新窯煤礦工作面遠(yuǎn)距離供液可行性研究

張健，唐浩民，苗向民

(華亭煤業(yè)集團(tuán) 新窯煤礦有限責(zé)任公司, 甘肅 平?jīng)?744100)

0 引言

新窯煤礦位于甘肅省崇信縣新窯鎮(zhèn)，隸屬于華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司。礦井為一井一面生產(chǎn)格局，單水平上下山開拓，采用走向長壁綜采放頂開采方法，用全部垮落法管理頂板。礦井綜采工作面?zhèn)鹘y(tǒng)的供電、供液方式均為將設(shè)備列車、泵站等與帶式輸送機(jī)同時布置于運輸巷道。由于巷道圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生冒頂、片幫及底鼓等現(xiàn)象，變形嚴(yán)重，導(dǎo)致巷道空間狹小、有效通風(fēng)斷面小、行人困難，難以滿足礦井減人提效、安全高效開采的要求[1]。主要生產(chǎn)現(xiàn)狀為:

1) 巷道圍巖穩(wěn)定性問題。新窯煤礦4506工作面位于礦井四采區(qū)，為該采區(qū)煤5層第6個傾斜綜采放頂煤工作面。煤5層頂板巖性以劣質(zhì)油頁巖、油頁巖及泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，平均厚度為4.07 m；底板巖性主要為各種粒徑砂巖、泥巖，其次為砂質(zhì)泥巖，局部為含礫砂巖、炭質(zhì)泥巖。根據(jù)煤5層頂、底板巖石物理力學(xué)性質(zhì)表可看出，巷道圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生冒頂、片幫及底鼓等現(xiàn)象，故應(yīng)盡量減少工作面供液、供電設(shè)備[2]。

2) 供電、供液方式問題。要摒棄傳統(tǒng)的設(shè)備列車和泵站布置方式，必須對4506自動化綜放工作面供電、供液方式進(jìn)行優(yōu)化布置。因工作面設(shè)備用電電壓均為1 140 V，采用6 kV高壓供電，無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電，故計劃調(diào)整工作面通風(fēng)方式。采用上行通風(fēng)，并將設(shè)備列車布置于材料巷，與帶式輸送機(jī)分離開來。同時，采用遠(yuǎn)距離供液方式，將乳化液泵站、噴霧泵站布置于750集中運輸巷與4506運輸巷交叉口附近，距工作面2 000 m[3]。

根據(jù)以上情況，特對遠(yuǎn)距離供電供液方式進(jìn)行可行性論證。

1 遠(yuǎn)距離供液分析

1.1 基本參數(shù)

1) 供液距離2 000 m；乳化液密度為990～1 000 kg/m3；泵公稱流量為500 L/min(4泵)進(jìn)行計算、校驗[4]。

2) 根據(jù)工作面工況條件，供液系統(tǒng)的供液方式有雙進(jìn)雙回或單進(jìn)單回兩種，管徑以φ76×10、φ89×10和φ108×10分別計算、校驗[5]。

3) 工作面供液過程中壓力損失主要表現(xiàn)為高壓管路的沿程壓力損失，沿程壓力的計算公式為：

(1)

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)；d為高壓管的內(nèi)徑，mm；L為高壓管的供液長度，m；ρ為乳化液密度，kg/m3；υ為管內(nèi)平均流速，m/s。

4) 計算時所用到的數(shù)據(jù)及單位：L=2 000 m；q為流量，q=500 L/min=30 m3/h=8.33×10-3m3/s；ρ=1 000 kg/m3；υ為管內(nèi)平均流速，m/s；d為圓管的內(nèi)徑，雙路時取等效直徑，m；V為乳化液的運動黏度，取6×10-6m2/s；Rec為臨界雷諾數(shù)，取2 300。

1.2 管路沿程壓力損失計算

1) 根據(jù)不同管路布置情況，計算高壓管路的管內(nèi)最大流速。φ89×10管采用一趟供液、一趟回液和兩趟供液、兩趟回液的方式分別計算管內(nèi)液體的最大流速；φ108×10管采用一趟供液、一趟回液的方式計算管內(nèi)液體的最大流速；φ76×10管采用兩趟供液、兩趟回液的方式計算管內(nèi)液體的最大流速。計算結(jié)果見表1。

表1 各種管內(nèi)液體最大流速

2) 計算不同狀態(tài)下液體的臨界雷諾數(shù)Rec，判斷液體為層流還是紊流。各種管徑的雷諾數(shù)計算情況見表2。

表2 雷諾數(shù)的計算情況

經(jīng)計算，以上各管道中的液體狀態(tài)均為紊流。

3) 計算不同管路布置及不同管徑管路沿程阻力系數(shù)λ。通常管道沿程阻力系數(shù)是雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)。由以上計算可知，各管道中液體狀態(tài)均為紊流，故采用勃拉修斯經(jīng)驗公式計算管道沿程阻力系數(shù)，計算結(jié)果見表3。

表3 各管路沿程阻力系數(shù)計算結(jié)果

4) 計算不同管路布置及不同管徑沿程壓力損失。根據(jù)以上計算結(jié)果，代入式(1)中計算各管路的沿程壓力損失，計算結(jié)果見表4。

表4 各管路的沿程壓力損失

5) 管路局部壓力損失計算。因局部阻礙的形狀繁多，流動現(xiàn)象極其復(fù)雜，局部損失系數(shù)多由實驗確定。在實際資料不足時，可按管網(wǎng)沿程損失的百分率估算局部損失，查表取50%計算，其計算結(jié)果見表5。

表5 各管路局部壓力損失

6) 管路總壓力損傷計算。根據(jù)新窯煤礦4606工作面實際條件，集中供液站距最高工作面的高度差為50 m，即壓降為ΔPh=0.5 MPa。各管路總的壓力損失為沿程壓力損失、局部壓力損失和高差壓降的總和，其計算結(jié)果見表6。

表6 各管路總壓力損失

根據(jù)上述計算分析[6]，新窯煤礦現(xiàn)在使用的BRW400/31.5型乳化液泵的壓力不滿足各管路損失后的壓力要求，需要更換成BRW500/37.5型乳化液泵，流量為500 L/min，壓力為37.5 MPa。

2 遠(yuǎn)距離供液方案

2.1 供液泵站配置方案

遠(yuǎn)距離集成供液系統(tǒng)原理為泵站全系統(tǒng)配置4臺乳化泵，2臺泵工作、2臺泵備用。其供液系統(tǒng)原理為井下清水→管道式過濾器→自動反沖洗清水過濾站→軟化水處理設(shè)備→軟化水儲水箱→儲油箱→配液箱→供液箱→乳化液泵→高壓供液站→離心式自動反沖洗高壓過濾站→管道式過濾器→液壓支架→自動反沖洗回液過濾站→供液箱。由1臺礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻器和1臺礦用隔爆兼本質(zhì)安全型乳化液泵站用控制箱組成一體機(jī)式乳化液泵站控制裝置。乳化泵始終以變頻工作狀態(tài)為主要工作狀態(tài)，工頻狀態(tài)作為輔助或補(bǔ)充，控制4臺乳化泵聯(lián)動、切換。4臺乳化泵可以分別進(jìn)行變頻工作，可根據(jù)系統(tǒng)壓力變化實現(xiàn)自動投切，都具有工頻旁路，在變頻器檢修時保持生產(chǎn)連續(xù)性[7]。

控制功能包括：

1) 恒壓供液功能。在檢修班時，始終是1臺乳化泵工作。乳化泵根據(jù)系統(tǒng)壓力實現(xiàn)自動調(diào)速，始終將系統(tǒng)壓力保持在額定壓力。在生產(chǎn)班時，為了保證系統(tǒng)壓力波動最小化及系統(tǒng)瞬間供液最大化，當(dāng)系統(tǒng)壓力降低時乳化泵迅速提速大量供液；當(dāng)系統(tǒng)壓力滿足要求時，乳化泵逐漸降速，運行曲線保持在16～50 Hz 之間，提速時間5 s。

2) 自動補(bǔ)壓功能。當(dāng)1臺乳化泵不能滿足支架壓力需求時，自動啟動第 2 臺乳化泵工作，迅速滿足工作面用液要求。在壓力滿足后壓力補(bǔ)償乳化泵延時停機(jī)。當(dāng)2 臺乳化泵仍不能滿足支架壓力需求時，其余乳化泵順序補(bǔ)壓。

3) 自動待機(jī)功能。當(dāng)乳化泵在最低轉(zhuǎn)速連續(xù)工作 2 min(時間可設(shè)定)且系統(tǒng)壓力保持在 37.5 MPa(可設(shè)定)時，乳化泵自動轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)壓力降低至 33 MPa(可設(shè)定)時迅速恢復(fù)恒壓供液。

2.2 傳輸管路布置方案

目前遠(yuǎn)距離供液管路主要采用高壓膠管和無縫鋼管兩種。其中：高壓膠管具有管路鋪設(shè)靈活、對巷道起伏等條件適應(yīng)性強(qiáng)、運輸方便、價格相對便宜等優(yōu)點，但也存在供液管徑較小(目前最大高壓膠管的管徑為 DN63 mm，承壓42 MPa)、沿程阻力大、安全系數(shù)較低、使用年限短等缺點；無縫鋼管則具有管徑較大、沿程阻力小、安全系數(shù)高等顯著優(yōu)點，27SiMn鋼管可實現(xiàn)公稱40 MPa長距離供液的穩(wěn)定性，其最大實驗壓力高達(dá)70 MPa，安全系數(shù)可達(dá)4倍以上，管道設(shè)計壽命可達(dá)10 a，綜合使用成本比高壓膠管的低。故選用φ108×10鋼管一趟供液、φ108×10一趟回液[8]。在距離工作面200 m處，改用高壓膠管供液，以更好地在順槽超前支護(hù)段進(jìn)行管路布置。

乳化液進(jìn)液管路工作壓力37.5 MPa，回液管路壓力16.0 MPa，清水管路工作壓力16.0 MPa。鋼管采用液壓支架27SiMn無縫鋼管(液壓專用)，鋼管間采用S19C/19T超高壓機(jī)械頭連接[9]。鋼管須經(jīng)磷化、防腐、防靜電等處理。管道每100 m設(shè)有專用截止閥(溝槽式閘閥)、安全閥及耐震壓力表。安全閥和壓力表通過溝槽式三通聯(lián)接。管路轉(zhuǎn)彎處需經(jīng)長半徑小角度彎頭或萬向彎頭過渡，以適應(yīng)高壓管路的需要[10]。

3 結(jié)論

根據(jù)遠(yuǎn)距離供液管路沿程壓力損失計算結(jié)果，確定了遠(yuǎn)距離供液泵站配置方案和傳輸管路布置方案，可實現(xiàn)對乳化液泵和噴霧泵等設(shè)備的集中控制。遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)能切合新窯煤礦現(xiàn)場實際，滿足礦井減人提效、安全高效開采的要求，具有很好的推廣應(yīng)用價值。