作阻力，kN；Ky為頂板巖層厚度系數(shù)，取8；H為工作面最大采高，取3.5 m；F為支架頂梁面積，取5.475 m2；γ為頂板巖層平均容重，取25 kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入式（1），可得：

已知ZY5600/20/40型支架工作阻力為5 600 kN，滿足工作面實(shí)際要求。

（2）支架初撐力驗(yàn)算

根據(jù)相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，支架初撐力不低于工作阻力的80%，根據(jù)前面所求出的支架阻力，可得：

式中：P0為支架初撐力，kN。

將支架工作阻力代入，可得支架初撐力為3 066 kN。

已知ZY5600/20/40型支架初阻力為5 064 kN，滿足工作面實(shí)際要求。

（3）底板比壓驗(yàn)算

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，可知4301工作面底板比壓為1.0～2.44 MPa，ZY5600/20/40 型支架底板比壓為 0.28～2.94 MPa，滿足工作面實(shí)際要求。

3.2 液壓支架參數(shù)

ZY5600/20/40型液壓支架基本參數(shù)如表1所示。

表1 液壓支架主要參數(shù)

4 乳化液泵站選型計(jì)算

4.1 泵站壓力的計(jì)算

乳化液泵站的壓力應(yīng)當(dāng)根據(jù)液壓支架初撐力所選壓力Pb1和千斤頂達(dá)到最大推所需泵站壓力Pb2來(lái)確定。

其中，液壓支架達(dá)到初撐力所需的泵站壓力為：

式中：Z為每個(gè)支架立柱的根數(shù)，取2；D為液壓支架立柱的缸體直徑，取0.32 m；P0為液壓支架工作初撐力，取5.064 MN。

可得：

Pb1=4×5.064÷(2π×0.322)=31.5 MPa

推移千斤頂最大推力需要達(dá)到的泵站壓力為：

式中：d為千斤頂?shù)母左w直徑，取0.18 m；Ps為千斤頂最大推力，取0.544 MN。

可得：

Pb1=4×0.544÷(π×0.182)=21.5 MPa

通過(guò)以上分析可知，支架達(dá)到初撐力所需泵站壓力為31.5 MPa，推移千斤頂最大推力所需泵站壓力為21.5 MPa，Pb1＞Pb2，因此，泵站壓力可為：

式中：P為泵站工作壓力，MPa；K為泵站系統(tǒng)壓力損失系數(shù)，一般為1.1～1.2，取1.1。

4.2 泵站流量的確定

乳化液泵站所需流量應(yīng)當(dāng)根據(jù)每組液壓支架移架時(shí)立柱和千斤頂所需的最大流量確定。在該工作面，每7架液壓支架為1組，則泵站所需流量的表達(dá)式為：

式中：Q為泵站所需流量，L/min；n1為移架時(shí)同時(shí)升降的立柱數(shù)，取2×7=14；n2為移架時(shí)同時(shí)升降的千斤頂數(shù)，取1×7=7；s1為支架移架時(shí)立柱的行程，取20 cm；B為支架移架時(shí)千斤頂?shù)男谐蹋?0 cm；F1為立柱環(huán)形腔的作用面積，取803.84 cm2；F2為活塞腔的作用面積，取1 464.03 cm2；F3為千斤頂移架腔的作用面積，取254.34 cm2；v為采煤機(jī)的牽引速度，取4.5 m/min；L為支架的間距，取1.5×8=12 m；t1為支架移架時(shí)所需其它輔助時(shí)間，取0.2 min；η1為泵站容積效率，取0.9。

將數(shù)據(jù)代入，可得Q=334.16 L/min。

4.3 泵站功率的確定

泵站電機(jī)功率N的表達(dá)式為：

式中：Pe為泵站的額定壓力，取31.5 MPa；η為泵站的效率，取0.9。

可得電機(jī)功率為N=210.22 kW。

4.4 泵站乳化液箱容積的確定

泵站工作時(shí)所需流量選擇乳化液箱容積V1為：

式中：Q0為乳化液箱底至吸液口最低位時(shí)的流量，取150～200 L。

可得V1≥1 202.48 L。

乳化液泵停止工作造成乳化液全部回流所需的乳化液箱容積V2為：

式中：d1為主進(jìn)液管直徑，取5 cm；d2為回液管直徑，取5 cm；L1為主進(jìn)液管長(zhǎng)度，取4 000 cm；L2為回液管長(zhǎng)度，取4 000 cm；

可得V2≥491.16 L。

煤層厚度起伏變化時(shí)，支架立柱伸縮所需流量差V3為：

式中：h為煤層厚度變化量，取70 cm；D為支架立柱缸體內(nèi)徑，取32 cm；n為每個(gè)支架立柱數(shù)，取2；z1為同時(shí)動(dòng)作的支架數(shù)，取7。

可得V3≥787.76 L。

通過(guò)以上分析可知，乳化液箱的容積為

V≥V1+V2+V3=2 481.4 L

因此，乳化液泵箱容積應(yīng)大于2 481.4 L。

4.5 乳化液泵站的參數(shù)確定

根據(jù)以上分析，該礦4301工作面使用BRW-315/31.5型乳化液泵和XR-WS2500A型乳化液泵箱，兩泵配一箱方式工作，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 乳化液泵站基本參數(shù)

由表2可以看出，采用該型乳化液泵和泵箱完全滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

根據(jù)某礦4301工作面實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)工作面乳化液泵站的組成和工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并對(duì)泵站參數(shù)進(jìn)行計(jì)算選型，最終選擇BRW-315/31.5型乳化液泵和XR-WS2500A型乳化液泵箱，為相似條件下工作面乳化液泵站選型提供理論依據(jù)。