0 引言

目前，國內(nèi)大部分煤礦依然選用傳統(tǒng)式的“一面一站”分散化就地供液方式，即在每一個采煤工作面設(shè)定一個乳化液泵站，每一個站配備“四泵三箱”或“三泵一箱”。乳化液泵站一般均布置于工作面主運順槽設(shè)備列車上，供、回液管道連接采煤工作面液壓支架[1]。根據(jù)現(xiàn)場使用反饋，現(xiàn)階段供液方式主要存在三方面問題，一是配液濃度值操縱難度系數(shù)大，實際操作艱難。當配制濃度值低時，導(dǎo)致液壓傳動系統(tǒng)生銹等難題，當配制濃度值高時，又會導(dǎo)致乳化液的無功消耗；二是受井下環(huán)境影響，乳化液配置過程時，在乳化液桶吸油、液箱張口等處易進入煤塵等臟物，嚴重時會造成液壓傳動系統(tǒng)阻塞；三是供液系統(tǒng)頻繁移動，出現(xiàn)跑漏、滲漏狀況，使用維護成本增加。因此提出適合井下煤炭開采的高效集中供液技術(shù)具有十分重要的意義。

1 工程概述

大海則煤礦位于陜西省榆林市榆陽區(qū)西部，隸屬于中煤陜西榆林能源化工有限公司，設(shè)計生產(chǎn)能力15.0Mt/a。礦井移交時在201、202盤區(qū)共布置兩個大采高綜采工作面，兩個工作面面長均為300m，平均采高6.0m和6.6m，走向長度3200m和3800m。工作面配備ZY18000/32/65D支架，工作阻力18000kN，單架重量68.5t，支架乳化液需要量2800L/min。SL1000采煤機，裝機功率2640kW，最大截割高度7.1m，滾筒直徑3.5m，截深865mm，適應(yīng)煤層傾角≤10°。工作面回采巷道采用雙巷制，一條回風巷（兼輔運巷）和一條帶式輸送機巷，巷道斷面形式采用矩形斷面?；仫L巷凈斷面積23.7m2，凈寬5640mm，凈高4200mm；帶式輸送機巷凈斷面積25.5m2，凈寬6140mm，凈高4150mm；202盤區(qū)工作面回風巷凈斷面積23.7m2，凈寬5640mm，凈高4200mm；202盤區(qū)工作面帶式輸送機巷凈斷面積26.7m2，凈寬6140mm，凈高4350mm。

2 遠距離供液系統(tǒng)的組成

針對傳統(tǒng)供液技術(shù)存在的弊端，提出適合大海則煤礦井下工作面開采的高效集中遠距離供液系統(tǒng)方案，包括乳化液系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)。其中乳化液系統(tǒng)主要由地面乳化液配比站、配比液輸送管路、井下遠距離供液泵站、乳化液供液主管、乳化液供液支管、乳化液回液主管和乳化液回液支管等組成；噴霧系統(tǒng)主要由進水過濾站、噴霧水箱、噴霧增壓過濾、噴霧蓄能器站、噴霧泵組和噴霧供液管路等組成，詳見圖1。

圖1 遠距離供液系統(tǒng)圖

將供液系統(tǒng)布置在工作面順槽外，供液距離將達到4000m，遠距離供液距離長、管路壓力損失大，為保證遠距離供液系統(tǒng)的安全、可靠，乳化液泵和噴霧泵的流量和壓力值，除滿足支架和采煤機等設(shè)備的正常使用外，還應(yīng)考慮管路的損失、管路材質(zhì)選擇和管路系統(tǒng)布置方案。另外，大海則煤礦作為現(xiàn)代化大型礦井，遠距離供液系統(tǒng)智能化也是重點的考量指標。鑒于上述理由，大海則煤礦井下遠距離供液系統(tǒng)設(shè)備配置主要如下：

2.1 乳化液供液設(shè)備

2.1.1 地面自動配比站設(shè)備

本礦井在地面設(shè)置自動配比站，站內(nèi)安裝1套乳化液配比系統(tǒng)，包含1個配比液箱總成、1個乳化油箱總成、1個凈水箱總成及配比控制箱等部件，各箱體容積均為10000L。配比液箱總成配置2臺循環(huán)泵，1臺工作1臺備用，每臺泵電機功率0.75kW，電壓380V；乳化油箱總成配置2臺動力泵，1臺工作1臺備用，每臺泵電機功率1.5kW，電壓380V；凈水箱總成配置2臺補水泵，1臺工作1臺備用，每臺泵電機功率3kW，電壓380V。

乳化油箱和凈水箱分別向配比箱內(nèi)注入水和油，配比箱內(nèi)混合均勻后經(jīng)輸液管路輸送至井下乳化液泵站。配比站自動配比濃度范圍在2%-7%內(nèi)，并且可調(diào)。具有手動與自動兩種控制模式，可實現(xiàn)自動與手動控制乳化液配比系統(tǒng)啟停功能，能實時監(jiān)測和顯示乳化液配液濃度。另外，配比站具有乳化液箱液位、乳化油油箱油位監(jiān)測與顯示功能；具有液位實時監(jiān)測和乳化液自動補液功能，當乳化油箱油位偏低時，實現(xiàn)報警并停止乳化液自動配比，提示補充乳化油；其控制裝置具有顯示屏，可在屏幕上顯示液箱液位、乳化油油位、乳化液濃度、乳化液溫度等信息，具有數(shù)據(jù)查詢及參數(shù)配置功能。整個配比系統(tǒng)能夠適應(yīng)水壓范圍1-2MPa不穩(wěn)定的工況條件；具有標準的通訊接口與通訊協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，具有在遠程進行數(shù)據(jù)顯示，遠程控制及參數(shù)調(diào)整等功能。

2.1.2 井下遠距離供液泵站

井下201、202盤區(qū)各設(shè)置1套遠距離乳化液供液泵站。每個泵站由乳化液泵（4臺）、乳化液箱（3個）、乳化增壓過濾、乳化蓄能器站和回液過濾站等組成。乳化液泵3臺工作，1臺備用，每臺乳化液泵配置1臺隔爆變頻異步電動機。泵站設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 乳化液泵站技術(shù)能力特征表

井下遠距離供液泵站作為遠距離供液系統(tǒng)的核心點位，其系統(tǒng)工藝為：地面配比液管路→乳化液箱→乳化液泵→高壓供液站→高壓自動反沖洗過濾站→管道式過濾器→液壓支架→自動反沖洗回液過濾站→供液箱。

供液泵站具有自動卸載功能，可滿足自動和機械兩種模式長期運行的要求。供液泵站變頻控制和電磁閥卸荷智能聯(lián)動，實現(xiàn)系統(tǒng)壓力波動的最小化、系統(tǒng)瞬間供液最大化，實現(xiàn)工作面恒壓供液。供液泵站具有性能可靠的工作面緊急卸荷系統(tǒng)，在膠管爆裂等突發(fā)情況下，能夠瞬間卸除主管路內(nèi)壓力，同時關(guān)閉蓄能器和泵站系統(tǒng)。同時，具有故障診斷、故障記錄、單泵運行時間累積存儲、濃度監(jiān)測、自動配液、低油位、低液位、超溫、管路失壓、潤滑油壓力和油位及油溫等保護功能。

2.2 噴霧系統(tǒng)設(shè)備

井下201、202盤區(qū)各設(shè)置1套噴霧泵站，每個泵站由進水過濾站、噴霧泵（2臺）、噴霧泵液箱（1個）、噴霧增壓過濾和噴霧蓄能器站等組成。噴霧泵1臺工作，1臺備用，每臺泵配置1臺隔爆變頻異步電動機。泵站設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 噴霧泵站技術(shù)能力特征表

噴霧泵具有水箱低水位、超溫、潤滑油壓力和油位及油溫等保護功能，可顯示壓力、流量、水位、溫度等數(shù)據(jù)。泵體上配備必要的監(jiān)測儀表，如壓力表、潤滑表、流量表、溫度表、液位表、乳化液濃度表等。

噴霧泵液箱，配有電磁閥控制的自動進水裝置。液箱配有必要的監(jiān)測儀表，如液位計等。噴霧泵液箱能夠自動監(jiān)控清水箱的低液位,實現(xiàn)低位報警，超低位自動停機保護。清水液箱具有清理口，可方便人員對箱體內(nèi)部的清洗。箱體組裝后為封閉式結(jié)構(gòu)，防止矸石、煤粉等雜物落入。液箱回液管與液箱連接處必須牢固可靠。

2.3 管路

2.3.1 乳化液管路規(guī)格

①配比液管路。

配比液管路選用Φ65×6（mm）無縫鋼管，沿地面及主立井井筒敷設(shè)1趟。

②乳化液供液管路。

乳化液供液管路干管選用Φ146×13（mm）27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，由乳化液泵站硐室沿2煤南、北翼回風大巷各敷設(shè)1趟至工作面巷道口，供液支管選用Φ121×12（mm）27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，沿各綜采工作面帶式輸送機巷敷設(shè)1趟。

③乳化液回液管路。

乳化液泵站回液干管選用Φ146×9（mm）27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，由乳化液泵站硐室沿2煤南、北翼回風大巷各敷設(shè)1趟至工作面巷道口，支管選用Φ133×9（mm）27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，沿各綜采工作面帶式輸送機巷敷設(shè)1趟。

2.3.2 噴霧供液管路

噴霧供液管路選用Φ108×5（mm）27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，由乳化液泵站硐室沿2煤南、北翼回風大巷、綜采工作面帶式輸送機巷各敷設(shè)1趟。

2.3.3 供液管路管路特點

配比液管路靜壓輸送，傳輸壓力相對較小，采用普通無縫鋼管即可滿足使用要求。乳化液供液管路和噴霧供液管路，根據(jù)其特有的工況及工作環(huán)境，采用27SiMn牌號無縫鋼管，該管路主要具有以下特點：①該管路為超高壓無縫鋼管，具備較高的機械強度，可承壓60MPa，與其它管材相比更加安全；②耐腐蝕性強，特別適合在煤礦高壓管路中使用，使用壽命遠高于其它管材；③管路阻力小，輸送介質(zhì)不會因管道內(nèi)壁問題混入其它雜質(zhì)，輸送能力有保障；④采用超高壓連接器連接，施工方便，安全可靠。

2.3.4 供液管路壓力校驗

液壓系統(tǒng)中，當流體在管道中流動時，有兩種主要的能量損失，一類是油液流經(jīng)管道時，流體的粘性和管壁產(chǎn)生的粘滯力所造成的能量損失，也表現(xiàn)為壓力的降低，稱之為沿程壓力損失。另一類是油液通過管道的節(jié)流元件（如彎頭、接頭、管道截面突然擴大或收縮）時所造成的能量損失，由于液流的方向和速度的突然變化，在局部形成旋渦引起油液質(zhì)點間，以及質(zhì)點與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產(chǎn)生的壓力損失稱之為局部壓力損失[2-3]。

遠距離供液系統(tǒng)中，遠距離供液管路設(shè)置于巷道口，其節(jié)流原件較少，壓力損失主要主要體現(xiàn)在沿程損失，局部阻失相對較小，管路壓力損失計算可以簡化為：

Δpf=λ·L/d·ρ·υ2/2

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，它是雷諾數(shù)Re和相對粗糙度Δ/d的函數(shù)，λ=0.3164Re-0.25；L為鋼管的最遠供液長度；d為供液管路內(nèi)徑；ρ為流體（乳化液）密度；υ為管內(nèi)平均流速[4]。

其中，雷諾數(shù)Re=υ×d/V，計算數(shù)值詳見表3，式中：υ為管內(nèi)平均流速；d為管路內(nèi)徑；V為乳化液運動黏度。

表3 雷諾數(shù)Re的計算

根據(jù)表4中管路壓力損失的計算值，綜采工作面乳化液供液管路最遠端管路壓強為：P=P公稱-Δpf=（40-1.5-9.6）=28.9MPa。滿足工作面支架初撐力24MPa的要求[4-5]。乳化液回液管路內(nèi)徑均大于供液管路，阻力系數(shù)相對供液管路較小，不再進行特殊驗證。

表4 管路阻力損失Δpf的計算

綜采工作面噴霧管最遠端管路壓強為：P=P公稱-Δpf=（16-1.09）=14.9MPa。滿足工作面噴霧壓力不小于10MPa的要求。

3 遠距離供液系統(tǒng)效果分析

遠距離供液系統(tǒng)是乳化液高壓供、回液及噴霧水高壓供液管路為煤礦井下綜合機械化采煤遠程提供高壓乳化液，支架回液和噴霧用高壓水的輸送裝置，從設(shè)計上和使用上具有獨特的優(yōu)勢，從根本上解決了傳統(tǒng)供液技術(shù)存在的問題[6-7]，良好的使用效果，主要體現(xiàn)在以下四方面：

①礦井采用遠距離供液系統(tǒng)后，工作面順槽設(shè)備列車數(shù)量減少，巷道布置簡潔，巷道斷面較不采用遠距離供液縮小15%。②供液系統(tǒng)集中管理，減少了供液系統(tǒng)設(shè)備搬移次數(shù)，降低了供液系統(tǒng)的故障率，消除了拉移設(shè)備列車車過程中各種不安全因素。③乳化液配比工藝遷移至地面進行，配比站環(huán)境較井下顯著提升，沒有煤塵等臟物的影響，乳化液配比工作簡單、配比精度提升。④設(shè)備管理方面，固定地點集中供液有效解決了泵站設(shè)備的防潮、防污管理。

4 結(jié)論

液壓支架、采煤機作為工作面三機配套的關(guān)鍵設(shè)備，其穩(wěn)定性直接與礦井的安全、高效生產(chǎn)掛鉤，而乳化液供液質(zhì)量直接影響液壓支架密封件的使用效果和使用壽命。通過遠距離供液技術(shù)，提高了乳化液供液質(zhì)量，同時簡化了工作面順槽機電設(shè)備管理，降低了供液設(shè)備的故障率，對巷道斷面的優(yōu)化起到了積極作用，對推進煤礦智能化建設(shè)具有重要意義，具有很好的推廣應(yīng)用價值。