綜放工作面超長距離供液技術(shù)應(yīng)用研究

任曉峰，何慧芳

（1.山西煤炭運銷集團泰山隆安煤業(yè)有限公司，山西 保德 036600；2.山西省晉神能源有限公司，山西 河曲 036500）

0 引言

煤礦井下綜采工作面供液系統(tǒng)一般采用的是近距離供液方式，即將乳化液泵站及噴霧泵站等供液設(shè)備布置在距工作面較近的順槽內(nèi)設(shè)備列車上，隨工作面推進不斷向前拉移，但該供液方式存在設(shè)備列車拉移困難、影響巷道通風行人、人員勞動強度大、設(shè)備管理維護困難、安全隱患多等問題。遠距離供液可以一次性解決上述難題，該供液方式主要是將乳化液泵站、噴霧泵站、泵箱等設(shè)備布置到工作面停采線以外的聯(lián)絡(luò)巷或采區(qū)車場內(nèi)，目前已在國內(nèi)多個煤礦成功進行了推廣應(yīng)用，但最長供液距離只有2 000 m。而6 000 m 以上的大口徑、大流量、超長距離供液技術(shù)存在沿程供液壓力損失大、流量難保證等技術(shù)難題，國內(nèi)仍處于探索階段。因此，以王莊煤礦122108 綜放工作面為工程背景，利用AMESim 軟件仿真模擬分析超長距離供液系統(tǒng)的影響因素，并進行工業(yè)試驗，為超長距離供液系統(tǒng)應(yīng)用推廣提供一定的技術(shù)參考。

1 工程概況

王莊煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為3.00～10.00 Mt/a，122108 工作面為綜采區(qū)第二個綜合機械化放頂煤開采工作面，工作面設(shè)計走向長度5 966 m，傾向長度280 m，主采2-2 煤層，煤層厚度10.80～12.56 m，平均11.80 m。工作面安裝的液壓支架為ZFY21000/34/63D 型兩柱掩護式放頂煤液壓支架（工作阻力2 100 kN）。

2 仿真模擬分析

2.1 超長距離供液系統(tǒng)原理

超長距離供液系統(tǒng)是將乳化液泵站從工作面順槽移動設(shè)備列車中分離，固定安裝在順槽口以外的聯(lián)絡(luò)巷或采區(qū)車場位置，通過高壓輸送管道將乳化液輸送至回采工作面綜采支架油缸。該系統(tǒng)主要由乳化液泵站、動力輸送管道以及供配電系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成，其供液系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 綜放工作面長距離供液系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of long distance liquid supply system in fully mechanized caving face

2.2 仿真模型搭建

根據(jù)工作面采用長距離供液管路時管路中的壓力和流量變化情況，對圖1中工作面供液系統(tǒng)圖進行簡化，利用AMESim 軟件搭建如圖2所示仿真模型。

圖2 長距離供液系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of long distance liquid supply system

供液系統(tǒng)仿真模型管路出液口壓力源壓力設(shè)定為37.5 MPa，流量源分別設(shè)為600 L/min 和1 200 L/min，選用不銹鋼合金復合管管道分布參數(shù)模型，該模型可以精準計算管道中與頻率變化相關(guān)的摩擦損失。

影響超長距離供液系統(tǒng)沿程壓力損失大小的關(guān)鍵因素在于供液管路管徑的選取。根據(jù)流體傳輸管道動力學相關(guān)理論，流體管道特性包括含粘性剪切摩擦壓力損失引起的液阻、流體可壓縮性或柔性引起的液容和流體加速慣性作用引起的液感。管道的分布參數(shù)模型是由若干個集中參數(shù)模型的集合而成，利用AMESim 軟件進行仿真模擬時可以設(shè)定集中參數(shù)模型的個數(shù)，根據(jù)流體傳輸管道動力學相關(guān)理論，各段管路集中參數(shù)模型中的流體壓力和流量可以用式（1） 表達：

式中：P 為傳輸管路中各點的壓力；l 為每段集中參數(shù)數(shù)學模型中傳輸管路的長度；ρ 為流體的密度；v 為流體的運動黏度；d 為傳輸管道的內(nèi)徑；Q 為傳輸管路中各點的流量；β'為傳輸管道綜合彈性模量；t 為流體運動的時間。

但在綜采工作面實際液壓系統(tǒng)傳輸中，長距離供液管路的長度一般在幾百米至幾千米，式（1）表達的參數(shù)模型不能真實的將實際供液管路的特性全部表達出來，其真實模型可以等效于由多個集中參數(shù)模型串聯(lián)組合而成，可以用式（2） 表達：

式中：P0…Pn為各段集中參數(shù)數(shù)學模型中傳輸管路進出口的液體壓力；Q0…Qn為各段集中參數(shù)數(shù)學模型中傳輸管路進出口的液體流量；Δl1…Δln為各段集中參數(shù)數(shù)學模型中傳輸管路的長度。

各段管路接頭可分為擴大接頭和縮小接頭2種，在各接頭處造成的壓力損失為局部損失，管路接頭處壓力和流量可以使用式（3） 表達：

式中：ξ 為管接頭處局部阻力系數(shù)；Cq為管路流量系數(shù)；v 為管路中流體平均流動速度。

結(jié)合122108 工作面實際生產(chǎn)情況，仿真分析時分別選取的管路內(nèi)徑為51、64、80、108、133、159、178 mm，管路長度由100 m 逐漸增加至6 000 m，組建多組管路模型進行仿真對比分析，各管徑對應(yīng)的管路接頭處的基本參數(shù)都按照標準參數(shù)設(shè)置。選取的乳化液動力黏度為6 cP，密度為990 kg/m3，設(shè)定仿真模擬時間為100 s。

2.3 仿真結(jié)果分析

選取管徑為108 mm，泵站流量分別為600 L/min 和1 200 L/min 的供液系統(tǒng)模型進行模擬，結(jié)果如圖3所示。由圖3分析可知，供液管路越長，壓力損失越大，管路長度與壓力損失大小呈線性變化關(guān)系，且流量越大，壓力損失越大。

圖3 供液管路長度與壓力損失變化關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between length of liquid supply pipeline and pressure loss

在流量為600 L/min 的情況下，對不同供液管路長度和直徑變化與壓力變化之間關(guān)系進行模擬分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4分析可知，在泵站流量和供液管路長度不變的情況下，供液管路直徑越大，供液壓力損失越小，當管徑增大到一定值后，供液壓力損失降低幅度逐漸變小，最后接近于0。同時分析可知，在管徑和流量不變的情況下，供液距離越遠，壓力損失越大。

圖4 供液管路直徑與壓力損失變化關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between pipe diameter and pressure loss

3 供液系統(tǒng)設(shè)計

3.1 供液方案設(shè)計

王莊煤礦122108 綜放工作面安裝了4 臺乳化液泵站，供液系統(tǒng)設(shè)置在主運順槽三聯(lián)巷處。泵站單臺泵的額定流量630 L/min 以上，額定壓力為37.5 MPa（供液時管路末端壓力要求不低于額定工作壓力的80%，即30 MPa），電機功率≥355 kW，乳化液箱有效容積≥14 000 L（2 箱），設(shè)計順槽內(nèi)鋪設(shè)主進液、主回液和清水噴霧管路共計3 趟，管路采用無縫鋼管。

3.2 管路選型及壓降計算

3.2.1 進液管路選型

根據(jù)GB/T17396-2009，鋼管的力學性能參數(shù)見表1。

表1 鋼管的力學性能Table 1 Mechanical properties of steel pipe

鋼管規(guī)格有88.9/108/133/159 等規(guī)格，進液管路采用不銹鋼合金復合管，此次選擇以主進液管的選型及壓降計算為例進行分析，鋼管承壓能力可用下式計算：

式中：P 為管路壓力，MPa；δ 為管壁厚度，mm；D 為管路外徑，mm；σ 為無縫鋼管抗拉強度，MPa，根據(jù)表1取980 MPa；S 為安全系數(shù)，取4。

若管徑為108 mm 管路能滿足使用要求，則再計算管徑為88.9 mm 管路是否能夠滿足使用要求；若管徑為108 mm 管路不能滿足使用要求，則再計算管徑為133 mm 管路是否能夠滿足使用要求。以此循環(huán)，直至計算出完全滿足要求的尺寸。

3.2.2 進液管路壓降計算

（1） 當進液用外徑為108 mm 鋼管時，計算管路的總壓降。

①沿程壓力損失計算。

流量 Q=1 240 L/min=0.0206 7 m3/s； 內(nèi)徑d=108-9 ×2=90 mm=0.09 m； 管路截面積S=πd2/4=0.006 36 m2；流速V1=Q/S=3.25 m/s；因為工作工況為泵水，常溫狀態(tài)（25 ℃） 下，黏度μ取值0.893×10-6m2/s，則Re=V1d/μ=3.25×0.09/（0.893×10-6） =3.27×105。

查表取無縫鋼管的絕對粗糙度λ=0.05 mm，根據(jù)λ/d=0.05/90=0.000 56 及Re=3.27×105，故可判斷管中流態(tài)為湍流。

根據(jù)Darcy-Weisbach 方程，將以上參數(shù)代入下列公式計算壓力損失：

式中：λ 為沿程摩阻系數(shù)；l 為管長，m；d 為管徑，m；V1為流速，m/s；g 為重力加速度，取值9.8。

1 m 水柱壓強為9.8 kPa，所以沿程壓力損失為718.6×9.8=7.04 MPa。

②局部壓力損失計算。

局部損失主要根據(jù)所用閘閥和彎頭數(shù)量計算局部損失。管路約需要30 個閘閥，6 個90°彎頭。計算公式如下：

式中：ζ 為閥門的阻力系數(shù)，取0.17；90°彎頭的阻力系數(shù)為0.75。則計算局部壓力損失為0.05 MPa。

③沿途壓力損失為7.04+0.05=7.09 MPa。

④泵站與工作面高度差30 m，工作面在高處，形成的壓降為0.3 MPa，工作面的最終壓力為37.5-7.09-0.3=30.11 MPa。

實際使用過程中泵站出口壓力一般設(shè)定在35 MPa 左右，則末端壓力實際為27.5 MPa 左右，通過計算可知直徑為108 mm 的鋼管不能滿足實際的使用要求。

（2） 同理計算當進液用外徑為133 mm 鋼管時，管路的總壓降。

計算得沿程壓力損失為2.70 MPa，局部壓力損失為0.02 MPa，沿途壓力損失為2.72 MPa，工作面的最終壓力為34.78 MPa。泵站出口壓力按實際35 MPa 計算，則末端壓力為32.28 MPa，滿足實際使用要求。

3.2.3 回液管路

按計算進液管路壓降的方法，計算回液管路中乳化液阻力（壓力損失）。

若回液管采用133 mm 無縫鋼管，形成的背壓（克服的沿途壓降） 2.1 MPa，能夠自回流，但影響到回液速度。

若采用管徑159 mm，壁厚9 mm，流量1 240 L/min，計算的結(jié)果為管路形成的阻力0.76 MPa，支架在高處30 m，抵消約0.3 MPa 的回液阻力，則最終回液管形成的回液阻力為0.76-0.3=0.46 MPa。

綜上，回液管選159 mm×9 mm 規(guī)格，正常運行時，支架內(nèi)的乳化液能夠自回流。

3.2.4 噴霧管路

按計算進液管路壓降的方法，計算噴霧管路的

壓力損失。

若采用管徑89 mm，壁厚7 mm，2 臺500 L/min同時供液，管內(nèi)形成的阻力消耗部分泵的功率，反應(yīng)到流量上是流量達不到最大值，實際最大流量約700 L/min，管路形成的壓降約5.6 MPa。

若采用管徑108 mm，壁厚8 mm 鋼管，2 臺500 L/min 同時供液，管內(nèi)形成的阻力消耗部分泵的功率，反應(yīng)到流量上是流量達不到最大值，實際最大流量約850 L/min，通過計算得出，噴霧管路內(nèi)形成的壓力損失為3 MPa，高度差增加的壓力損失為0.3 MPa，則最終噴霧管路的總壓力損失為3+0.3=3.3 MPa。

綜上，噴霧管路選用108 mm×8 mm 無縫鋼管。

3.2.5 最終選型

為能達到出口壓力，滿足供液需求，通過仿真數(shù)學模型及公式計算得出，王莊煤礦122108 綜放工作面供液系統(tǒng)主進液管選用內(nèi)襯不銹鋼合金復合管，材質(zhì)27SiMn，管徑133 mm，壁厚12 mm；主回液管路選用內(nèi)襯不銹鋼合金復合管27SiMn，管徑159 mm，壁厚9 mm；清水噴霧管路選用內(nèi)襯不銹鋼合金復合管27SiMn，管徑108 mm，壁厚8 mm。每趟供液管路長度為6 000 m，供液系統(tǒng)實際工作過程中，保證液壓支架系統(tǒng)末端壓力、工作面噴霧冷卻水壓力、流量符合規(guī)定要求。

4 應(yīng)用效果分析

超長距離供液系統(tǒng)在122108 工作面安裝投入使用后，通過現(xiàn)場跟蹤記錄，結(jié)果如下。

（1） 工作面現(xiàn)場實際使用開3 臺乳化泵，1 臺備用，泵站出口壓力設(shè)定為31.5 MPa，工作面不操作任何液壓系統(tǒng)情況下，遠距離供液管路末端靜態(tài)壓力為30 MPa，6 000 m 遠距離管路損失壓力約為1.5 MPa。

（2） 工作面現(xiàn)場實際使用開3 臺乳化泵，泵站出口壓力設(shè)定為35 MPa，工作面在正常生產(chǎn)組織下（1 人收護幫、2 人移架、3 人放煤活動尾梁、1 人調(diào)架推溜打護幫板、1 人拉后溜，工作面共計8 人同時操作液壓支架，工作面支架拉移、成組推溜每次行程865 m），遠距離供液管路末端壓力在31.5～33 MPa 浮動，壓力損失為2～3.5 MPa。工作面液壓支架狀態(tài)較好，無管路漏液、竄液等現(xiàn)象，未進行設(shè)備列車拉移工作，整個液壓系統(tǒng)壓力可滿足實際生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論

（1） 綜采工作面超長距離供液系統(tǒng)壓力損失主要是管道沿程壓力損失，供液距離越長，流量越大，沿程壓力損失越大；供液管路直徑越大，供液壓力損失越小，但當管徑達到一定值后，再增加管徑時對減小管路沿程壓力損失量影響甚微。采用超長距離供液時，需根據(jù)實際工況合理計算選擇供液管路直徑。

（2） 通過仿真數(shù)學模型及公式計算得出，王莊煤礦122108 綜放工作面供液系統(tǒng)主進液管選用內(nèi)襯不銹鋼合金復合管，材質(zhì)27SiMn，管徑133 mm，壁厚12 mm；主回液管路選用內(nèi)襯不銹鋼合金復合管27SiMn，管徑159 mm，壁厚9 mm，每趟供液管路長度為6 000 m。

（3） 工作面不操作任何液壓系統(tǒng)情況下，泵站出口壓力設(shè)定為31.5 MPa，6 000 m 遠距離管路損失壓力約為1.5 MPa；工作面支架拉移情況下，泵站出口壓力設(shè)定為35 MPa，壓力損失為2～3.5 MPa。工作面液壓支架狀態(tài)較好，無管路漏液、竄液等現(xiàn)象，整個液壓系統(tǒng)壓力可滿足實際生產(chǎn)需要。