煤礦采煤工作面遠(yuǎn)距離供電技術(shù)應(yīng)用與展望

金付申， 張 超， 呂向陽(yáng)

（國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦， 新疆 哈密 839000）

0 引言

隨著現(xiàn)代化大型高產(chǎn)高效礦井工作面走向長(zhǎng)度不斷增加，例如新疆哈密大南湖一礦1308 采煤工作面走向長(zhǎng)度3000m，目前開采煤層屬“三軟”煤層，煤層堅(jiān)固系數(shù)1.57，煤層頂?shù)装鍘r石抗壓強(qiáng)度小于5MPa，軟化系數(shù)小于0.75，煤層抗壓強(qiáng)度在6.5MPa～7.5MPa 之間，煤層頂?shù)装鍖賹訝罱Y(jié)構(gòu)的極軟巖，屬極不穩(wěn)定巖層，采煤工作面回風(fēng)巷受礦壓影響，圍巖變形嚴(yán)重，設(shè)備列車?yán)评щy，傳統(tǒng)的供電方式問(wèn)題逐漸凸顯，影響回采效率。為解決該問(wèn)題，較多礦井采用遠(yuǎn)距離供電，既能夠確保煤礦安全高效智能化生產(chǎn)，又能提升智能化水平。目前較多學(xué)者針對(duì)采煤工作面遠(yuǎn)距離供電進(jìn)行研究， 為采煤工作遠(yuǎn)距離供電提供理論基礎(chǔ)。如韓瑞東等[1]提出了井下遠(yuǎn)距離供電電壓降的計(jì)算方法。龐瑞禮[2]結(jié)合開灤（集團(tuán)）唐山礦業(yè)分公司采用3.3kV 供電，實(shí)現(xiàn)供電距離1060m。 張龍[3]針對(duì)新景公司80117 綜放工作面遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)進(jìn)行分析， 提出設(shè)備選型原則，闡述其優(yōu)缺點(diǎn)，其供電距離達(dá)到1645m。趙利杰等[4]結(jié)合神華烏海能源有限公司對(duì)煤礦采取遠(yuǎn)距離供電進(jìn)行論證，其供電距離達(dá)到2430m。 目前針對(duì)遠(yuǎn)距離供電計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究較多， 筆者結(jié)合新疆哈密大南湖一礦采煤工作面供電現(xiàn)狀，計(jì)算最大供電距離，對(duì)遠(yuǎn)距離供電優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析， 提出將遠(yuǎn)距離供電采取變電所布置在地面的新觀點(diǎn)遠(yuǎn)距離供電新型布置方式， 對(duì)未來(lái)智能化礦井發(fā)展提供研究思路。

1 概況

1.1 采煤工作面設(shè)備基本情況

大南湖一礦1308 采煤工作面采用放頂煤開采工藝，工作面長(zhǎng)240m，巷道高度3.8m，設(shè)備列車長(zhǎng)約120m，設(shè)備列車布置在膠帶運(yùn)輸順槽，距離工作面約200m，設(shè)備列車主要有移動(dòng)變電站、組合開關(guān)、控制臺(tái)、乳化泵、泵箱、液壓支架進(jìn)回液過(guò)濾系統(tǒng)、電纜框等組成，設(shè)備列車作業(yè)工藝為每天檢修期間根據(jù)回采情況拉移10～20m。 工作面主要設(shè)備由采煤機(jī)、前部刮板輸送機(jī)240m、后部刮板輸送機(jī)240m、轉(zhuǎn)載機(jī)62m、破碎機(jī)、液壓支架139 臺(tái)構(gòu)成。 設(shè)備列車泵站供液系統(tǒng)按照遠(yuǎn)距離供液考慮，在此不作考慮，本文重點(diǎn)針對(duì)采煤機(jī)、前部刮板輸送機(jī)、后部刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算研究，其設(shè)備負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表見1308 工作面負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 1308 工作面負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

1.2 1308 采煤工作面供電現(xiàn)狀

自采取變電所至1308 工作面敷設(shè)2 趟3000m MYPTJ8.7/10Kv 3×70mm2型高壓橡套電纜， 敷設(shè)方式采用電纜掛鉤固定吊掛，兩趟電纜分別引自不同母線段。設(shè)備列車布置2 臺(tái)KBSGZY2-T-3150Kva 10/3.3Kv 型移動(dòng)變電站， 分別選擇2 趟長(zhǎng)110 米MYP-1.9/3.3Kv 3×70mm2型橡套電纜干線至長(zhǎng)治貝殼組合開關(guān)， 長(zhǎng)治貝殼開關(guān)分別供采煤工作面煤機(jī)、前部刮板輸送機(jī)、后部刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)負(fù)荷，供電距離不大于350m。

1.3 遠(yuǎn)距離供電需要解決的問(wèn)題

（1）大南湖一礦采煤工作面設(shè)備負(fù)荷較大，隨電纜長(zhǎng)度增加，電纜電壓損失較大，需通過(guò)選擇合適的電纜進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)，計(jì)算出最大供電距離，為遠(yuǎn)距離供電提供理論依據(jù)。

（2）大南湖一礦采煤工藝為放頂煤開采，設(shè)備較多，負(fù)荷較大，需通過(guò)合理分配供電負(fù)荷，盡可能選擇截面較小的電纜，確保供電系統(tǒng)安全可靠。

（3）遠(yuǎn)距離供電需敷設(shè)多根電纜，需對(duì)電纜敷設(shè)和電纜回撤方法進(jìn)行明確， 確保電纜敷設(shè)滿足安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求，同時(shí)電纜截面較大，應(yīng)對(duì)電纜回撤、存儲(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，確?；爻贩奖悖鎯?chǔ)安全。

1.4 遠(yuǎn)距離供電設(shè)備布置

供電設(shè)備布置在工作面外部車場(chǎng)內(nèi)， 主要包含向采煤工作面供電的移動(dòng)變電站、泵站供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)；干線供電電纜布置在進(jìn)風(fēng)順槽，采用電纜溝吊掛，便于回撤。 組合開關(guān)采用天津華寧低矮型組合開關(guān)， 開關(guān)高度0.8m，布置在轉(zhuǎn)載機(jī)上，隨轉(zhuǎn)載機(jī)移動(dòng)，轉(zhuǎn)載機(jī)上布置電纜框，回撤過(guò)程電纜放置在電纜框內(nèi)。

泵站系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)，供電、供液設(shè)備移出采煤工作面，布置在工作面外部車場(chǎng)內(nèi)，滿足使用要求，泵站供電在遠(yuǎn)距離供電設(shè)計(jì)過(guò)程不予考慮。

2 供電距離計(jì)算

遠(yuǎn)距離供電重點(diǎn)克服供電電壓損失問(wèn)題， 電壓損失分為變壓器的電壓損失、 電纜電壓損失及電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓損失。因變壓器電壓損失與供電距離無(wú)關(guān)，不影響遠(yuǎn)距離供電設(shè)計(jì)要求， 電動(dòng)機(jī)的最小啟動(dòng)電壓一般為額定電壓的0.75 倍，在此重點(diǎn)計(jì)算電纜電壓損失。 根據(jù)《供用營(yíng)業(yè)規(guī)則》規(guī)定，用戶受電端的電壓最大允許偏差不應(yīng)超過(guò)額定值的±7%。 按照電纜的長(zhǎng)時(shí)工作電流、電壓損失值計(jì)算出不同截面電纜的最大供電距離。

2.1 電纜的實(shí)際長(zhǎng)時(shí)工作電流計(jì)算公式

式中：Σp—電纜所帶負(fù)荷的額定功率之和（kW）；Un—電纜所在電網(wǎng)的額定電壓 （Un=3300V）；Kx—電纜所帶負(fù)荷需用系數(shù) （Kx=1）；cosφ—電纜所帶負(fù)荷的加權(quán)平均功率因數(shù)（cosφ=0.7）。

利用公式計(jì)算出工作面各負(fù)荷電纜長(zhǎng)時(shí)允許通過(guò)電流，并利用查表法對(duì)電纜截面進(jìn)行選型。查張學(xué)成[5]《工況企業(yè)供電設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》可知： 3×50mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜長(zhǎng)時(shí)工作電流為176A，3×70mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜長(zhǎng)時(shí)工作電流為215A，3×95mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜長(zhǎng)時(shí)工作電流為274A，3×120mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜長(zhǎng)時(shí)工作電流為315A。

2.2 按電壓損失校驗(yàn)

式中：△Uw—電纜電壓損失（V）；L—電纜長(zhǎng)度（m）；A—截面積（mm2）；Rsc—導(dǎo)線材料的電導(dǎo)率[m/（Ω·mm2）]查《工礦企業(yè)供電》表，取53m/（Ω·mm2）；Pca—電纜所帶負(fù)荷的有功功率計(jì)算值（kW）。

△Uw≤Un×7%=±231V。根據(jù)《供用營(yíng)業(yè)規(guī)則》規(guī)定，用戶受電端的電壓最大允許偏差不應(yīng)超過(guò)額定值的±7%。

帶 入 公 式 計(jì) 算 可 知L=ΔUwUn·RscA/（Pca×1000）=40401A/P。

2.3 采煤工作面供電方案及供電距離計(jì)算

根據(jù)大南湖一礦采煤工作面負(fù)荷情況， 采取前部刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)共用一臺(tái)4000kVA 變壓器供電，裝機(jī)容量為2320kW。 后部刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)公用一臺(tái)4000kVA 變壓器供電， 裝機(jī)容量2325kw，2 臺(tái)變壓器放置在車場(chǎng)。 采煤機(jī)采用一根3×70mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜供電， 轉(zhuǎn)載機(jī)、 破碎機(jī)采用一根3×70mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜供電，前部刮板輸送機(jī)采用一根3×120mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜供電，后部刮板輸送機(jī)采用一根3×120mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜供電，滿足長(zhǎng)時(shí)工作電流設(shè)計(jì)要求，其中采煤機(jī)、前部刮板輸送機(jī)使用一臺(tái)組合開關(guān)，后部刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)使用一臺(tái)組合開關(guān)，組合開關(guān)放置在轉(zhuǎn)載機(jī)身上。

采煤機(jī)最大供電距離：L1=40401×70/920m=3073m，刮板輸送機(jī)最大供電距離：L2=40401×120/1400m=3462m，轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)最大供電距離：L3=40401×70/925m=3057m。

根據(jù)計(jì)算可知，大南湖一礦采煤工作面920kW 采煤機(jī)最大供電距離為3073m，考慮工作面長(zhǎng)度240m，有效最大供電距離為2850m。 刮板輸送機(jī)最大供電距離3462米，考慮工作面長(zhǎng)度，有效最大供電距離為3200m。 通過(guò)對(duì)電纜長(zhǎng)時(shí)工作電流和最大供電距離計(jì)算， 結(jié)合工作面敷設(shè)、回撤電纜的可行性，綜合考慮大南湖一礦采煤工作面最大供電距離為2850m 比較合理。

3 遠(yuǎn)距離供電分析

結(jié)合大南湖一礦采煤工作面實(shí)際， 供電距離設(shè)計(jì)為2850m，遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)設(shè)備需同樣布置在車場(chǎng)，距離采煤工作面2850m，遠(yuǎn)距離供電、供液能夠減少設(shè)備列車移動(dòng)次數(shù)，減少工作量。 同時(shí)遠(yuǎn)距離供電、供液設(shè)計(jì)也存在部分問(wèn)題需要解決， 現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)遠(yuǎn)距離供電優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 遠(yuǎn)距離供電缺點(diǎn)

（1）根據(jù)計(jì)算可知，大南湖一礦采用遠(yuǎn)距離供電需在采取車場(chǎng)至工作面布置2 根3×120mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜和2 根3×70mm23.3kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜， 較現(xiàn)有供電系統(tǒng)采用2 根3×50mm28.7/10kV 交聯(lián)聚乙烯橡套電纜增加2 根電纜。因新電纜直徑較粗，造成入井運(yùn)輸不便，現(xiàn)場(chǎng)回撤、儲(chǔ)存及運(yùn)輸非常不方便，增加回撤人員和回撤時(shí)間。

（2）遠(yuǎn)距離供電布置電纜較粗，因礦井運(yùn)輸條件限制，由原來(lái)1000m/根電纜需更換為500m/根，2850 米巷道內(nèi)每根電纜需增加3 個(gè)3.3kV 接線盒， 共需增加12 個(gè)，增加故障點(diǎn)，增加管理難度。

（3）遠(yuǎn)距離供電需根據(jù)使用負(fù)荷設(shè)備電壓等級(jí)低電壓供電，電流增大，增加功率損耗，在采用遠(yuǎn)程供液時(shí)也會(huì)由于距離的原因造成嚴(yán)重?fù)p耗，供電成本增加。

（4）采用遠(yuǎn)距離供液需配套遠(yuǎn)距離供液設(shè)備，而遠(yuǎn)程供液對(duì)管路、設(shè)備的要求非常高，需要根據(jù)用液要求對(duì)管路進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，設(shè)備投入巨大。

（5）對(duì)于高產(chǎn)高效礦井，工作面設(shè)備負(fù)荷較大，電纜截面需要不斷增加或者增加電纜數(shù)量，現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)、使用困難，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)電纜回撤、存儲(chǔ)和運(yùn)輸要求。

3.2 遠(yuǎn)距離供電優(yōu)點(diǎn)

（1）遠(yuǎn)距離供電適用地質(zhì)條件復(fù)雜礦井，設(shè)備列車?yán)苿?dòng)困難礦井。 采用遠(yuǎn)距離供電配合遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)可將設(shè)備列車布置在工作面順槽外部， 不需每天移動(dòng)設(shè)備列車， 解決了三軟煤層巷道圍巖變化大影響設(shè)備拉移困難的問(wèn)題，提高回采效率。

（2）遠(yuǎn)距離供電將供電、供液設(shè)備布置在車場(chǎng)等固定場(chǎng)所，增加巷道空間，提高礦井逃生空間，減小風(fēng)阻，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，杜絕有害氣體超限問(wèn)題，消除危險(xiǎn)源，增加安全系數(shù)。

（3）遠(yuǎn)距離供電徹底解決了條件困難礦井將電器設(shè)備布置在回風(fēng)順槽的問(wèn)題， 消除了電氣設(shè)備布置在回風(fēng)巷的隱患，改善人員長(zhǎng)期在回風(fēng)巷作業(yè)的環(huán)境，提高礦井安全系數(shù)。

（4）遠(yuǎn)距離供電將供電、供液設(shè)備布置在車場(chǎng)等固定場(chǎng)所，減少設(shè)備列車頻繁移動(dòng)，設(shè)備故障率降低，同時(shí)方便維修，易實(shí)現(xiàn)集中智能化供電。

由以上分析可知： 遠(yuǎn)距離供電雖然也存在增加投資成本，安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，電能損失等問(wèn)題，但遠(yuǎn)距離供電能夠解決設(shè)備列車?yán)评щy問(wèn)題，消除隱患提高安全系數(shù)，改善職工作業(yè)條件，降低故障率，提高安全系數(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)智能化供電，是智能化礦井發(fā)展的主流方向?？傮w來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)距離供電優(yōu)勢(shì)突出， 選擇遠(yuǎn)距離供電有利于提高工作效率，改善作業(yè)條件，有利于減少工作面人數(shù)，符合智能化化工作面發(fā)展需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù) 《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源〔2020〕283 號(hào)）要求，為適應(yīng)智能化礦井建設(shè)要求，遠(yuǎn)距離供電能夠?qū)崿F(xiàn)集中智能供電，方便進(jìn)行智能化建設(shè)，采煤工作面設(shè)備電器設(shè)備布置在采煤順槽以外有利于實(shí)現(xiàn)集中智能供電，能夠減少工作面人員，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程操作。

采煤工作面遠(yuǎn)距離供電的發(fā)展方向是通過(guò)研究探索解決電壓損失和供水損失將遠(yuǎn)距離供電、供液設(shè)備直接布置在地面，地面電纜、供水管路由地面直達(dá)井下固定硐室，在固定硐室布置接線盒、水閥，由井下固定硐室轉(zhuǎn)接各采煤工作面。 遠(yuǎn)程供電、供液設(shè)備布置在地面可減少井下作業(yè)人員，提高安全系數(shù)。地面設(shè)備易實(shí)現(xiàn)智能化，提高安全系數(shù)。當(dāng)然對(duì)于采煤工作面負(fù)荷較小、煤層埋深較淺，井下工作面兩翼布置礦井比較適宜將設(shè)備布置在地面， 對(duì)于采煤工作面負(fù)荷加大， 煤層埋深較深礦井受電壓損失和供水管路材質(zhì)影響還需要進(jìn)一步探索研究， 隨著技術(shù)的進(jìn)步，遠(yuǎn)供電距離、遠(yuǎn)程供液技術(shù)將進(jìn)一步獲得突破，遠(yuǎn)程供電、供液技術(shù)更加成熟，最終達(dá)到采取變電所在地面布置。 井下設(shè)備逐步布置在地面是煤礦未來(lái)的發(fā)展方向，筆者認(rèn)為應(yīng)該充分應(yīng)用采煤工作面遠(yuǎn)距離供電技術(shù)，將井下采區(qū)供電設(shè)備布置在地面，并以此為突破點(diǎn)，將井下整個(gè)供電系統(tǒng)布置在地面，減少井下作業(yè)人數(shù)，消除電氣故障，提高礦井安全系數(shù)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和方向。