煤礦綜采液壓支架系統(tǒng)污染研究

王玉超

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦用油品分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

工作面支護(hù)是安全高效綜采的首要條件，液壓支架是綜采系統(tǒng)的核心[1]。隨著我國(guó)煤炭開采技術(shù)裝備向著安全、高效、集約、智能化發(fā)展，對(duì)作為關(guān)鍵設(shè)備的液壓支架系統(tǒng)提出了更高的要求。液壓支架的支撐、升降、移動(dòng)、推移和過(guò)載保護(hù)等動(dòng)作都需要借助傳動(dòng)介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，其所用的液壓傳動(dòng)介質(zhì)是保證該系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，因此傳動(dòng)介質(zhì)亦被稱為液壓支架的“血液”[2，3]。由于煤礦綜采工作面液壓支架系統(tǒng)的過(guò)濾精度要求非常高，其中高壓反沖洗和先導(dǎo)閥過(guò)濾器的過(guò)濾精度達(dá)到 25μm，液壓支架系統(tǒng)是否污染對(duì)其能否正常運(yùn)行起直接影響作用，也直接影響著煤礦井下安全生產(chǎn)[4，5]。

由于液壓支架系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)管路總長(zhǎng)超過(guò)1km，各種接口插頭多達(dá)4000多個(gè)，加上井下工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致潛在污染源及污染原因較多。國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)相關(guān)系統(tǒng)污染的來(lái)源、原因及對(duì)策有所報(bào)道，但缺乏對(duì)具體液壓支架系統(tǒng)污染元素和原因進(jìn)行研究。2019年12月，國(guó)神黃玉川礦226上01面液壓支架系統(tǒng)高壓反沖洗濾網(wǎng)堵塞，無(wú)法正常工作，高壓反沖洗是系統(tǒng)進(jìn)液第一道防護(hù)墻，若不及時(shí)處理會(huì)對(duì)系統(tǒng)各操作閥造成污染。本文針對(duì)國(guó)神黃玉川礦226上01面煤礦液壓支架系統(tǒng)污染問(wèn)題，展開了乳化液配液水質(zhì)、濾芯污染雜質(zhì)溶解和成分元素分析研究，結(jié)合研究結(jié)果提出解決污染對(duì)策，對(duì)煤礦企業(yè)排查液壓系統(tǒng)污染原因，有效控制污染對(duì)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行影響具有重要意義。

1 支架系統(tǒng)污染源及絮凝機(jī)理分析

1.1 系統(tǒng)自身污染

液壓支架設(shè)備和零配件金屬材料種類多樣，生產(chǎn)工藝過(guò)程復(fù)雜，涉及金屬材質(zhì)的磨、拋、鉆、銑、電鍍、噴涂等操作步驟，生產(chǎn)制作過(guò)程中不可避免地會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部殘留下切屑、毛刺、涂料、磨料、焊渣和銹片等固體硬物存留在設(shè)備中[6]。系統(tǒng)中長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米橡膠塑料材質(zhì)的各類膠管、密封圈等配件，由于生產(chǎn)和使用廠家管控要求等級(jí)不同會(huì)存留軟質(zhì)膠粒。金屬接觸面之間涂抹的黃油和過(guò)濾系統(tǒng)的纖維顆粒也會(huì)污染系統(tǒng)。另外，由于系統(tǒng)對(duì)各組成部分清潔度要求不同，系統(tǒng)組裝后，會(huì)導(dǎo)致整體清潔度低于關(guān)鍵元件要求，造成在系統(tǒng)配置初始的內(nèi)部污染。

1.2 工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

液壓支架系統(tǒng)處于條件惡劣的采煤工作現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境懸浮大量煤粉和灰塵，支架立柱、千斤頂由于工作時(shí)升降和推移過(guò)程中，活塞桿直接裸露在外和環(huán)境中的煤粉和灰塵相接觸，盡管在導(dǎo)向套上裝有防塵圈及密封件等元件，但也難免將細(xì)小的煤灰、污物帶入液壓系統(tǒng)[7]。乳化液液箱密封不嚴(yán)，容易引入固體顆粒和煤粉等雜質(zhì)，以及相關(guān)配件、管路存放不規(guī)范，而更換時(shí)未進(jìn)行清潔處理，造成雜質(zhì)直接混入液壓系統(tǒng)，產(chǎn)生污染。

1.3 配液水質(zhì)

我國(guó)多數(shù)礦區(qū)用水緊缺，液壓系統(tǒng)配液用水多為煤礦采出水或生活污水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后的中水，而配液體系中水的質(zhì)量占比高達(dá)95%以上，因此配液用水在極大程度上影響著系統(tǒng)清潔質(zhì)量。多數(shù)礦井水和礦區(qū)生活污水中其含有大量煤粉、煤塵、泥粒等懸浮物，如處理不完全，就會(huì)直接進(jìn)入液壓系統(tǒng)，造成了操作閥的大面積堵塞，致使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法正常生產(chǎn)；水中氯離子含量過(guò)高，會(huì)降低乳化液防銹防腐蝕性能，造成支架缸體銹蝕，損害支架，而滋生的鐵銹雜質(zhì)會(huì)作為機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)一步損害液壓系統(tǒng)；水中鈣鎂離子過(guò)高，會(huì)造成乳化液迅速分層，析出大量不溶于水的油皂雜質(zhì)。

1.4 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生

煤礦井下液壓支護(hù)系統(tǒng)處在一個(gè)大量粉塵、噪音、水汽和有害氣體充斥的環(huán)境內(nèi)，在重載、振動(dòng)、沖擊、摩擦、大流量、潤(rùn)滑不良的惡劣工況條件下高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的工作，管路系統(tǒng)及各元件容易過(guò)勞而出現(xiàn)各種故障。管路中的膠管和密封圈由聚氨酯、天然橡膠、丁腈橡膠、聚四氟乙烯和氟橡膠等多種材料制成，由于傳動(dòng)介質(zhì)的高壓沖刷造成磨損，產(chǎn)生膠沫污染系統(tǒng)[8]。系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的污染物能為細(xì)菌繁殖提供載體，一定條件下就會(huì)在系統(tǒng)和管路中孳生細(xì)菌，產(chǎn)生粘稠物附著堵塞過(guò)濾器，并使乳化液腐敗變酸腐蝕支架系統(tǒng)。支架安裝調(diào)試期間使用的不合格油液殘留在系統(tǒng)中發(fā)霉變臭，甚至引起細(xì)菌孳生而給系統(tǒng)帶來(lái)巨大的危害；金屬接觸面之間涂抹的黃油在一定條件下也能變質(zhì)污染液壓系統(tǒng)。

1.5 污染物危害及絮凝機(jī)理

系統(tǒng)污染物增多初期會(huì)出現(xiàn)過(guò)濾器組件、閥芯、先導(dǎo)閥等元件經(jīng)常堵塞，導(dǎo)致頻發(fā)拆卸、清洗，影響生產(chǎn)效率；長(zhǎng)期會(huì)造成缸筒內(nèi)表面的拉傷、縮短液壓支架系統(tǒng)使用壽命；嚴(yán)重污染而造成系統(tǒng)堵塞嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)爆管，影響安全生產(chǎn)[9，10]。液壓系統(tǒng)污染物顆粒服從韋布爾分布，新油液中所含顆粒尺寸多小于10μm。污染顆粒之間存在復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物作用，隨著液壓支架系統(tǒng)運(yùn)行，顆粒之間發(fā)生聚集和絮凝，形成尺寸較大的絮團(tuán)，是導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞的關(guān)鍵[11]。由于液壓支架系統(tǒng)中污染顆粒成分復(fù)雜，目前其污染顆粒絮凝研究較少，其聚散行為可以用膠體化學(xué)中的膠體穩(wěn)定性的DLVO理論進(jìn)行解釋。膠體微粒之間存在范德華力的吸引作用，而在微粒相互接近時(shí)又因雙電層的重疊而產(chǎn)生排斥作用，膠體的穩(wěn)定性主要取決于二者的大小[12]。膠體微粒絮凝尺寸的大小取決于顆粒表面特性、水溫、pH值、鹽含量、水質(zhì)硬度和水體流動(dòng)速度等因素，黏性泥沙絮凝臨界粒徑范圍在0.009～0.0325mm 之間[13-16]。液壓支架用電液控系統(tǒng)濾芯過(guò)濾精度為0.0250mm，當(dāng)絮凝粒徑大于過(guò)濾精度時(shí)，極易造成系統(tǒng)堵塞。

2 黃玉川礦液壓系統(tǒng)污染分析

2019年12月，國(guó)神集團(tuán)內(nèi)蒙古黃玉川煤礦226上工作面液壓支架系統(tǒng)高壓過(guò)濾裝置堵塞，無(wú)法正常進(jìn)行過(guò)濾和反沖洗工作，隨即對(duì)過(guò)濾濾芯進(jìn)行了拆卸分析，并開展污染物溶解實(shí)驗(yàn)、雜質(zhì)元素分析和配液水水質(zhì)分析研究。

2.1 濾芯整體宏觀形貌分析

對(duì)液壓支架系統(tǒng)的高壓濾芯拆卸后，首先進(jìn)行拆解切割處理取出內(nèi)部精細(xì)濾網(wǎng)，通過(guò)觀察可以進(jìn)行初步診斷濾網(wǎng)外部附著的大顆粒污染物類型。濾芯及外部污染物宏觀形貌如圖1所示，圖1(a)為濾芯整體外觀照片，圖1(b)為濾芯局部外觀照片。

圖1 濾芯及外部污染物宏觀形貌

2.2 污染物溶解試驗(yàn)

對(duì)濾芯內(nèi)部污染物用聚丙烯材質(zhì)毛刷進(jìn)行清理收集，取部分清理收集的樣品用液壓支架專用濃縮液進(jìn)行溶解試驗(yàn)。液壓支架專用濃縮液具有乳化、增溶和抗硬水的能力，油皂析出后可以通過(guò)濃縮液浸泡溶解，溶解試驗(yàn)時(shí)間為24h。污染物溶解試驗(yàn)用于判斷污染物組成中是否含有析出的油皂。濃縮液溶解實(shí)驗(yàn)如圖2所示：圖2(a)為側(cè)視圖，圖2(b)為俯視圖。

圖2 污染物在溶解24試驗(yàn)外觀

2.3 污染雜質(zhì)元素分析

取部分濾芯內(nèi)部用聚丙烯材質(zhì)毛刷進(jìn)行清理下的污染物，采用能量色散型 X 射線熒光光譜儀測(cè)試組分元素含量。

2.4 配液水水質(zhì)分析

取國(guó)神黃玉川礦226上01面配液水，參照《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》(MT 76—2011)進(jìn)行水質(zhì)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及改進(jìn)措施

3.1 整體宏觀形貌分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)濾芯整體宏觀形貌分析，從圖1(a)中，可以看出濾芯整體呈灰黑色，已經(jīng)被污染物所覆蓋，內(nèi)部濾網(wǎng)也已經(jīng)被污染物整體堵塞造成無(wú)法反沖洗，從而導(dǎo)致較大顆粒物附著在濾芯外部；從濾芯局部外觀中，可以判斷在濾芯外部紅色顆粒為膠狀顆粒，黑色稍大顆粒為煤粉。

3.2 污染物溶解試驗(yàn)結(jié)果

污染物置于燒杯中，用150mL的濃縮液浸泡溶解24h，無(wú)溶解痕跡；再經(jīng)攪拌靜置后，發(fā)現(xiàn)明顯分層，說(shuō)明污染物與濃縮液并不相容，故可以推測(cè)污染物并非油皂物，也不是來(lái)源于濃縮液本身，推斷其源于鐵銹或煤塵等外來(lái)物。

3.3 污染雜質(zhì)元素分析結(jié)果

采用能量色散型 X 射線熒光光譜分析濾芯內(nèi)部污染物，測(cè)試污染物組分元素含量結(jié)果見表1。

表1 內(nèi)部污染物元素分析結(jié)果

根據(jù)濾芯內(nèi)部污染物元素分析結(jié)果，污染物中主要為金屬元素，鐵元素質(zhì)量占比為74.868%，鋁元素質(zhì)量占比為10.218%，鈣元素質(zhì)量占比為4.581%，鉻元素質(zhì)量占比為3.316%，可以推測(cè)雜質(zhì)為液壓支架系統(tǒng)內(nèi)部殘留鐵銹、金屬殘?jiān)徒饘僭嚰g物，另外還有少量殘留泥沙等物質(zhì)。

3.4 配液水水質(zhì)分析結(jié)果

國(guó)神黃玉川礦226上01面配液水水質(zhì)分析結(jié)果見表2。

表2 配液水水質(zhì)分析結(jié)果

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果可以看出，該配液水樣品含有黑色沉淀物，外觀不符合MT 76—2011對(duì)配液水水質(zhì)的要求，氣味、pH、總硬度、硫酸根和氯離子含量均符合要求。

3.5 堵塞原因分析

礦井水中含有細(xì)小的膠黏性懸浮物顆粒，表現(xiàn)出一定的負(fù)電性，懸浮物顆粒在電解質(zhì)陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+、Na+、Ka+等)和低速水流碰撞作用下而發(fā)生絮凝，粘性絮凝顆粒臨界尺寸會(huì)超過(guò)0.025mm，從而在高壓反沖洗濾芯上形成濾餅。支架金屬元件運(yùn)動(dòng)磨損產(chǎn)生硬質(zhì)材料顆粒，在流經(jīng)高壓反沖洗濾芯時(shí)由于泥沙的濾餅作用，被截留在濾芯空隙中。由于泥沙的粘附性和金屬材料的硬度，在濾芯過(guò)濾通道中形成堅(jiān)實(shí)的濾餅，使高壓反沖洗效果逐漸降低。如果沖洗不及時(shí)，濾芯就會(huì)嚴(yán)重堵塞，反沖洗功能喪失，進(jìn)而使橡膠質(zhì)大顆粒粘附于濾芯表面。

3.6 改進(jìn)措施

造成煤礦液壓支架系統(tǒng)污染原因眾多，且工況條件惡劣，完全避免系統(tǒng)污染故障很難實(shí)現(xiàn)，煤礦可以在加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè)管理提高運(yùn)行操作規(guī)范的同時(shí)，采取有效的措施最大限度地減輕或延緩系統(tǒng)污染。針對(duì)國(guó)神黃玉川礦226上01面高壓反沖洗濾芯污染物和配液水水質(zhì)分析結(jié)果，可以采取以下措施來(lái)減少污染。

1)減少液壓系統(tǒng)自身污染。在液壓支架系統(tǒng)設(shè)備、膠管、密封件及零配件的加工、初裝、運(yùn)輸、安裝、使用及維護(hù)過(guò)程中，要規(guī)范操作并采取保潔措施，最大程度地降低液壓系統(tǒng)污染，提高其潔凈度和可靠性。

2)加強(qiáng)日常清洗工作。定期清理回液箱和配液箱的雜質(zhì)，至少每一個(gè)月清洗一次；增加高壓反沖洗操作頻率，尤其是在系統(tǒng)安裝運(yùn)行初期，更應(yīng)加強(qiáng)日常清洗頻率和質(zhì)量；定期抽檢單向閥、操縱閥、安全閥等元件是否被污染，提前判斷污染物種類和程度而采取有效的防控措施。

3)健全系統(tǒng)過(guò)濾體系。根據(jù)工作面使用的條件和要求，采取分級(jí)過(guò)濾措施，及時(shí)清除雜質(zhì)，避免大顆粒擠壓堵塞過(guò)濾系統(tǒng)而無(wú)法進(jìn)行有效的清洗。

4)提高配液水質(zhì)。液壓傳動(dòng)介質(zhì)中配液水占絕大比例，由于配液水中的泥沙具有沉積和聚集的性能，因此對(duì)配液水過(guò)濾精度等級(jí)應(yīng)高于整個(gè)液壓系統(tǒng)的過(guò)濾精度。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)煤礦支架液壓系統(tǒng)污染物成分復(fù)雜，主要含有金屬固體硬物、軟質(zhì)膠粒、煤粉、煤灰、泥渣、鐵銹、油皂和細(xì)菌等成分，具有粘性的微細(xì)顆粒在水流撞擊和范德華引力作用下發(fā)生絮凝使顆粒尺寸增大，會(huì)造成過(guò)濾器組件堵塞和卡住，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生支架系統(tǒng)操作失靈和爆管現(xiàn)象，造成安全事故發(fā)生。

2)通過(guò)對(duì)國(guó)神黃玉川礦226上01面液壓系統(tǒng)污染研究發(fā)現(xiàn)，礦井水中粘性泥沙在電解質(zhì)陽(yáng)離子和水流撞擊作用下發(fā)生絮凝，在高壓反沖洗濾芯通道中與金屬材質(zhì)硬顆粒擠壓作用形成粘附性硬質(zhì)顆粒，導(dǎo)致高壓反沖洗濾芯逐步堵塞，從而使較大粒徑的膠狀顆粒和煤粉污染物附著在高壓反沖洗濾芯外部。

3)煤礦應(yīng)對(duì)液壓支架系統(tǒng)各組成部分每一步工序規(guī)范操作并采取保潔措施，來(lái)減少液壓系統(tǒng)自身污染，并通過(guò)加強(qiáng)日常清洗、健全系統(tǒng)過(guò)濾體系和提高配液水質(zhì)而減輕和延緩系統(tǒng)運(yùn)行污染，對(duì)提高井下支護(hù)工作效率，提升煤礦生產(chǎn)安全具有重要意義。