綜采工作面遠(yuǎn)距離智能供液技術(shù)的研究

王 志

(晉能控股裝備制造集團(tuán) 天晟電氣有限公司， 山西 大同 037010)

近年來，隨著我國(guó)煤礦產(chǎn)能置換加快，小型礦井陸續(xù)關(guān)閉，代表先進(jìn)產(chǎn)能的大型礦井智能化綜采工作面建設(shè)是未來煤礦的發(fā)展方向。智能化綜采工作面對(duì)采煤、運(yùn)煤等設(shè)備提出了更高的要求，綜采工作面的傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)方案創(chuàng)新變革已經(jīng)迫在眉睫。

同忻礦8102工作面為雙獨(dú)島面，地質(zhì)條件復(fù)雜，按照傳統(tǒng)供液方式，將乳化液泵站設(shè)備布置在順槽設(shè)備列車上靠近工作面處，將會(huì)導(dǎo)致巷道空間狹小，且存在采動(dòng)壓力變化大、頂板來壓劇烈、巷道變形嚴(yán)重等問題[1-3]. 在實(shí)際工作中，設(shè)備列車移動(dòng)困難，且移動(dòng)過程中危險(xiǎn)系數(shù)高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、巷道起伏易引起泵站吸空。為了解決上述問題，必須改變傳統(tǒng)的工作面泵站系統(tǒng)的布置方式，將泵站系統(tǒng)移出工作面，放置于工作面之外的聯(lián)絡(luò)巷道，進(jìn)行遠(yuǎn)距離供液。

1 現(xiàn)場(chǎng)工況

同忻礦8102工作面煤層走向1 399.6 m，工作面切眼長(zhǎng)度250 m，煤層厚度18 m,儲(chǔ)量780.8萬t. 前、后部刮板輸送機(jī)配置2×1 200 kW電機(jī)；SL500采煤機(jī)總功率1 750 kW；ZF21000放頂煤液壓支架共147架(頭4尾5)，初撐力31.5 MPa；設(shè)計(jì)日產(chǎn)2.45萬t，采進(jìn)4.3 m. 擬將泵站系統(tǒng)布置于工作面之外的聯(lián)絡(luò)巷，采液設(shè)備固定使用超高壓管道進(jìn)行遠(yuǎn)距離供液，供液管道最大長(zhǎng)度為1 500 m，供液點(diǎn)與用液點(diǎn)高度差最大為48 m.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，遠(yuǎn)距離供液必須考慮以下幾點(diǎn)：

1) 為保證可靠性，采用高端大流量泵站進(jìn)行集中供液。2) 乳化液泵站采用變頻器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作面的恒壓供液。3) 泵站供液系統(tǒng)采用智能化控制，實(shí)現(xiàn)集中分布式智能控制，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控泵站系統(tǒng)。4) 采用高壓軟管進(jìn)行遠(yuǎn)距離供液，供液距離1 500 m，高壓軟管適應(yīng)大變形巷道，滿足遠(yuǎn)距離供液壓力需求及流量需求。

2 集中供液系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 供液系統(tǒng)組成

泵站系統(tǒng)主要由乳化液泵站、噴霧泵站、組合變頻開關(guān)、集散控制系統(tǒng)組成，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成見圖1[4].

主要設(shè)備配置如下：

1) 乳化液泵站。主要由3臺(tái)乳化液泵、2個(gè)乳化液箱、供液站和乳化液自動(dòng)配比裝置等設(shè)備組成。a) 乳化液泵。額定流量630 L/min，額定壓力37.5 MPa，連續(xù)可調(diào)，電機(jī)功率500 kW. b) 乳化液箱。工作介質(zhì)：乳化液，總?cè)莘e7 000 L. c) 供液站。額定流量2 000 L/min，額定壓力31.5 MPa，蓄能器容量60 L×2個(gè)，系統(tǒng)壓力傳感器0～60 MPa. d) 自動(dòng)配比裝置。由控制箱、配比泵、乳化油箱、乳化液傳感器、循環(huán)泵等設(shè)備組成。

圖1 供液系統(tǒng)組成圖

2) 噴霧泵站。全系統(tǒng)為2泵1箱，1臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，不銹鋼水箱，額定流量500 L/min，功率400 kW，額定工作壓力16 MPa，連續(xù)可調(diào)，水箱容積5 000 L.

3) 組合變頻開關(guān)。輸入電壓：3AC 1 140 V，額定輸入總電流：1 410 A，具備3個(gè)獨(dú)立的500 kW變頻輸出回路、2個(gè)大工頻輸出回路、11個(gè)小工頻輸出回路；3個(gè)獨(dú)立的500 kW變頻輸出回路為二象限運(yùn)行方式，可對(duì)3臺(tái)及以下電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制；工頻回路用于輔助供電及控制，如電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、噴霧、凈水系統(tǒng)、自動(dòng)配比系統(tǒng)電機(jī)等。

4) 集散控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)由集中管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、分散控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等3大部分組合而成，既有集中管理的功能又兼有分散控制的功能。作為乳化液泵站的控制系統(tǒng)，主站PLC進(jìn)行集中控制，各分站PLC則對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分別控制，主站控制器和從站控制器將通過CAN 總線使二者相互連接，從而構(gòu)成了主/從式可編程控制器集散控制系統(tǒng)。主站通過通訊接口可與其他系統(tǒng)進(jìn)行通訊，便于智能化工作面的構(gòu)建。

2.2 供液系統(tǒng)管路

同忻礦8102工作面遠(yuǎn)距離供液長(zhǎng)度為1 500 m，工作面集中供液點(diǎn)與用液點(diǎn)高度差最大為48 m。根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，如果高差在100 m以下工作面回液可以回到集中供液位置液箱，回液中轉(zhuǎn)箱可以不加，如果高差太大回液困難就需要在距離工作面平緩段合適位置增加一套回液中轉(zhuǎn)箱靠高壓管道泵把回液打到集中供液位置液箱。根據(jù)泵站配置情況，遠(yuǎn)程供液管路選用d88.9 mm×8 mm的特高壓軟管進(jìn)行乳化液的輸送，回液管路采用d108 mm×8 mm的超高壓軟管，噴霧水的輸送采用d88.9 mm×7 mm超高壓軟管。管徑選取的合理性直接決定乳化液的供應(yīng)是否滿足液壓支架初撐力及移架的使用需求。綜采工作面遠(yuǎn)程供液管路系統(tǒng)見圖2.

1、9—高壓膠管 2、8—特高壓分流器組 3—特高壓安全閥組4—特高壓鋼管連接器 5—高壓彎頭 6—溝槽式特高壓閘閥7—特高壓壓力表總成圖2 綜采工作面遠(yuǎn)程供液管路示意圖

2.3 管路壓力損失計(jì)算

供液系統(tǒng)管路在長(zhǎng)距離供液過程中會(huì)有一定的壓降，損失主要由高度差、管路摩擦沿程壓力損失、局部元件壓力損失3部分組成。

1) 高度落差產(chǎn)生的壓力損失。

泵站位置距離用液點(diǎn)的高度落差為48 m，通常100 m水柱的壓力降大約為1 MPa，因此48 m的高度差壓力降大約為0.48 MPa.

2) 沿程壓力損失計(jì)算。

單臺(tái)泵流量：Q=630 L/min

管路內(nèi)(直)徑：d=88.9-8×2=72.9 mm=0.072 9 m

因乳化液中95%為水，所以取水的相關(guān)參數(shù)。

管中流態(tài)為湍流，查表取無縫鋼管的絕對(duì)粗糙度Δ=0.05 mm，管路內(nèi)徑為72.9 mm，查詢莫狄(Moody)圖可確定λ=0.021，則有達(dá)西-威斯巴哈方程：

式中：

h—摩擦力造成的揚(yáng)程損失，m;

λ—沿程磨阻系數(shù)；

l—工作面推進(jìn)長(zhǎng)度，即管路總長(zhǎng)度，m，取1 500；

d—管路內(nèi)徑，m；

V—乳化液流速，m/s；

g—重力加速度，m/s2，通常取9.8.

式中，1 m水柱壓強(qiáng)為9.8 kPa，沿程壓力損失為：137.7×9.8=1.343 MPa

3) 局部元件壓力損失。

局部壓力損失主要由管道連接件、閥門及彎頭產(chǎn)生,局部壓力損失公式為：

式中：

Z—局部壓力損失，Pa；

ξ—局部阻力系數(shù)(可參考CALEFFI技術(shù)手冊(cè))；

ρ—水密度，kg/m3；

V—水流速，m/s.

局部元件壓力損失總計(jì)：

則局部壓力損失為：62.99×9.8 kPa=0.62 MPa

4) 計(jì)算結(jié)果。

泵站系統(tǒng)額定工作壓力為37.5 MPa，液壓支架初撐力為31.5 MPa，系統(tǒng)允許沿程最大壓力損失為6 MPa. 經(jīng)計(jì)算，長(zhǎng)距離供液管路壓力損失總計(jì)為：0.48+1.343+0.62=2.443 (MPa)，遠(yuǎn)小于泵站系統(tǒng)的允許的最大壓力損失。

2.4 智能供液

智能化供液系統(tǒng)主要包括自動(dòng)配液、補(bǔ)液和智能變頻恒壓供液兩部分：

1) 自動(dòng)配液補(bǔ)液。

控制系統(tǒng)根據(jù)乳化液箱內(nèi)的液位高度控制電磁水閥的開啟進(jìn)行補(bǔ)液，同時(shí)循環(huán)泵抽取液箱內(nèi)的乳化液進(jìn)行實(shí)時(shí)濃度檢測(cè)，自動(dòng)控制配液泵的開啟和持續(xù)開啟的時(shí)間，從而達(dá)到用戶設(shè)定的濃度值，乳化液自動(dòng)配液工作示意圖見圖3.

1、9—電機(jī) 2—配比泵 3—單向閥 4—電磁水閥 5—PH傳感器 6—濃度傳感器 7—檢測(cè)箱 8—電導(dǎo)率傳感器 10、14—空氣濾清器 11、16—液位傳感器 12—循環(huán)泵 13—乳化液箱 15、17—乳化油箱圖3 乳化液自動(dòng)配液工作示意圖

2) 智能變頻恒壓供液。乳化液泵站配置3泵2箱，3臺(tái)泵電機(jī)分別由3個(gè)獨(dú)立的變頻回路驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)采集外部壓力傳感器信號(hào)，根據(jù)當(dāng)前的壓力值調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，當(dāng)1臺(tái)變頻器全速工頻運(yùn)行仍不能滿足供液要求時(shí)，開啟第2臺(tái)泵，對(duì)應(yīng)的變頻調(diào)節(jié)頻率控制壓力，達(dá)到工頻時(shí)開啟第3臺(tái)泵；反之，逐臺(tái)關(guān)閉。變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制和恒壓供液算法，全程實(shí)時(shí)調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)恒壓供液，可以節(jié)約電能，減少液壓對(duì)管路的沖擊。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果

同忻礦8102工作面自2020年6月投入運(yùn)營(yíng)后，采用高端大流量泵站、變頻器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作面的恒壓供液。對(duì)乳化液泵站輸出壓力波動(dòng)范圍進(jìn)行3個(gè)月的跟蹤測(cè)試，支架入口壓力在290～310 bar波動(dòng)，與工頻泵相比，波形相對(duì)平穩(wěn)，減少了對(duì)管路的沖擊，滿足要求。采用高壓軟管進(jìn)行遠(yuǎn)距離供液，供液距離1 500 m，高壓軟管適應(yīng)大變形巷道，壓降在允許范圍，滿足遠(yuǎn)距離供液對(duì)壓力及流量需求。

4 結(jié) 語

以綜采工作面遠(yuǎn)距離智能供液為研究目標(biāo),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況對(duì)供液方案設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，遠(yuǎn)距離供液方案應(yīng)用于地質(zhì)條件較差、巷道變形嚴(yán)重的工作面，可以滿足工作面供液壓力的需求和流量的需求，解決了設(shè)備列車放置移動(dòng)困難、耗費(fèi)大量人力物力、存在安全隱患等問題，提升了工作面供液系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)為智能化礦井建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。