煤矿智能化工作面远程供液技术应用

和世江

（山西焦煤集团西山煤电公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602）

随着智能化设备研究的逐步深入，先进设备越来越多地应用于煤炭开采技术当中，智能化开采必然是煤矿综采技术的发展趋势［1］。目前，对煤矿综采工作面远程供液领域的研究主要针对远程液压损失，而远程供液技术的应用研究较少［2］。基于斜沟煤矿23110综放工作面生产条件，重点对远程供液技术的配套原则和设计方法进行论述，为系统设计和设备选型提供借鉴。

1 综采面原供液设备布置

1.1 综采面原供液设备布置方式

原综放工作面泵站使用3台BRW400/37.5型五柱塞乳化液泵和2台RX630/70型乳化液箱，主进液管为4D（4SH）-32-40MPa型高压钢丝缠绕胶管，主回液管为4-51-8MPa（GB）型高压钢丝编织胶管。串车设在皮带巷,串车上搭载移动变电站、组合开关、变频器、泵站等设备，通过搬移式轨道,伴随工作面回采推进而迁移。

1.2 综采面原供液设备布置缺点

综放工作面供液设备的特点均为体积大、质量大，同时由于工作面回采采动压力强力显现，导致皮带巷频发底鼓现象，严重影响供液设备正常推进。串车布置一般距切眼100 m，设备列车长180 m，串车行走需要至少2名工人协同配合操作，管路、电缆也得随着挪动，劳动强度大，移动频率高，且影响开采效率。

1.3 改进方向

为了避免设备列车频繁移动的复杂生产程序，将整个设备列车安设于停采线外，即辅运大巷和胶带大巷联络巷内，通过管路将乳化液输送至回采工作面设备当中，实现远程送液。

2 远距离供液配套设计

2.1 远程供液配套原则

（1）供液系统因远程输送会造成压力损失，到达支架处的最末端供液压力应满足液压支架初撑力要求。

（2）优选性价比高的管路设备，满足安装、维护便捷要求，适应井下特殊恶劣环境。

（3）优化供液方式，精确泵站输出压力、管路管径、流量等相关参数，满足远距离供液的压力保障及工作面设备对乳化液的流量需求。

2.2 泵站参数

泵站的选型是解决远距离供液系统的首要难题。设计泵站安置于距离23110工作面1 860 m的辅运大巷与胶带大巷联络巷内。经过查阅相关文献和分析计算后［3］，在充分满足液压支架活动需求量前提下，综合考虑设备自身损耗及富裕系数，乳化泵选用4台BRW630/37.5型（2台使用2台备用），额定流量与压力分别为630 L/min和37.5 MPa。搭配2个乳化液箱，混合液箱和回液箱容积均为1 000 L。

2.3 进回液管路设计

参考综放工作面液压支架型号及数量，选用“两进一回”管路布置方式。由于输送距离为1 860 m，考虑应用经济性，从泵站铺设进工作面的管路选取2路SSKV64型胶管，液压支架进液管选用DN50SS型高压胶管，回液选取1路DN110钢丝骨架管。

2.4 远程供液配套参数校验

在泵站与管路的参数明确后，为满足高压乳化液从泵站经管路输送到工作面支架时乳化液压力不低于工作面机尾支架所要求的压力，须计算压力损失。由于主进液管为SSKV64型胶管，供液管路内径101.6 mm。乳化液浓度为5%，所以管道内液体的运动黏度μ=0.913×10-6m2/s。

雷诺数：

式中：υ为乳化液流速，1.37 m/s；d为供液管路内径，101.6 mm。

压力损失包含沿程压力损失h1、局部压力损失h2、巷道高度落差压力损失h3等［4］。

沿程压力损失h1计算：

式中：λ为供液管路沿程磨阻系数，查表SSKV64型胶管绝对粗糙度Δ=0.06 mm，根据绝对粗糙度Δ/供液管路内径d，比值为0.000 59、雷诺数Re=1.52×105，判断乳化液流态为湍流。查询Moody图获取高压胶管系数，取0.027；L为远程供液管路长度，1 860 m；υ为乳化液流速，1.37 m/s；d为 供 液 管 路 内 径，101.6 mm；ρ为 流 体 密 度，1 000 kg/m3。

经计算h1=2.723 MPa。

管道连接件、阀门、弯头等造成局部压力损失，该系统管路共计32个闸阀、10个直角弯头。由连接件统计的数量计算：

式中：n1为闸阀个数，32；ε1为闸阀处阻力系数，取ε1=0.2；n2为弯头个数，10；ε2为弯头处阻力系数，取ε2=0.8。

经计算h2=0.135 MPa。

高度落差压力损失通常按100 m水柱的压力降大约为0.1 MPa计算。巷道高度落差压力损失计算：

式中：ΔH为巷道高度落差,指泵站到回采工作面标高之差，升高160 m。

即h3=0.16 MPa。

对于远程供液系统，系统供液压力即管路出口压力需满足：

式中：Pb为泵站出口压力，37.5 MPa。

经计算Pm=34.482 MPa＞31.5 MPa。

通过配套系统的理论计算，远程供液设计足以满足综放工作面液压需求。

2.5 通信技术

基于远程供液设计，虽然实现1 860 m远距离供液，但配套的通信技术也得满足生产需求。为了提高远距离乳化液泵站主控器和顺槽控制中心之间集中自动化控制和数据传输的速度，提高远控响应的灵敏性，在顺槽集中控制中心、远距离供液系统主控台、工作面支架控制系统之间建立光纤通信，采用ModbusTCP/IP通信协议实现双向通信技术［5］，解决控制信号传输的滞后性问题。

3 远程供液应用及效果分析

3.1 远程供液应用

根据流体力学中能量的损失规律与流态相关的知识［6］，乳化液流速同样会造成供液管路的沿程压力损失。选用智能变频恒压供液系统，其核心原理为变频器采用调整电源的供电频率实现乳化液泵站驱动电机转速的控制，进而对乳化液泵输出的压力进行控制。在乳化液泵的泵头处安设电磁卸荷阀，输出管路的出口处安装压力、油温传感器，通过参数调整来控制乳化液泵的卸荷压力，同时控制乳化液泵站的输出压力值，实现系统工作面液压支架供液管路中压力恒定。

智能变频恒压供液系统大大降低了乳化液到达工作面的压力损失程度，同时可以改善对液压系统冲击损耗，降低窜漏液发生频率，提高供液管路、阀组使用寿命。皮带头绕道列车安设在辅运大巷和皮带巷联内，设备列车2安设在距皮带巷口80 m位置，设备列车1安设在皮带巷距切眼100 m位置。

图1 远程供液方案

3.2 远程供液效果分析

（1）23110工作面远距离供液实施后，工作面支架静止状态时泵站出口与支架压力变化趋势一致，保证综放工作面设备操作的流畅性；当3个支架同时操作时，乳化液泵出口处瞬时压力值为31.5 MPa，工作面尾端头支架压力值为28 MPa左右,能够满足现场设备操作的供液需求。同时，生产过程中，仅安排1名巡检工即可保证生产稳定性，减少了用人数量，提升了工作面整体智能化水平。

（2）采用远距离供液系统后，设备的能耗降低，同时可以改善对液压系统冲击损耗，降低窜漏液发生频率，维修量及维护成本降低，提高了供液管路、阀组使用寿命。

4 结论

1）通过设计自动化工作面远程供液系统，可解决泵站串车随工作面推进频繁移动的复杂程序，提高智能化工作面推进水平，对于深部开采特别是存在冲击地压的工作面，可显著提高人员及巷道设备的安全性。

2）经过对斜钩煤矿23110工作面1 860 m远距离供液系统的供液压力理论计算，并对选定的供液管路进行验证分析，应用效果可以满足生产需求。采用ModbusTCP/IP通信协议实现双向通信技术，对远程供液控制信号传输提供保障。