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，隨著煤礦智能化開采裝備技術(shù)的研究和發(fā)展，煤礦開采逐漸向“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)健康的因素多等問題。

傳統(tǒng)采煤工作面供液方式多為移動泵站供液，部分礦井實現(xiàn)了工作面遠(yuǎn)距離供液。兩種供液方式均存在較多弊端，采用移動泵站供液方式的，泵站列車較多，巷道變形量大時拉移困難[3]；采用工作面遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)時，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，隨著智能化開采技術(shù)的發(fā)展，采區(qū)多工作面同時或者分時供液成為必然。

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

在國內(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第一個地面集中供液系統(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，以一個泵站代替多個泵站。

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泵站供液，部分礦井實現(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)采用移動泵站供液方式的，泵站列車較多，巷道變形量大時拉移困難，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，無論是移動泵站還是遠(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)下膠管的耐壓問題，管路的輸送通徑受到限制，從而造成管路輸送過程中沿程損失增加，降低了泵站的供液質(zhì)量，增加了回液過程中的沿程阻力，造成工作面工作效率降低[11]。

4)為了滿足同一采區(qū)不同工作面同時生產(chǎn)的需求，礦方需要對同類設(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，且為保證每個工作面的穩(wěn)定持續(xù)生產(chǎn)，勢必會造成大量備用設(shè)備的冗余閑置。

2 遠(yuǎn)距離供液解決的技術(shù)問題

通過減少巷道采掘工作量，降低設(shè)備安撤頻率來提高煤礦的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)安全風(fēng)險；通過改善供液系統(tǒng)安裝、運(yùn)行及檢修環(huán)境，擴(kuò)大配套設(shè)備選用空間來延長設(shè)備的使用壽命，提高系統(tǒng)供液質(zhì)量；通過優(yōu)化系統(tǒng)單元組合配置，擴(kuò)展設(shè)備使用范圍和場合來提高設(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服役周期大幅延長，允許礦方通過合理的設(shè)計及計算，在采區(qū)整體規(guī)劃階段即可明確泵站硐室位置，無需針對采區(qū)內(nèi)不同工作面單獨準(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；同時在泵站的位置及環(huán)境上有了更大選擇空間，能夠通過合理設(shè)計，避免乳化泵站運(yùn)行時產(chǎn)生的油污、熱量、噪音和廢氣對井下環(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時，只需鋪設(shè)新的管路或改變原管路位置。避免了供液系統(tǒng)大型設(shè)備的拆裝和搬運(yùn)，簡化了工作流程，節(jié)省了人力物力，提高了工作效率，降低了設(shè)備列車拖動過程中存在的安全風(fēng)險。

3)由于采區(qū)中央集中供液系統(tǒng)在一定長的時間內(nèi)無需改變位置，在高壓乳化液輸送過程中可以選用相對固定的鋼管作為輸送載體。通過增加壁厚來解決高壓大管徑管路的耐壓問題后，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，同時鋼管的使用壽命、可維護(hù)性以及安全性能等各個方面均優(yōu)于膠管?？梢杂行嵘到y(tǒng)的穩(wěn)定性，減少因為輸送長度而造成的供液質(zhì)量下降，延長系統(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數(shù)和運(yùn)行臺數(shù)，同時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，國內(nèi)某廠家在現(xiàn)有泵站產(chǎn)品研制開發(fā)和成功應(yīng)用的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的設(shè)計理念及方法，攻克高壓大流量乳化液泵特殊材料及工藝、大功率傳動系統(tǒng)可靠性、高水基高壓大流量泵頭流量脈動、噪聲及氣蝕防治技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，成功研制出國內(nèi)首套630L/min、40MPa乳化液泵。

該套泵站技術(shù)創(chuàng)新點主要有：①采用人字齒輪副傳動技術(shù)，消除單側(cè)斜齒輪副存在的軸向分力對支撐軸承的損傷，有效提高軸承及旋轉(zhuǎn)密封壽命；同時改善單側(cè)齒輪副對“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)化傳動系統(tǒng)空間設(shè)計，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊型乳化液泵設(shè)計，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)過流結(jié)構(gòu)采用階梯式結(jié)構(gòu)，維護(hù)簡單方便，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)計了“格萊圈-盤根”雙密封自潤滑填料函結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了盤根寬度/柱塞行程比，測試優(yōu)選了特種芳綸盤根，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), 開發(fā)電液雙控自 動切換本安型電磁卸載閥, 解決泵站壓力無法實現(xiàn) 遠(yuǎn)程自動控制的難題, 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泵站進(jìn)行供液。目前的集成供液系統(tǒng)普遍采取每臺泵站上安裝一套電磁卸荷閥，以實現(xiàn)對單臺泵站供液壓力的調(diào)控。每臺泵站的出口壓力靠控制分站調(diào)節(jié)電磁卸荷閥來進(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，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)，分別控制每一臺泵站上的電磁卸載閥開啟或者關(guān)閉進(jìn)而對集成供液系統(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)動影響，泵本身壓力脈動較大，易造成卸荷頻繁。另一方面，每一泵體單獨設(shè)置卸載閥的話，為了滿足卸載壓力的需要，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壓力，因此卸載閥的通徑需要設(shè)計的很大。所以大流量泵所需要的卸載閥既要滿足大流量需求又要滿足快速響應(yīng)開閉的需求，會通過頻繁開啟或者降低關(guān)閉恢復(fù)壓力來實現(xiàn)，而頻繁開啟對于卸載閥的使用壽命帶來很大影響[16]。

國內(nèi)某廠家研制了一種用于多泵并聯(lián)狀態(tài)的多級卸載裝置。多級電磁卸載裝置液壓原理如圖2所示。卸載裝置獨立于泵體單獨設(shè)計，根據(jù)實際需要卸載裝置可以連接一臺或者多臺泵體，能夠有效降低泵體壓力脈動，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啟，有效提高卸載裝置的使用壽命。通過控制器集中控制不同級的卸荷部件進(jìn)行增壓或者卸荷，能夠解決多泵體情況下的壓力脈動以及卸荷頻繁開啟問題，將泵站壓力脈動幅度和頻率降低，實現(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)不足的問題[17]。

圖2 多級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，由于高度產(chǎn)生的壓力損失可能會超過支架降柱時自身的初始動力，造成工作面降柱困難[18]。通過工作面遠(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，使工作面回液無阻力進(jìn)入液箱后，再由增壓泵提供動力使其返回系統(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，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濾站。回液中繼系統(tǒng)控制流程如圖3所示：當(dāng)工作面開始回液時，乳化液無阻力回到箱體內(nèi)，箱體內(nèi)液位不斷上升，液位上升的數(shù)據(jù)可以通過液位傳感器實時讀取，并反饋至控制器內(nèi)。當(dāng)液位上升至預(yù)設(shè)高度時，控制器發(fā)出信號，控制增壓泵啟動，此時箱體內(nèi)的液體通過增壓泵的增壓后，通過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，控制器發(fā)出信號，增壓泵停止工作。同時，當(dāng)增壓泵出現(xiàn)故障時，為了避免箱體的外溢，可以通過控制閥改變液體流向，繞開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)失壓自動保護(hù)技術(shù)

大通徑快速響應(yīng)緊急卸荷閥，實現(xiàn)了工作面主管路瞬間爆管“關(guān)蓄卸壓”，響應(yīng)時間在200ms以內(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及卸荷時間較長，產(chǎn)生管路振動的問題。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)卸壓的同時鎖閉蓄能器內(nèi)壓力，縮短卸壓時間。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)儲閥芯、關(guān)儲閥墊和短頂桿以及長頂桿、卸儲閥墊和卸儲閥芯，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液孔，產(chǎn)生的有益效果是，關(guān)儲、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，避免了管路振動和儲能器中能量的損耗，達(dá)到了安全與節(jié)能的效果[20]。關(guān)儲急停卸荷閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 關(guān)儲急停卸荷閥結(jié)構(gòu)

4 遠(yuǎn)距離供液的發(fā)展趨勢

1)隨著乳化液泵站供液流量及壓力的不斷增加，由于長距離輸送所帶來的沿程壓力損失所造成的壓力降低及流量損失的問題得到緩解。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現(xiàn)地面泵站代替井下泵站的供液方式。

2)目前乳化液長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)液體流速從而降低流阻，但考慮管路安裝及成本問題，管路的管徑不適宜繼續(xù)增大。針對此問題可以通過對管路內(nèi)壁進(jìn)行陶瓷鍍層等工藝手段的攻關(guān)來降低液體輸送過程中的的摩擦系數(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“一泵對多面”的工作狀態(tài)，對供液系統(tǒng)的無人值守和智能安全控制提出了更高的要求?；凇爸鲃颖O(jiān)控與自動防護(hù)相結(jié)合”的思路，在遠(yuǎn)程可視化+設(shè)備故障診斷的無人值守智能安全控制模式的基礎(chǔ)上，將高頻壓力、水聽器、流量、液體品質(zhì)等多參數(shù)監(jiān)測相融合，實現(xiàn)針對水錘、爆管、漏損、阻塞等問題的多參數(shù)管路監(jiān)測。利用機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離供液管路的異常評估和風(fēng)險預(yù)警。建立系統(tǒng)層面和各級子系統(tǒng)層面相結(jié)合的多級監(jiān)測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

智能化開采技術(shù)的發(fā)展推動了多泵站供液方式、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)逐步實現(xiàn)了復(fù)雜地形大坡度長距離工作面、超長走向千萬噸工作面、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，逐步實現(xiàn)由現(xiàn)在的“一面一站”向“多工作面集中供液”過渡。