基于AMESim的綜采工作面遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)仿真分析

雷亞軍，楊建輝，韓春福，王 亮，寧永威

陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司 陜西榆林 719000

高壓供液系統(tǒng)是煤礦井下綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，為工作面液壓支架提供動力，保證液壓支架能夠正常拉移和支撐頂板。目前，國內(nèi)外采煤工作面大多采用近距離供液方式，即將工作面乳化液泵站、泵箱、變壓器等設(shè)備安裝在距工作面切眼 50～ 200 m的順槽內(nèi)的設(shè)備列車上，隨工作面回采設(shè)備列車不斷向前拉移[1-2]。由于設(shè)備列車體積大，占用巷道空間多，且隨工作面回采需頻繁向前拉移，不僅影響工作面通風(fēng)，且因設(shè)備列車所處的位置在工作面動壓影響最劇烈區(qū)域，巷道變形破壞較快，巷道空間狹小，導(dǎo)致設(shè)備列車檢修維護(hù)和拉移困難。

遠(yuǎn)距離供液方式是將供液系統(tǒng)的所有設(shè)備安裝在工作面停采線以外的聯(lián)絡(luò)巷和采區(qū)車場內(nèi)，對工作面液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)距離供液[3]。該方式不僅能夠有效解決近距離供液存在的問題，同時可減少頻繁拉移設(shè)備列車次數(shù)，降低工人勞動強(qiáng)度，提高設(shè)備安全系數(shù)。因此，遠(yuǎn)距離供液將逐漸成為煤礦井下采煤工作面供液的主要方式。但因遠(yuǎn)距離供液，特別是超遠(yuǎn)距離供液所鋪設(shè)的液壓管路長度大幅度增加，在供液過程中會出現(xiàn)沿程阻力大導(dǎo)致液壓支架末端供液壓力低，管路壓力波動幅度大易造成損壞，供液壓力傳遞時間長致使支架動作反應(yīng)速度慢等問題。研究分析表明，影響遠(yuǎn)距離供液的主要因素有乳化液濃度 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))[4]、流量和用液量[5-6]。筆者以曹家灘 122108 工作面 6 000 m 超遠(yuǎn)距離供液為工程基礎(chǔ)，通過建立仿真模型，對影響高壓遠(yuǎn)距離供液的主要因素進(jìn)行研究分析，為解決其存在的問題提供參考依據(jù)。

1 工程概況

曹家灘煤礦 122108 工作面為 12 采區(qū)第 2 個綜合機(jī)械化放頂煤開采工作面，走向長度為 5 966 m，傾向長度為 280 m。工作面共安裝 131 部 ZFY 21000/34/63D 型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，上下端頭各安裝 3 部 ZYT21000/28/50D 型端頭支架，工作面前部輸送機(jī)型號為 SGZ1250/3200，后部輸送機(jī)型號為 SGZ1400/4800。乳化泵、噴霧泵從主運(yùn)順槽移動設(shè)備列車分離，移至主運(yùn)順槽三聯(lián)巷處布置，通過 3 趟高壓輸送管路，將高壓乳化液、高壓噴霧冷卻水輸送至工作面，形成超遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)工作的可靠性，泵站乳化泵型號為 EHP-5K400SP57.5FL，額定壓力為 37.5 MPa，流量為 400 L/min，3 用 1 備。

2 供液系統(tǒng)基本工作原理及仿真模型建立

2.1 基本工作原理

遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)工作原理如圖 1 所示。供液系統(tǒng)工作時，泵站將電能轉(zhuǎn)換成液壓能輸出高壓乳化液[7]，高壓乳化液經(jīng)連接泵站和液壓支架的進(jìn)液管進(jìn)入液壓支架缸體內(nèi)。液壓支架動作后，高壓乳化液由液壓支架缸體流出，通過回液管路返回泵箱。

圖1 遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of long-distance emulsion supply system

2.2 仿真模型建立

綜采工作面生產(chǎn)期間根據(jù)需要開啟 2～ 3 臺泵站，在進(jìn)行設(shè)備檢修時開啟 1 臺泵站，采用液控?fù)Q向閥控制液壓支架的各個液壓缸動作。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中遠(yuǎn)距離供液液壓系統(tǒng)管路的壓力和流量，采用AMESim 軟件[8]建立如圖 2 所示的遠(yuǎn)距離高壓供液系統(tǒng)仿真模型。由于蓄能器能夠起到改善遠(yuǎn)距離管路供液性能的作用，在模型的供液管路終端安裝蓄能器。

圖2 遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of long-distance emulsion supply system

供液系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中，乳化液泵站的壓力不是恒定不變，而是在一定范圍內(nèi)波動。在進(jìn)行仿真試驗(yàn)時，根據(jù)泵站開啟數(shù)量，將流量分別設(shè)置為400、800 和 1 200 L/min，并根據(jù)實(shí)際情況將線性信號和正弦信號融入模型，允許泵站壓力在一定范圍內(nèi)波動。在本次仿真試驗(yàn)中，選用的供回液管路為內(nèi)襯不銹鋼合金的復(fù)合管，材質(zhì)為 27SiMn。根據(jù)鋼管的通徑、材質(zhì)等影響因素，選擇分布參數(shù)子模型作為鋼管的模型，該模型可以精確計(jì)算出供液管路的摩擦損失。同時，由于液體在管路中存在慣性和可壓縮性，該模型還可以精確模擬實(shí)際工況下管路對供液系統(tǒng)的動態(tài)影響。仿真模型主要液壓元器件的相關(guān)參數(shù)如表1 所列。

表1 仿真主要液壓元器件參數(shù)Tab.1 Parameters of main hydraulic components for simulation

3 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 仿真計(jì)算

流體傳輸管道的動態(tài)參數(shù)模型是由多個集中參數(shù)的數(shù)學(xué)模型組合而成，每段集中參數(shù)的數(shù)學(xué)模型中流體壓力與流量之間的關(guān)系為

式中：p為傳輸管路中各點(diǎn)的壓力；l為每段集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型中傳輸管路的長度；ρ為流體的密度；ν為流體的運(yùn)動黏度；d為傳輸管道的內(nèi)徑；Q為傳輸管路中各點(diǎn)的流量；t為流體運(yùn)動的時間；β′為傳輸管道綜合彈性模量。

在實(shí)際的綜采工作面液壓系統(tǒng)傳輸中，供液管路的長度一般在幾百米至幾千米，式 (1) 無法真實(shí)地將供液管路的特性全部表達(dá)出來，其真實(shí)模型可以由多個集中參數(shù)模型串聯(lián)組合而成，即

式中：p0、…、pn為各段集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型中傳輸管路進(jìn)出口的液體壓力；Q0、…、Qn為各段集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型中傳輸管路進(jìn)出口的液體流量；Δl1、…、Δln為各段集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型中傳輸管路的長度。

由式 (1) 和式 (2) 可知，液體在管路中的壓力、流量等動態(tài)特性直接受供液管路的長度、乳化液濃度和密度，以及運(yùn)動黏度影響。

3.2 仿真結(jié)果分析

為研究遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)供液壓力波動與響應(yīng)時間之間的動態(tài)特性，選取與之相關(guān)的乳化液濃度、流量和供液系統(tǒng)用液量 3 個影響因素進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)特性變化情況分別繪制出變化曲線進(jìn)行研究分析。

3.2.1 乳化液濃度對供液系統(tǒng)壓力波動變化的影響

由于乳化液泵站卸載閥的作用，泵站和管道壓力會在一定范圍內(nèi)發(fā)生波動。泵站壓力通常設(shè)置為 28.0～31.5 MPa，選用的乳化液濃度分別為 1% 和5%，乳化液泵站壓力與管道壓力變化曲線如圖 3 所示。當(dāng)泵站壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)后，供液管道內(nèi)乳化液壓力變化曲線如圖 4 所示。

圖3 泵站及不同濃度的乳化液供液系統(tǒng)壓力變化曲線Fig.3 Variation curve of pressure of pump station and emulsion supply system with various density

在開始供液時，供液管路需一定的時間進(jìn)行充壓。由圖 3 可知，濃度為 1%的乳化液在管路中傳輸時充壓用時較短，充壓速度快。由圖 4 可知，5% 濃度的乳化液比 1% 濃度的乳化液壓力波動幅度小。

圖4 不同濃度的乳化液供液系統(tǒng)壓力變化曲線Fig.4 Variation curve of pressure of emulsion supply system with various density

3.2.2 乳化液流量對供液系統(tǒng)壓力波動變化的影響

為分析泵站流量變化對供液系統(tǒng)壓力波動的影響，分別對開啟 1 臺乳化液泵 (流量為 400 L/min) 和同時開啟 2 臺乳化液泵 (流量為 800 L/min)的情況進(jìn)行仿真分析，得到如圖 5 所示的供液壓力變化曲線。由圖 5 可知，泵站流量越大，遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)的壓力變化越趨于穩(wěn)定。

圖5 不同流量下供液系統(tǒng)壓力曲線Fig.5 Variation curve of pressure of emulsion supply system at various flow

3.2.3 乳化液使用量對供液系統(tǒng)壓力波動的影響

為分析綜采工作面液壓支架乳化液用量對系統(tǒng)壓力的影響，分別模擬操作 1 臺液壓支架和同時操作 3臺液壓支架對供液系統(tǒng)壓力的影響情況，結(jié)果如圖 6所示。由圖 6 可知，供液系統(tǒng)的壓力波動隨著液壓支架數(shù)量的減少而減小。

圖6 不同用液量下供液系統(tǒng)壓力曲線Fig.6 Variation curve of pressure of emulsion supply system at various consumption

3.2.4 乳化液濃度對供液系統(tǒng)響應(yīng)的影響

工作面在進(jìn)行拉移和升降液壓支架操作時，管路中的大量乳化液通過液壓支架控制閥進(jìn)入支架液壓缸內(nèi)，由于受管路通徑的制約，乳化液不能及時得到補(bǔ)充，從而導(dǎo)致管路壓力會出現(xiàn)瞬時下降現(xiàn)象，經(jīng)一段時間的補(bǔ)液后管路壓力才會恢復(fù)到正常壓力值，通常將管路補(bǔ)液達(dá)到正常壓力值的時間稱為響應(yīng)時間。對濃度分別為 1% 和 5%的乳化液響應(yīng)時間進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖 7 所示。由圖 7 可知，1% 濃度的乳化液在30 s 時管路壓力從 29.5 MPa 瞬間下降至約 15.0 MPa，經(jīng)過約 10 s 快速達(dá)到正常值；5% 濃度的乳化液在 30 s 時管路壓力經(jīng)過 5 s 下降到最低值 18.0 MPa，經(jīng)過約 15 s 緩慢上升到正常值。綜上分析可知，乳化液濃度越低，所需的響應(yīng)時間越短，但管路壓力降低的幅度越大。

圖7 不同濃度下供液系統(tǒng)壓力響應(yīng)曲線Fig.7 Variation curve of pressure reponse of emulsion supply system at various density

3.2.5 不同流量對供液系統(tǒng)響應(yīng)時間的影響

模擬開 1 臺乳化液泵和同時開啟 2 臺乳化液泵供液系統(tǒng)響應(yīng)時間的變化，得到如圖 8 所示的不同流量下供液系統(tǒng)壓力響應(yīng)曲線。由圖 8 可知，流量越大，系統(tǒng)響應(yīng)時間越短，壓力降低幅度越小。

圖8 不同流量下供液系統(tǒng)壓力響應(yīng)曲線Fig.8 Variation curve of pressure reponse of emulsion supply system at various flow

3.2.6 不同用液量對供液系統(tǒng)響應(yīng)的影響

分別模擬操作 1 臺液壓支架和同時操作 3 臺液壓支架時的用液量對供液系統(tǒng)壓力響應(yīng)的影響情況，結(jié)果如圖 9 所示。由圖 9 可知，工作面用液量越少，供液系統(tǒng)壓力響應(yīng)時間越短。

圖9 不同用液量下供液系統(tǒng)壓力響應(yīng)曲線Fig.9 Variation curve of pressure response of emulsion supply system at various consumption

4 結(jié)語

通過仿真試驗(yàn)，研究分析了乳化液濃度、工作面液壓支架動作時的用液量及泵站流量變化對遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，結(jié)果表明：

(1) 提高乳化液濃度能夠減小供液系統(tǒng)壓力波動幅度，有利于保持供液系統(tǒng)穩(wěn)定。到考慮到經(jīng)濟(jì)效果，122108 工作面正常生產(chǎn)期間選取乳化液濃度為3%～ 5%。

(2) 泵站流量越大，供液系統(tǒng)壓力波動越小，且系統(tǒng)響應(yīng)時間越短，壓力降低幅度越小?？紤]到經(jīng)濟(jì)實(shí)用效果，工作面正常生產(chǎn)期間同時開啟乳化液泵站數(shù)量控制在 2 臺。

(3) 同時用液量越少，越有利于遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)的穩(wěn)定。在工作面生產(chǎn)期間，盡量減少同時操作液壓支架的數(shù)量。