采煤工作面遠(yuǎn)距離供液關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀與展望

張寧波，郎瑞峰，王大龍，賈少毅

(1.中煤華晉集團(tuán)有限公司，山西 運(yùn)城 043300；2.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

近年來(lái)，隨著煤礦智能化開(kāi)采裝備技術(shù)的研究和發(fā)展，煤礦開(kāi)采逐漸向“安全、綠色、高效”發(fā)展[1]。遠(yuǎn)距離供液中心作為綜采工作面智能供液技術(shù)的重要發(fā)展方向[2]，有利于解決煤礦井下工作條件惡劣，安全隱患和危害職業(yè)健康的因素多等問(wèn)題。

傳統(tǒng)采煤工作面供液方式多為移動(dòng)泵站供液，部分礦井實(shí)現(xiàn)了工作面遠(yuǎn)距離供液。兩種供液方式均存在較多弊端，采用移動(dòng)泵站供液方式的，泵站列車(chē)較多，巷道變形量大時(shí)拉移困難[3]；采用工作面遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)工作面采完就要撤除原有泵站，在新工作面上安裝新泵站系統(tǒng)，安裝撤除工作量較大。隨著煤機(jī)設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性的提高，泵站供液壓力及流量控制難題逐步得到解決，使得更遠(yuǎn)距離的高壓乳化液供應(yīng)成為可能，隨著智能化開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，采區(qū)多工作面同時(shí)或者分時(shí)供液成為必然。

在國(guó)外，德國(guó)BergwerkIbbenbüren煤礦最早在1980年建成第一個(gè)中央乳化液泵站，可以同時(shí)向2個(gè)工作面進(jìn)行供液。1984年對(duì)中央乳化液泵站進(jìn)行了擴(kuò)建和改造，增加了乳化液自動(dòng)配比設(shè)備，中央泵站可以服務(wù)整個(gè)采煤盤(pán)區(qū)。在BergwerkIbbenbüren煤礦成功建成中央乳化液泵站之后，德國(guó)的所有煤礦，在1990年以前，全部改用中央泵站技術(shù)。

在國(guó)內(nèi)，遠(yuǎn)距離供液在各大煤礦相繼進(jìn)行推廣。山東能源新礦集團(tuán)協(xié)莊煤礦[4]、陽(yáng)煤集團(tuán)寺家莊礦、西山煤電晉興公司斜溝煤礦[5]、河南能化永煤公司[6]等建成乳化液集中供應(yīng)系統(tǒng)，進(jìn)行乳化液的遠(yuǎn)距離配液和多工作面輸送。部分設(shè)備廠家和煤礦探索采用集中供液技術(shù)，并研制出配套產(chǎn)品“地面集中供液自動(dòng)控制系統(tǒng)”。湖南省白沙礦務(wù)局首次提出將井下分散式供液系統(tǒng)改為地面集中供液的方案，并在湖南省白山坪煤礦建成了我國(guó)第一個(gè)地面集中供液系統(tǒng)，隨后貴州的義忠、神仙坡、晉家沖等煤礦建成了地面綜合集中供液系統(tǒng)。皖北煤電祁東煤礦[7，8]、中煤華晉王家?guī)X煤礦[9]建成綜合集中供液系統(tǒng)，以集中泵站代替井下泵站，以一個(gè)泵站代替多個(gè)泵站。

1 傳統(tǒng)工作面供液方案存在的不足

目前，采煤工作面供液方式多為移動(dòng)泵站供液，部分礦井實(shí)現(xiàn)了工作面遠(yuǎn)距離供液。兩種供液方式均存在較多弊端：

1)隨著我國(guó)煤礦綜采技術(shù)裝備與礦井配套設(shè)施的快速發(fā)展，綜采工作面的開(kāi)采強(qiáng)度成倍增加，使煤礦井下巷道掘進(jìn)工程量劇增?，F(xiàn)有移動(dòng)泵站供液或遠(yuǎn)距離供液的方案，需要為每套泵站準(zhǔn)備安裝巷道或固定硐室，增加了巷道工程量，降低了掘進(jìn)效率。

2)采用移動(dòng)泵站供液方式的，泵站列車(chē)較多，巷道變形量大時(shí)拉移困難，且存在較大安全隱患[10]；采用工作面遠(yuǎn)距離供液方式，工作面采完后就要撤除原有泵站，安裝新的泵站系統(tǒng)，安裝撤除工作量較大。

3)現(xiàn)有供液方案中，無(wú)論是移動(dòng)泵站還是遠(yuǎn)距離輸送，為配合工作面的頻繁安撤，只能選用方便拆裝的膠管作為輸送載體。由于需要考慮高壓狀態(tài)下膠管的耐壓?jiǎn)栴}，管路的輸送通徑受到限制，從而造成管路輸送過(guò)程中沿程損失增加，降低了泵站的供液質(zhì)量，增加了回液過(guò)程中的沿程阻力，造成工作面工作效率降低[11]。

4)為了滿(mǎn)足同一采區(qū)不同工作面同時(shí)生產(chǎn)的需求，礦方需要對(duì)同類(lèi)設(shè)備進(jìn)行成套的重復(fù)投資，而成套設(shè)備的使用壽命和維修后復(fù)用程度不盡相同，且為保證每個(gè)工作面的穩(wěn)定持續(xù)生產(chǎn)，勢(shì)必會(huì)造成大量備用設(shè)備的冗余閑置。

2 遠(yuǎn)距離供液解決的技術(shù)問(wèn)題

通過(guò)減少巷道采掘工作量，降低設(shè)備安撤頻率來(lái)提高煤礦的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)改善供液系統(tǒng)安裝、運(yùn)行及檢修環(huán)境，擴(kuò)大配套設(shè)備選用空間來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，提高系統(tǒng)供液質(zhì)量；通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)單元組合配置，擴(kuò)展設(shè)備使用范圍和場(chǎng)合來(lái)提高設(shè)備使用效率，節(jié)約礦方設(shè)備投入。

1)成套泵站設(shè)備在同一固定位置的相對(duì)服役周期大幅延長(zhǎng)，允許礦方通過(guò)合理的設(shè)計(jì)及計(jì)算，在采區(qū)整體規(guī)劃階段即可明確泵站硐室位置，無(wú)需針對(duì)采區(qū)內(nèi)不同工作面單獨(dú)準(zhǔn)備設(shè)備安裝巷道或?qū)?yīng)固定硐室，減少巷道掘進(jìn)工程量，降低掘進(jìn)難度；同時(shí)在泵站的位置及環(huán)境上有了更大選擇空間，能夠通過(guò)合理設(shè)計(jì)，避免乳化泵站運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的油污、熱量、噪音和廢氣對(duì)井下環(huán)境的影響，改善了煤礦工人的工作生產(chǎn)條件；還能夠以更高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)高端智能化固定泵站，提供更加良好的運(yùn)行和檢修環(huán)境，提高供液系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性[12]。

2)礦井需要增加或改變用液地點(diǎn)時(shí)，只需鋪設(shè)新的管路或改變?cè)苈肺恢?。避免了供液系統(tǒng)大型設(shè)備的拆裝和搬運(yùn)，簡(jiǎn)化了工作流程，節(jié)省了人力物力，提高了工作效率，降低了設(shè)備列車(chē)拖動(dòng)過(guò)程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3)由于采區(qū)中央集中供液系統(tǒng)在一定長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)無(wú)需改變位置，在高壓乳化液輸送過(guò)程中可以選用相對(duì)固定的鋼管作為輸送載體。通過(guò)增加壁厚來(lái)解決高壓大管徑管路的耐壓?jiǎn)栴}后，可以最大程度上增加輸送管路的通徑從而降低沿程壓力損失，同時(shí)鋼管的使用壽命、可維護(hù)性以及安全性能等各個(gè)方面均優(yōu)于膠管?？梢杂行嵘到y(tǒng)的穩(wěn)定性，減少因?yàn)檩斔烷L(zhǎng)度而造成的供液質(zhì)量下降，延長(zhǎng)系統(tǒng)管路維護(hù)及更換的周期。

4)利用各工作面支護(hù)設(shè)備為間隙性用液特點(diǎn)和大系統(tǒng)供液的流量、壓力的均衡作用，將原各工作面單獨(dú)成套的設(shè)備進(jìn)行整合，從而大大地減少了全礦井乳化泵安裝臺(tái)數(shù)和運(yùn)行臺(tái)數(shù)，同時(shí)可以充分利用單套系統(tǒng)的能力冗余，在多工作面“大系統(tǒng)”供液的均衡作用下化零為整，大幅提高設(shè)備的利用率和使用效率，節(jié)約了設(shè)備初期投入，避免重復(fù)投資，降低了運(yùn)行成本。

3 遠(yuǎn)距離供液的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超大流量液壓動(dòng)力技術(shù)

隨著智能化泵站控制系統(tǒng)的普及、變頻控制與電磁卸荷技術(shù)的深度融合以及高精端傳感器的應(yīng)用和智能診斷功能的日趨完善，高壓大流量乳化液泵站整體技術(shù)水平不斷進(jìn)步[13]。

為解決大采高應(yīng)用條件下供液系統(tǒng)普遍存在“供血不足”、“心律不齊”等癥狀，國(guó)內(nèi)某廠家在現(xiàn)有泵站產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)和成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念及方法，攻克高壓大流量乳化液泵特殊材料及工藝、大功率傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性、高水基高壓大流量泵頭流量脈動(dòng)、噪聲及氣蝕防治技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，成功研制出國(guó)內(nèi)首套630L/min、40MPa乳化液泵。

該套泵站技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要有：①采用人字齒輪副傳動(dòng)技術(shù)，消除單側(cè)斜齒輪副存在的軸向分力對(duì)支撐軸承的損傷，有效提高軸承及旋轉(zhuǎn)密封壽命；同時(shí)改善單側(cè)齒輪副對(duì)“曲軸-齒輪”系統(tǒng)的偏置轉(zhuǎn)矩，曲軸的抗疲勞新能得到提高[14]；②高效優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)空間設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊型乳化液泵設(shè)計(jì)，提高人字齒輪副的穩(wěn)定性和可裝配性，有效解決了五柱塞乳化液泵輸入軸和曲軸剛性問(wèn)題；中間軸承采用剖分式軸承蓋，在不降低整體強(qiáng)度的情況下，可以更方便實(shí)現(xiàn)零部件的替換，便于維護(hù)維修；③大流量液力系統(tǒng)過(guò)流結(jié)構(gòu)采用階梯式結(jié)構(gòu)，維護(hù)簡(jiǎn)單方便，吸、排液閥軸線相互平行且不再同一平面內(nèi)，流道短直且平滑，過(guò)流能力強(qiáng)啟閉速度快，關(guān)閉滯后角小，關(guān)閉沖擊和回流損失?。虎芤毫D(zhuǎn)換部分研制高耐磨大斷面金屬基陶瓷柱塞,設(shè)計(jì)了“格萊圈-盤(pán)根”雙密封自潤(rùn)滑填料函結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了盤(pán)根寬度/柱塞行程比，測(cè)試優(yōu)選了特種芳綸盤(pán)根，解決了高水基介質(zhì)密封可靠性難題；⑤大流量電磁卸荷閥技術(shù), 開(kāi)發(fā)電液雙控自 動(dòng)切換本安型電磁卸載閥, 解決泵站壓力無(wú)法實(shí)現(xiàn) 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的難題, 保障供液的穩(wěn)定性[15]。

圖1 630L/min、40MPa超大量流泵站

3.2 多泵站并聯(lián)多級(jí)卸荷壓力控制技術(shù)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成供液系統(tǒng)不斷向高壓大流量方向發(fā)展，因此通常需要采用多臺(tái)泵站進(jìn)行供液。目前的集成供液系統(tǒng)普遍采取每臺(tái)泵站上安裝一套電磁卸荷閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)泵站供液壓力的調(diào)控。每臺(tái)泵站的出口壓力靠控制分站調(diào)節(jié)電磁卸荷閥來(lái)進(jìn)行調(diào)控，各泵站供液管路匯總到系統(tǒng)總出口進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，電控系統(tǒng)以系統(tǒng)總出口供液壓力值作為控制反饋依據(jù)，分別控制每一臺(tái)泵站上的電磁卸載閥開(kāi)啟或者關(guān)閉進(jìn)而對(duì)集成供液系統(tǒng)總體供液壓力進(jìn)行調(diào)控。

每一卸載閥與單臺(tái)泵體剛性直接連接，空間有限單位流量下壓力變化明顯，系統(tǒng)剛性較大，受柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)影響，泵本身壓力脈動(dòng)較大，易造成卸荷頻繁。另一方面，每一泵體單獨(dú)設(shè)置卸載閥的話，為了滿(mǎn)足卸載壓力的需要，必須要求卸載閥流量與泵相匹配，即卸載閥的卸載壓力要大于或等于泵的公稱(chēng)壓力，因此卸載閥的通徑需要設(shè)計(jì)的很大。所以大流量泵所需要的卸載閥既要滿(mǎn)足大流量需求又要滿(mǎn)足快速響應(yīng)開(kāi)閉的需求，會(huì)通過(guò)頻繁開(kāi)啟或者降低關(guān)閉恢復(fù)壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，而頻繁開(kāi)啟對(duì)于卸載閥的使用壽命帶來(lái)很大影響[16]。

國(guó)內(nèi)某廠家研制了一種用于多泵并聯(lián)狀態(tài)的多級(jí)卸載裝置。多級(jí)電磁卸載裝置液壓原理如圖2所示。卸載裝置獨(dú)立于泵體單獨(dú)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際需要卸載裝置可以連接一臺(tái)或者多臺(tái)泵體，能夠有效降低泵體壓力脈動(dòng)，卸載裝置的流量不受泵體流量的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)卸載裝置響應(yīng)時(shí)間和通徑的優(yōu)化合理配置。而且由于卸載裝置不與泵體剛性直接連接，另外由于在卸載裝置中設(shè)置了蓄能器，避免了卸載裝置頻繁開(kāi)啟，有效提高卸載裝置的使用壽命。通過(guò)控制器集中控制不同級(jí)的卸荷部件進(jìn)行增壓或者卸荷，能夠解決多泵體情況下的壓力脈動(dòng)以及卸荷頻繁開(kāi)啟問(wèn)題，將泵站壓力脈動(dòng)幅度和頻率降低，實(shí)現(xiàn)集成供液系統(tǒng)壓力的控制，從而從根本上解決變頻響應(yīng)不足的問(wèn)題[17]。

圖2 多級(jí)電磁卸載裝置液壓原理圖

3.3 乳化液遠(yuǎn)距離回液中繼技術(shù)

當(dāng)工作面相較于泵站系統(tǒng)處于較低海拔時(shí)，由于高度產(chǎn)生的壓力損失可能會(huì)超過(guò)支架降柱時(shí)自身的初始動(dòng)力，造成工作面降柱困難[18]。通過(guò)工作面遠(yuǎn)距離回液中繼系統(tǒng)，在近工作面段增加相應(yīng)容積的中繼箱，使工作面回液無(wú)阻力進(jìn)入液箱后，再由增壓泵提供動(dòng)力使其返回系統(tǒng)回液箱。

回液中繼箱的主要功能是為了降低工作面液壓支架的回液阻力，而當(dāng)工作面支架內(nèi)液體進(jìn)入緩沖箱時(shí)，可以使回液順暢的進(jìn)入液箱。然后由增壓泵將回液輸送至回液過(guò)濾站?；匾褐欣^系統(tǒng)控制流程如圖3所示：當(dāng)工作面開(kāi)始回液時(shí)，乳化液無(wú)阻力回到箱體內(nèi)，箱體內(nèi)液位不斷上升，液位上升的數(shù)據(jù)可以通過(guò)液位傳感器實(shí)時(shí)讀取，并反饋至控制器內(nèi)。當(dāng)液位上升至預(yù)設(shè)高度時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)，控制增壓泵啟動(dòng)，此時(shí)箱體內(nèi)的液體通過(guò)增壓泵的增壓后，通過(guò)連接管路被輸送回泵站系統(tǒng)，形成乳化液的循環(huán)。當(dāng)箱體內(nèi)的液位下降至預(yù)設(shè)低位時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)，增壓泵停止工作。同時(shí)，當(dāng)增壓泵出現(xiàn)故障時(shí)，為了避免箱體的外溢，可以通過(guò)控制閥改變液體流向，繞開(kāi)緩沖箱使回液直接進(jìn)入管道，而不影響系統(tǒng)的正常使用。

圖3 回液中繼系統(tǒng)控制流程

3.4 工作面液壓系統(tǒng)失壓自動(dòng)保護(hù)技術(shù)

大通徑快速響應(yīng)緊急卸荷閥，實(shí)現(xiàn)了工作面主管路瞬間爆管“關(guān)蓄卸壓”，響應(yīng)時(shí)間在200ms以?xún)?nèi)[19]。克服了現(xiàn)有技術(shù)高壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障采用拉閘停電或電控急停卸荷閥處理不及時(shí)及卸荷時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生管路振動(dòng)的問(wèn)題。該產(chǎn)品安裝于液壓系統(tǒng)主管路中，作為安全保護(hù)裝置使用。該閥能夠在數(shù)秒鐘之內(nèi)卸除供液管路內(nèi)高壓液體，并將卸壓后的液體返回至液箱。該閥能在系統(tǒng)卸壓的同時(shí)鎖閉蓄能器內(nèi)壓力，縮短卸壓時(shí)間。技術(shù)方案包括有閥接板、主控閥、中控閥和電磁先導(dǎo)閥，在閥接板上設(shè)有與大儲(chǔ)能器、高壓管路、主控閥連通的接口，在主控閥體內(nèi)安裝有卸荷閥芯、卸荷閥墊、關(guān)儲(chǔ)閥芯、關(guān)儲(chǔ)閥墊和短頂桿以及長(zhǎng)頂桿、卸儲(chǔ)閥墊和卸儲(chǔ)閥芯，在中控閥體內(nèi)安裝有3組單向閥及控制活塞和頂桿以及小儲(chǔ)能器接頭，在中控閥體上還加工有為完成進(jìn)液、回液和通液各自功能的多個(gè)液孔，產(chǎn)生的有益效果是，關(guān)儲(chǔ)、卸壓和停泵可以在瞬間完成，從而避免了故障的延續(xù)與擴(kuò)大，避免了管路振動(dòng)和儲(chǔ)能器中能量的損耗，達(dá)到了安全與節(jié)能的效果[20]。關(guān)儲(chǔ)急停卸荷閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 關(guān)儲(chǔ)急停卸荷閥結(jié)構(gòu)

4 遠(yuǎn)距離供液的發(fā)展趨勢(shì)

1)隨著乳化液泵站供液流量及壓力的不斷增加，由于長(zhǎng)距離輸送所帶來(lái)的沿程壓力損失所造成的壓力降低及流量損失的問(wèn)題得到緩解。供液距離的增加可以使集中泵站的布置位置更加靈活，通過(guò)合理規(guī)劃，可以進(jìn)一步擴(kuò)大集中泵站的服務(wù)范圍，最大程度減少供液系統(tǒng)設(shè)備搬移次數(shù)。結(jié)合回液中繼技術(shù)的進(jìn)一步研究，在某些采深較淺的礦井可以實(shí)現(xiàn)地面泵站代替井下泵站的供液方式。

2)目前乳化液長(zhǎng)距離輸送管路可分為鋼管和膠管兩種。鋼管常用材質(zhì)多為27SiMn，最大外徑可達(dá)108mm，高壓膠管的加工工藝近幾年得到較快發(fā)展，公稱(chēng)壓力42MPa的高壓膠管內(nèi)徑也已可以達(dá)到108mm。盡管增大管徑可以有效降低管內(nèi)液體流速?gòu)亩档土髯?，但考慮管路安裝及成本問(wèn)題，管路的管徑不適宜繼續(xù)增大。針對(duì)此問(wèn)題可以通過(guò)對(duì)管路內(nèi)壁進(jìn)行陶瓷鍍層等工藝手段的攻關(guān)來(lái)降低液體輸送過(guò)程中的的摩擦系數(shù)，從而進(jìn)一步降低沿程阻力損失，提高最遠(yuǎn)供液距離。

3)泵站與工作面距離的增加以及“一泵對(duì)多面”的工作狀態(tài)，對(duì)供液系統(tǒng)的無(wú)人值守和智能安全控制提出了更高的要求?；凇爸鲃?dòng)監(jiān)控與自動(dòng)防護(hù)相結(jié)合”的思路，在遠(yuǎn)程可視化+設(shè)備故障診斷的無(wú)人值守智能安全控制模式的基礎(chǔ)上，將高頻壓力、水聽(tīng)器、流量、液體品質(zhì)等多參數(shù)監(jiān)測(cè)相融合，實(shí)現(xiàn)針對(duì)水錘、爆管、漏損、阻塞等問(wèn)題的多參數(shù)管路監(jiān)測(cè)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離供液管路的異常評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。建立系統(tǒng)層面和各級(jí)子系統(tǒng)層面相結(jié)合的多級(jí)監(jiān)測(cè)診斷體系能夠有效提高各種事故工況的響應(yīng)速度。

5 結(jié) 語(yǔ)

智能化開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了多泵站供液方式、壓力控制方式等技術(shù)變革，隨著供液系統(tǒng)高頻脈動(dòng)有效控制、基于變頻調(diào)速的多泵站流量連續(xù)壓力控制、以及遠(yuǎn)距離供液壓降控制等技術(shù)的攻克，已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形大坡度長(zhǎng)距離工作面、超長(zhǎng)走向千萬(wàn)噸工作面、綜采放頂煤智能化工作面等不同條件下的遠(yuǎn)距離智能集成供液，逐步實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)在的“一面一站”向“多工作面集中供液”過(guò)渡。