采煤工作面變頻供液技術(shù)研究

白亮亮

(山西煤炭運銷集團 錦瑞煤業(yè)有限公司,山西 離石 033000)

采煤工作面乳化液供液系統(tǒng)是一套結(jié)構(gòu)較為復雜的閉式液壓系統(tǒng),核心為乳化液泵站、執(zhí)行單元為液壓支架[1-2]。液壓支架是采面生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,同時也是乳化液的主要使用設(shè)備。隨著礦井自動化、智能化水平的不斷提升,對乳化液供液質(zhì)量提出了更高要求[3-5]。錦瑞煤業(yè)現(xiàn)階段開始探索智能化開采,計劃在9101綜采工作面使用變頻供液技術(shù),其中乳化液泵站是實現(xiàn)液壓支架控制的核心動力單元,依據(jù)現(xiàn)場開采需要對乳化液進行均衡輸出控制、智能閉環(huán)聯(lián)動。礦井計劃在9101采煤工作面布置智能化開采設(shè)備,由于采面布置推進長度較短,為減少設(shè)備搬家倒面次數(shù),提出將以往的工頻供液技術(shù)改為遠程變頻供液技術(shù),通過變頻控制為多個采面液壓支架提供流量、壓力及流速等滿足要求的乳化液,以期提高采面煤炭生產(chǎn)效率并減少設(shè)備列車數(shù)量。

1 工程概況

9101采煤工作面設(shè)計傾向、推進距離分別為200 m、750 m,回采的9號煤層厚度為4.3 m、傾角為0°～6°,煤層賦存較為穩(wěn)定,頂?shù)装鍘r性以泥巖為主、較平整,裂隙不發(fā)育。9101采煤工作面設(shè)計為智能化開采工作面,采面采用型號ZY9000/25/52D電控液壓支架,煤炭回采時采煤機正常截割速度為3.5 m/min,采面內(nèi)液壓支架平均約6.97 s移動1次液壓支架。液壓支架末端工作壓力在31.5 MPa以上、流量在1 260 L/min以上。為滿足液壓支架移架、頂板支撐以及設(shè)備檢修等需要,在9101采煤工作面布置3臺BRW630/37.5型乳化液泵站,額定工作壓力、流量分別為37.5 MPa、630 L/min,3臺乳化液泵站采用1臺組合變頻器驅(qū)動,配備2臺容積均為1 000 L的乳化液箱,混合液箱容量為10 000 L.在采面正常開采時,乳化液泵站2臺運行、1臺備用。

2 變頻供液系統(tǒng)

結(jié)合9101采煤工作面設(shè)備配備情況及現(xiàn)場地質(zhì)條件,構(gòu)建的變頻供液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成見圖1.該變頻供液系統(tǒng)包括3臺乳化液泵,用水源于地面反滲透過濾系統(tǒng)處理后的水,并通過專用管路運輸至井下,在乳化液泵站進水端采用過濾器(過濾精度10 μm)過濾;在供液系統(tǒng)出口端布置電動高壓過濾器(過濾精度25 μm)。經(jīng)電動高壓過濾器過濾的乳化液通過供液管路輸送至液壓支架進液口。在采面回液至乳化液箱間有過濾站(精度60 μm)。

圖1 變頻供液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3臺乳化液泵站采用1臺組合變頻控制電機驅(qū)動,變頻器通過調(diào)整輸出頻率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制,從而調(diào)節(jié)乳化液泵站輸出壓力、流量等。

供液管路出口有油溫傳感器、壓力傳感器等,傳感器將監(jiān)測參數(shù)傳輸至集控臺。集控臺依據(jù)乳化液泵站輸出壓力、采面液壓支架工作壓力等調(diào)節(jié)變頻器輸出電流頻率,通過控制乳化液泵站轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供液流量,確保液壓支架供液管路中乳化液壓力適中恒定。在供液系統(tǒng)出口及采面最遠端布置有蓄能器,通過蓄能器可降低供液系統(tǒng)乳化液壓力波動,提高乳化液供液系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性。

2.1 進液及回液管路設(shè)計

考慮乳化液供液壓力損失以及液壓支架對乳化液流量需求,現(xiàn)場采用一進一回供液方式,泵站到采面供液管路為1路D88.9 mm×9 mm不銹鋼高壓管、供液長度為2 200 m,采面機頭到機尾沿著液壓支架鋪設(shè)的供液管路為1路DN50SS高壓膠管,液壓支架間連接的回液管路為1路DN110鋼絲骨膠管,采面機尾到主回液管間用DN64膠管。

確定好乳化液泵站參數(shù)、供液管路之后,采用理論計算方法[6-9]對供液管路沿程壓力損失、局部壓力損失以及高程落差壓力損失等進行計算,具體為:

延程壓力損失(h1)可通過式(1)計算:

(1)

式中:λ為乳化液供液管路沿程摩阻損失,取0.046 6;L為供液管長度,取1 500 m;v為乳化液流速,取1.37 m/s;d為供液管路內(nèi)徑,取50.8 mm;gn為重力加速度,取9.8 m/s2.將上述參數(shù)帶入式(1)即可求得h1=110.43 m.

局部壓力損失(h2)主要來自管路閥門、彎頭等連接件,具體可通過式(2)計算:

(2)

式中:ξ為局部水頭壓力損失系數(shù),均值為0.075;ρ為乳化液密度,取1.03×103kg/m3.根據(jù)現(xiàn)場供液管路連接情況以及式(2)求得:h2=105.9 m.

乳化液泵站與采面需液處高程損失約為89 m.則整個供液管路壓力損失合計為305.33 m,100 m水柱壓力損失約為1 MPa,則整個供液管路壓力損失合計為3.05 MPa.乳化液泵站出口壓力為37.5 MPa,則供液管路末端出口壓力為34.45 MPa>31.5 MPa,可滿足液壓支架需要。

2.2 變頻控制流程

乳化液泵站變頻控制系統(tǒng)架構(gòu)見圖2.每臺乳化液泵站均有完備的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)及就地控制分站,可實現(xiàn)乳化液泵站油壓、油溫、液位以及壓力等監(jiān)測。通過主控制器實現(xiàn)乳化液泵站啟?？刂?、運行參數(shù)監(jiān)測以及預警保護等。泵站變頻控制系統(tǒng)可依據(jù)采面壓力、流量變化監(jiān)測結(jié)果,自動切斷泵站運行。由于控制中心與乳化液泵距離較遠,為提高數(shù)據(jù)傳輸效率及可靠性,在控制中心、主控臺及液壓支架控制系統(tǒng)間采用光纖通信,滿足高效控制需要。

圖2 泵站變頻控制系統(tǒng)架構(gòu)

當液壓支架電控系統(tǒng)監(jiān)測到壓力降低時,會給乳化液控制中心發(fā)出信號,控制中心向乳化液泵站主控制器發(fā)出控制指令,主控制器按照預先設(shè)定程序控制乳化液泵站啟動,首先開啟1號泵,當1號泵達到額定工作狀態(tài)后,壓力仍不滿足要求時,則主控制器向2號泵發(fā)出啟動信號,壓力仍不滿足要求時,則主控制器向3號變頻泵發(fā)出啟動信號,依據(jù)采面壓力變化通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)壓力控制,確保壓力在設(shè)定范圍內(nèi),確保壓力滿足需要。

3 現(xiàn)場應用效果分析

在9101采煤工作面采用變頻供液技術(shù)后,采面乳化液供液壓力保持平穩(wěn),可確保液壓支架工作、移架時乳化液需求,同時現(xiàn)場應用時僅需安排1名工作人員巡檢即可,不僅降低了采面工作人員勞動強度,而且可滿足采面智能化開采需要。

對9101采煤工作面(采用變頻供液)與鄰近的已回采的8101、8102采煤工作面(采用工頻供液)反滲透水用量進行比對,具體結(jié)果見圖3.從圖中看出,9101采煤工作面采用變頻供液技術(shù)后,月反滲透水用量在245～456 m3間,均值為368 m3;8101、8102采煤工作面反滲透水用量在426～1 055 m3間,均值為682 m3;通過變頻供液技術(shù)應用可減少采面乳化液供液系統(tǒng)反滲透水量約46.5%,起到了較好的節(jié)能效果。使用變頻供液技術(shù)后,檢修班1臺變頻泵供液即可滿足使用需要,可有效減少乳化液泵站電能消耗;蓄能器以及變頻供液技術(shù)應用可減少供液系統(tǒng)受到的壓力沖擊,提高管路、閥組等的使用壽命,減少后續(xù)維護成本。

圖3 反滲透水用量比對結(jié)果

由于采用集中變頻供液,乳化液泵站可為9101采煤工作面及后續(xù)的9105/9103工作面供液。由于供液設(shè)備集中布置,從而采面設(shè)備列車可由15節(jié)縮短至6節(jié),減少了采面設(shè)備維護工作量以及后續(xù)搬家倒面難度。

4 結(jié) 語

為提高采面乳化液供液質(zhì)量和效率,提出將變頻供液技術(shù)應用到9101采煤工作面上,由于采面布置推進距離較短,為減少設(shè)備搬家倒面次數(shù)及難度,提出采用遠距離變頻供液方式,即建設(shè)的乳化液泵站同時為9101采煤工作面及鄰近的9105/9103采煤工作面服務(wù)。結(jié)合現(xiàn)場情況,對變頻供液管路設(shè)計,采用1路D88.9 mm×9 mm不銹鋼高壓管、1路D108 mm×8 mm不銹鋼高壓管回液可滿足采面生產(chǎn)需要。

為提高通信效率,液壓支架電控系統(tǒng)與乳化液控制中心、主控臺間均采用光纖通信。正常運行時,2臺變頻泵組合方式即可滿足液壓支架供液需求,在檢修時采用1臺變頻泵供液;若采面現(xiàn)場乳化液需求量明顯增加時,則采用3臺變頻泵工作,其中變頻泵主要起到乳化液壓力調(diào)節(jié)作用,并減少能耗?，F(xiàn)場應用后,變頻供液技術(shù)在減少電能消耗、反滲透水消耗、設(shè)備維修保養(yǎng)等方面均起到較好效果。