綜采工作面超長距離供液壓損研究分析

胡云飛，張凱，王亮，史紀飛

(1.國家能源集團國源電力有限公司， 北京 100032；2.國能億利能源有限責任公司黃玉川煤礦， 內蒙古 鄂爾多斯市 017000；3.山東科技大學， 山東 青島市 266590)

0 引言

傳統(tǒng)煤礦井下供液一般都是將配套的供液設備放在距離工作面不遠處，設備基本都是采取隨采隨移的方式。但是配套設備在移動拆除過程中會造成管路損壞、底板底鼓變形、流量泄漏等問題，設備的反復拆卸、移動進一步增加了工人勞動，安全問題也相應增加[1-3]。近年來，國內出現了一種超長供液新技術，其特點是將乳化泵站等設備與移動設備列車分離，移至工作面外進行固定布置，通過高壓輸送管將乳化液輸送到工作面，這樣一來增加了工作面的安全系數，同時避免了反復移動拆裝設備，減少了工人勞動強度[4-5]。與此同時，長距離輸送過程中會產生壓力損失，造成乳化液到達工作面時壓力不足，不足以滿足液壓支架的壓力要求[6-7]。為解決長距離供液壓損問題，研制了一種內襯不銹鋼管，為了驗證其長距離供液的可行性，進行了理論計算，并結合陜煤曹家灘煤礦現場應用試驗來驗證長距離供液的可行性。

1 煤礦長距離供液理論分析

陜煤曹家灘煤礦12盤區(qū)首采煤層2-2煤由西到東逐漸變薄，西半區(qū)煤層厚度為 10.80～12.56 m，平均為11.80 m，東半區(qū)煤層厚度為8.08～12.09 m，平均為10.61 m，東翼采用大采高一次采全高開采，西翼經論證后采用大采高綜放開采。西翼大采高綜放工作面設備配套能力為1500萬t/年，該工作面從泵站到工作面端頭實際供液管路長達6200 m。

對于煤礦 6000 m超長距離的供液，傳統(tǒng)的高壓膠管以及普通鋼管都無法滿足該超長距離供液系統(tǒng)長久的穩(wěn)定性。為此，研制了一種內襯不銹鋼復合管，其不銹鋼材質為0Cr18Ni9，采用不銹鋼層全覆蓋接觸溶液位置的方式（通過焊接不銹鋼層后加工，如圖1所示）。

圖1 管路端頭用不銹鋼層覆蓋

內襯不銹鋼復合管在使用過程中不會因內壁銹蝕產生結垢、結瘤而使內通徑縮小。輸送過程壓力損失減小，因此，現場擬采用內徑為133 mm的內襯不銹鋼復合管道，輸送管出口壓力需達到30 MPa以上才能滿足工作面對于設備的壓力需要。結合以上情況，特對此內襯不銹鋼管遠距離供液進行可行性論證。

1.1 基本參數及壓力損失分析

從泵站到該工作面端頭實際供液管路長達 6200 m；內襯不銹鋼管道內徑為 133 mm；取乳化液密度為 1000 kg/m3；取乳化液運動黏度V=6×10-6m2/s。

長距離管道供液壓力損失主要包括沿程壓力損失和局部壓力損失兩方面，沿程壓力損失是流體在管道內流動時所產生的壓力損失，主要是流體在管道內流動時由流體內部摩擦力以及流體與管道之間的摩擦力所引起；局部壓力損失是流體在管道內流動，由于局部接頭或者管道橫截面突變，導致局部形成碰撞，使得流體與管道壁面產生劇烈摩擦，導致壓力損失。

供液流量分別選取300，500，700，900，1100，1300，1500，1700，2000 L/min的情況下，對沿程壓力損失和局部壓力損失這兩部分進行理論計算。

1.2 沿程壓力損失計算

沿程壓力損失Δpa計算公式如下：

式中，λ為沿程阻力系數，是雷諾數Re和相對粗糙度Δ/d的函數；L為管道的長度，m；d為管道內徑，mm；v為管內內乳化液平均流速，m/s；ρ為乳化液密度，kg/m3。

管道乳化液平均流速計算公式如下：

式中，Q為管道內流量，L/min。

雷諾數用以判斷管內流動液體是層流還是紊流，臨界雷諾數取 2100作為判斷依據，當計算雷諾數大于2100即是紊流，小于2100即是層流，其雷諾數計算公式如下：

式中，V為乳化液運動黏度，m2/s。

沿程阻力系數是雷諾數和Δ/d的函數，可根據勃拉修斯經驗公式計算得到，計算公式如下：

由以上計算公式最后求得計算結果見表1。

表1 不同流量下各參數計算結果

1.3 局部壓力損失計算

長距離供液管道在供液過程中，會產生局部阻塞、管道接口局部泄露等問題，繼而引發(fā)局部壓力損失，在理論計算時可按照管路沿程損失的百分比進行計算，一般選取50%，其計算結果見表2。

表2 不同流量下局部壓力損失

1.4 管路供液過程總壓力損失計算

供液管路總的壓力損失為沿程壓力損失和局部壓力損失總和，計算公式如下：

根據式（5）求得最后不同流量下總的壓力損失，結果見表3。

表3 不同流量下總壓力損失

2 現場實施

2.1 試驗設計

基于以上理論計算，設計了陜煤曹家灘煤礦12盤區(qū)西翼大采高綜放工作面遠距離供液系統(tǒng)管路，如圖2所示，從上到下依次是主進管路、回路管路、噴霧管路，從泵站到工作面端頭實際供液管路長達6200 m，通過階梯打壓試驗、動態(tài)運行試驗，驗證該內襯不銹鋼復合管路系統(tǒng)的耐壓性能。通過動態(tài)運行測量數據記錄，分析該內襯不銹鋼復合管路的壓力損失。

圖2 遠距離供液系統(tǒng)

2.2 打壓測試

在陜煤曹家灘煤礦 12盤區(qū)西翼大采高綜放工作面進行管道鋪設，鋪設完成后進行打壓測試，分別將高壓供液管道壓力從0～40 MPa分5次階梯打壓進行測試，對乳化液泵回液管路從0～30 MPa分4次進行階梯打壓測試，每次間隔30 min，期間不定時巡查檢測，均無泄漏狀況出現。

2.3 長期運行試驗

管路打壓合格后又進行了綜采工作面設備聯(lián)合試運行，綜采工作試生產后進入正常的長期性運行試驗。

在運行過程中對隨機的三個月進行記錄，記錄當時流量與對應的兩端壓力差，取這三個月壓力損失的平均值，繪制壓力損失隨流量變化曲線圖，如圖3所示。

圖3 壓力損失隨流量變化曲線

由圖3可以看出，理論計算結果和現場數據存在一定的誤差，這是由于真實的現場管道供液還會存在其他形式的壓力損失，比如管道鋪設存在高度差，局部漩渦損失等等，誤差范圍符合實際情況。

從圖3還可以看出，無論是理論計算還是現場試驗，壓力損失都隨著流量的增大而增大。理論計算的壓力損失在0.28～3.41 MPa之間，現場數據的壓力損失在0.35～5.88 MPa之間。根據實際現場需求，乳化泵的出口壓力調節(jié)為35 MPa，管道出口處壓力達到30 MPa以上。要合理控制流量大小，實際將流量控制在500～1500 L/min之間，使得壓力損失在 0.62～3.2 MPa之間，加之泵站智能流量預測控制技術的快速響應，管道出口處的壓力能穩(wěn)定在30 MPa以上，滿足工作面支架壓力的使用要求。

3 結論

（1）根據陜煤曹家灘煤礦現場實際情況，研制了一種內襯不銹鋼管進行遠距離供液，通過對內襯不銹鋼復合管端頭部位進行不銹鋼覆蓋改進，使得改進后的管路腐蝕現象及管路輸送壓降明顯降低。

（2）對管路壓力損失進行理論計算，得出超長距離供液壓力損失值，進一步通過煤礦現場實際數據驗證，得到理論計算結果和現場數據誤差保持在合理范圍內，最終確定內襯不銹鋼管6200 m超長距離供液能達到使用要求，對其他長距離供液也有一定的參考價值。

（3）理論計算和試驗驗證都表明，長距離供液壓力損失會隨著流量的增大而增大，為滿足實際使用要求，降低壓力損失，應盡量將供液流量控制在500～1500 L/min之內。