煤礦井下綜采工作面遠(yuǎn)距離供電技術(shù)討論

徐 凱

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

隨著煤礦開(kāi)采機(jī)械化、自動(dòng)化技術(shù)的高速發(fā)展，礦井井下供電系統(tǒng)的重要性越來(lái)越明顯，合理的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能保障礦井的安全高效開(kāi)采，維持礦井的安全生產(chǎn)，而且能降低運(yùn)行成本，節(jié)能減排，帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。井下綜采工作面?zhèn)鹘y(tǒng)的供電方式為在運(yùn)輸巷內(nèi)距綜采工作面不遠(yuǎn)處設(shè)置設(shè)備列車(chē)，在設(shè)備列車(chē)上配置移動(dòng)變電站、組合開(kāi)關(guān)等電氣設(shè)備，為整個(gè)綜采工作面設(shè)備提供電源。設(shè)備列車(chē)隨工作面的推進(jìn)向前移動(dòng)，設(shè)備列車(chē)至工作面電纜采用單軌吊的方式進(jìn)行敷設(shè)[1-5]。

1 傳統(tǒng)供電方式弊端

1)隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是煤炭開(kāi)采裝備的技術(shù)更新，綜采工作面單面的產(chǎn)量越來(lái)越高，同時(shí)設(shè)備功率也越來(lái)越大，綜采工作面配電所需要的設(shè)備數(shù)量大幅度增多，造成設(shè)備列車(chē)的規(guī)模增大，有些礦井設(shè)備列車(chē)長(zhǎng)度達(dá)到100m以上。大量的供電設(shè)備布置在綜采工作面巷道內(nèi)，維護(hù)和檢修的工作量較大，特別是備品備件的運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，造成檢修時(shí)間的拉長(zhǎng)。

2)受礦壓的影響，綜采工作面巷道變形較大，特別是底鼓現(xiàn)象，造成巷道內(nèi)水平面起伏較大。設(shè)備列車(chē)在開(kāi)采過(guò)程中移動(dòng)難度增加，需要進(jìn)行大量的工作對(duì)巷道進(jìn)行擴(kuò)幫、挖底，移動(dòng)效率較低，也增加了井下工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)巷道變形引起的巷道截面變小，不能滿足礦井設(shè)計(jì)通風(fēng)能力，在綜采工作面內(nèi)布置設(shè)備列車(chē)占用了大量空間，進(jìn)一步縮小了巷道的有效通風(fēng)截面，對(duì)工作面通風(fēng)系統(tǒng)影響較大。

4)大量的移動(dòng)變電站布置在綜采工作面巷道設(shè)備列車(chē)上，當(dāng)巷道空間狹小時(shí)，移動(dòng)變電站運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)擴(kuò)散，使周?chē)h(huán)境溫度升高。設(shè)備列車(chē)一般布置在工作面進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)，當(dāng)移動(dòng)變電站周?chē)h(huán)境溫度升高時(shí)，高溫氣體會(huì)隨著風(fēng)流進(jìn)入工作面，造成綜采工作面環(huán)境溫度的升高，進(jìn)一步惡化了工作面工人的工作環(huán)境。

2 遠(yuǎn)距離供電方式

為解決傳統(tǒng)的綜采工作面供電方式在運(yùn)行過(guò)程中帶來(lái)的問(wèn)題，煤炭行業(yè)技術(shù)工作者做了大量的研究，提出了多種不同的新的供電方式。新的供電方式與傳統(tǒng)的供電方式最大的特點(diǎn)是把綜采工作面的移動(dòng)變電站由設(shè)備列車(chē)布置改為在綜采工作面巷道口處布置，因移動(dòng)變電站布置位置較傳統(tǒng)供電方式遠(yuǎn)離綜采工作面，這一類(lèi)供電方式統(tǒng)稱為遠(yuǎn)距離供電方式。在實(shí)際應(yīng)用中，遠(yuǎn)距離供電往往與遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)聯(lián)合考慮，大大減少了工作面巷道內(nèi)的設(shè)備列車(chē)數(shù)量[5-7]。

趙固一礦16001大采高綜采工作面、清塬煤礦42101綜采工作面、華亭硯北煤礦2502綜采工作面均在運(yùn)輸巷順槽布置集中供電及供液硐室，集中供電及供液硐室布置高壓配電裝置及移動(dòng)變電站，采用電壓等級(jí)3300V或1140V電源為綜采工作面內(nèi)組合開(kāi)關(guān)提供電源，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離供電；組合開(kāi)關(guān)布置在工作面附近巷道內(nèi)，直接為采煤機(jī)、刮板機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等大功率設(shè)備供電。龍王溝煤礦61601工作面，將乳化液泵站、噴霧泵站及工作面供電設(shè)備布置在停采線外的硐室內(nèi)，刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)的供電設(shè)備及變頻器也布置在停采線外的硐室內(nèi)，但受供電壓降影響，采煤機(jī)、破碎機(jī)的供配電設(shè)備無(wú)法布置在停采線外硐室內(nèi)，故將采煤機(jī)、破碎機(jī)的供電設(shè)備布置在距離工作面750m的硐室內(nèi)，隨工作面每推進(jìn)500m移動(dòng)一次[8-15]。以上各煤礦綜采工作面供電方式的選擇均是結(jié)合礦井自身的供電條件、工作面布置、采煤設(shè)備參數(shù)等，在滿足供電系統(tǒng)安全運(yùn)行要求的前提下，盡可能的集中布置供電設(shè)備，減少供電設(shè)備的移動(dòng)次數(shù)[16]。

葫蘆素煤礦CT21201矸石充填工作面采用三巷制，分別為工作面運(yùn)煤巷、工作面輔運(yùn)巷和工作面回風(fēng)巷。受運(yùn)矸系統(tǒng)的布置限制，工作面巷道內(nèi)空間緊張，無(wú)法布置設(shè)備列車(chē)，設(shè)計(jì)采用遠(yuǎn)距離供電供液方式，在充填工作面停采線以內(nèi)設(shè)集中供電及供液硐室，距離工作面1181m。將工作面集中供電供液硐室布置于工作面終采線外，需遠(yuǎn)距離供電設(shè)備見(jiàn)表1。供電總長(zhǎng)度約為1300m。

表1 工作面設(shè)備負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

選取不同電壓等級(jí)，功率最大的設(shè)備進(jìn)行電壓損失計(jì)算，即以雙滾筒采煤機(jī)為例計(jì)算3300V供電線路電壓損失，以可彎曲刮板輸送機(jī)為例計(jì)算1140V供電線路電壓損失。

以3300V電壓等級(jí)為雙滾筒采煤機(jī)供電，根據(jù)電纜載流量選擇截面為95mm2的銅芯電纜，計(jì)算壓降為2.61%<5%，根據(jù)《煤礦井下供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50417—2007)第6.3.3條規(guī)定，“正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的端電壓允許偏移額定電壓±5%，個(gè)別特別遠(yuǎn)的電動(dòng)機(jī)允許偏移-8%～-10%”，壓降滿足要求。以1140V電壓等級(jí)為可彎曲刮板輸送機(jī)供電，根據(jù)電纜載流量選擇截面為95mm2的銅芯電纜，計(jì)算壓降為8.14%>5%，不滿足要求；依次增大供電電纜截面進(jìn)行壓降計(jì)算，直到截面為185mm2的銅芯電纜時(shí)計(jì)算壓降為4.76%<5%，才可滿足規(guī)范要求。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，采煤機(jī)采用3300V供電，供電距離1.3km時(shí)，移動(dòng)變電站至設(shè)備端的電壓損失為2.61%小于規(guī)范要求的5%；可彎曲刮板輸送機(jī)采用1140V供電，供電距離1.3km時(shí)，通過(guò)增大供電電纜截面可使移動(dòng)變電站至設(shè)備端的電壓損失為4.76%小于規(guī)范要求的5%。在工作面終采線外設(shè)工作面集中供電供液硐室，能夠滿足供電的要求，但1140V的電纜截面由95mm2增大至185mm2，電纜截面增加了一倍。

3 遠(yuǎn)距離供電的問(wèn)題

綜采工作面遠(yuǎn)距離供電方式在新的開(kāi)采條件下，為解決傳統(tǒng)供電方式的不足提供了新的解決方案，為井下供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供了新的選擇，但受當(dāng)前煤礦行業(yè)供電設(shè)備技術(shù)能力的限制，在使用中也存在一些問(wèn)題。

1)遠(yuǎn)距離供電方式將井下移動(dòng)變電站設(shè)置在遠(yuǎn)離工作面設(shè)備的位置，低壓供電距離增加，為解決壓降問(wèn)題，往往要采用增大電纜截面或者敷設(shè)多根電纜的方式，客觀上增加了供電系統(tǒng)的成本。

2)采用遠(yuǎn)距離供電方式時(shí)，綜采工作面巷道內(nèi)敷設(shè)的電纜數(shù)量增多，且電纜需要隨工作面的推進(jìn)及時(shí)進(jìn)行收放，巷道內(nèi)電纜接頭增多，隱患故障點(diǎn)增多。同時(shí)，電纜數(shù)量的增多往往需要在巷道內(nèi)設(shè)置通長(zhǎng)的單軌吊進(jìn)行電纜的敷設(shè)，對(duì)頂板條件不好的礦井，設(shè)置的難度較大。

3)采用較低電壓進(jìn)行遠(yuǎn)距離供電，電纜線路上電流增大，功率損耗增大，供電系統(tǒng)的運(yùn)行成本增加，且與現(xiàn)行的節(jié)能政策相違背。

4)目前大部分采用遠(yuǎn)距離供電的礦井，實(shí)際僅僅將移動(dòng)變電站移出工作面巷道，考慮現(xiàn)場(chǎng)控制的需求，直接控制工作面設(shè)備的組合開(kāi)關(guān)等還需要就地設(shè)置在設(shè)備列車(chē)或者轉(zhuǎn)載機(jī)落地段上，巷道通風(fēng)有效面積實(shí)際上并沒(méi)有增加。

5)在采用完全的遠(yuǎn)距離供電時(shí)，所有供電設(shè)備設(shè)置在遠(yuǎn)離工作面的集中供電及供液硐室時(shí)，工作面工人啟停設(shè)備時(shí)需要通過(guò)遠(yuǎn)程控制手段或者沿線喊話的方式來(lái)控制設(shè)備的起、停。對(duì)控制系統(tǒng)通訊的可靠性有更高的要求，同時(shí)異地控制的延遲或者控制網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定容易造成新的安全隱患。

4 遠(yuǎn)距離供電的選擇與前景

井下綜采工作面遠(yuǎn)距離供電方式，在工作面受礦壓影響巷道變形較大，設(shè)備列車(chē)移動(dòng)困難時(shí)，能起到很好的作用，可有效的縮小設(shè)備列車(chē)的規(guī)模，降低巷道維護(hù)的工作量。但同時(shí)作為一種新興的供電方式，其本身也存在上述的一些問(wèn)題，各煤礦在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)自身的開(kāi)采條件、生產(chǎn)需求及管理制度等進(jìn)行合理的選擇，不能一味的追求“先進(jìn)”。

井下綜采工作面遠(yuǎn)距離供電方式在改善設(shè)備布置環(huán)境，降低維護(hù)難度，增加工作面巷道有效通風(fēng)及通行截面，增加供電設(shè)備的推移速度等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，但還有以下幾點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題需要解決：

1)盡量提升設(shè)備的電壓等級(jí)，目前3300V供電設(shè)備在煤礦井下已經(jīng)成熟的運(yùn)行了多年，大多數(shù)大功率設(shè)備采用3300V電壓等級(jí)。但功率稍小的設(shè)備因成本的問(wèn)題，采用更低電壓等級(jí)的電機(jī)，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離供電設(shè)計(jì)時(shí)，低電壓等級(jí)的設(shè)備往往會(huì)需要大截面的電纜進(jìn)行供電，所以3300V電壓等級(jí)的小功率電機(jī)的低成本、小尺寸應(yīng)是未來(lái)需要解決的問(wèn)題之一。

2)遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)需要對(duì)巷道內(nèi)的電纜進(jìn)行及時(shí)的收放，目前采用的電纜接頭拆裝效率較低，開(kāi)發(fā)更安全更高效的電纜連接裝置是遠(yuǎn)距離供電方式的重要需求。

3)遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)設(shè)備布置遠(yuǎn)離工作面設(shè)備，工作面工作人員在控制設(shè)備起、?；驊?yīng)急情況下的緊急停車(chē)需要更安全可靠的聯(lián)動(dòng)控制方式，目前的井下綜采工作面控制系統(tǒng)一般采用總線制進(jìn)行控制，單總線結(jié)構(gòu)在巷道的復(fù)雜條件下可靠性值得商榷。開(kāi)發(fā)一種可冗余、更可靠的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)是遠(yuǎn)距離供電的迫切需求。