煤矿智能化综采工作面乳化液远距离供液的设计与应用

煤矿智能化综采工作面乳化液远距离供液的设计与应用

田忠明

山西焦煤华晋焦煤吉宁煤业有限责任公司 山西临汾 042100

摘要：随着井下工作面机械化程度的提高，特别是支架电液控制系统的普及应用，对供液系统要求更加严格，一是配液用水要求高，倘若缺少水处理环节，直接将矿井原水直接用于供液系统，很容易在支架控制阀组内部结垢，堵塞和腐蚀阀芯，缩短支架寿命，增加液压系统故障率。二是乳化液配比浓度精度高，浓度过低乳化液的润滑性能和防锈性能降低，支架油缸、液压阀组等容易锈蚀，造成设备故障或缩短设备使用寿命；浓度过高乳化液的起泡性和对橡胶密封材料的溶胀性会增加，密封元件容易损坏，同时会造成大量乳化油的浪费。三是井下远距离供液能力高，地面配置好的乳化液经供液管路输送到井下后，怎么实现一个加压供液中心带多个工作面，这需要大量的计算和验证。本文为解决智能化综采工作面乳化液远距离供液存在的三个问题进行阐述，有效保障综采工作面生产能力提供了思路和依据。

1.   集中供液站原水处理解决办法

1.1  原水处理研究背景

按照煤矿标准要求，配制乳化液的用水应无色、透明、无臭味，不能含有机械杂质和悬浮物，pH值在6~9范围内，氯离子的含量不大于200mg/L，硫酸根离子的含量不大于400mg/L，水的硬度不应过高，避免降低或丧失乳化液的乳化能力。但是，根据我国煤矿矿井水的监测资料显示，我国煤矿约有40%的矿井水的总含盐量（TDS值）大于1000mg/L，属于高矿化度矿井水（苦咸水），一般总含盐量都1000~4000mg/L，少数达到4000mg/L以上。

华晋焦煤吉宁矿，原水为生活用水，水中COD、BOD、硬度、矿化度都较低。具体水质见下表：                                            

原水尚未处理，配置好的乳化液很容易在支架控制阀组内部结垢，堵塞和腐蚀阀芯，缩短支架寿命，增加液压系统故障率。

1.2   原水处理解决方案

1.2.1  解决思路

针对现有的原水供水水质，同时考虑到节能节水措施，采用单级RO+浓水RO模式，两级浓缩RO的产水全部作为配液用水。乳化液配比系统采用两路自动配液方式，油箱储量保证一天以上用量，2台20立方恒温式乳化液储存箱，保证乳化液混合均匀质量稳定，不会被乳化或产生悬凝，自动计量乳化液的下井量。

1.2.2  原水处理系统组成

净化水系统主要由原水收集、智能加热系统(E-HF)、智能两级浓缩反渗透处理系统（E-WRO）及产品水储存等部分组成，纯净水处理系统为2*20T/H两级RO浓缩模式，整个处理系统采用PLC+触摸屏（工控机）+远程网络监控，整套设备运行工况直接通过网络传输到集中控制中心。同时现场设就地手动控制系统。

1.2.3 工艺流程简述

根据吉宁矿原水情况及用水要求，纯净水工艺如下：

取水泵→原水箱→原水泵→精密过滤器→智能RO系统（含浓水再处理系统）→智能纯净水箱→纯水泵→乳化液智能配比系统→乳化液智能储存→井下供液（自流方式）

（1）取水：从现有的生活水站取水至原水箱，设置2台取水泵和2台原水泵，1台20立方的原水箱，原水箱设置液位及水质传感器，信号远传至就地控制柜。原水经过精密过滤处理后的，完全满足RO的进水要求。原水需加阻垢剂，加药泵自动添加。

（2）反渗透：反渗透是一种膜分离技术，当系统中所加的压力大于进水溶液渗透压时，水分子不断地透过膜，经过产水流道流入中心管，大颗粒的杂质等被截留在膜的进水侧从而达到分离净化目的。系统采用2套单机RO+浓水回收RO配置，一用一备，单套反渗透系统产水量为20m3/ｈ，单级RO排出的浓水直接进入浓水RO，浓水RO排出的浓水至污水处理厂处理。单级RO反渗透膜组件都分两段排列，即源水进入单级反渗透装置的第一段，其浓水进入第二段。第二段产生的浓水为浓水RO系统的入水，浓水RO为一段式。浓水回收RO系统排放进入下水道，单级RO和浓水RO的产水进入纯净水箱。

（3）浓水回收处理系统：单级反渗透系统的水利用率一般在60%左右，系统所排放的废水量较大，这对缺水地区来说水资源很浪费。利用浓水RO处理系统，将前级RO浓水回流再次进行回收处理，产水也作为纯净水。浓水回用RO系统设计安全性高，一级RO浓水回用率可达60%以上。

（4）智能水箱：总共4台智能水箱，分别为原水箱、纯净水箱、乳化液箱（2台），水箱的容积均为20立方，原水箱和纯净水想采用PE材质。乳化液储存箱采用SS304不锈钢焊接加固而成，水箱外表面做保温处理，设有温度、液位、水质、PH值等监测仪表，通过数据反馈给控制中心，实现水箱内水的温度、液位、水质、PH值等的控制，从而实现智能化。

1.3原水处理成效

原水利用率85%以上，采用单级RO+浓水RO模式，两级浓缩RO的产水全部作为配液用水。    乳化液配比系统采用两路自动配液方式，油箱储量保证一天以上用量，2台20立方恒温式乳化液储存箱，保证乳化液混合均匀质量稳定，不会被乳化或产生悬凝，自动计量乳化液的下井量。

2.   集中供液站智能配液解决办法

2.1  智能配液研究背景 

乳化液是我国煤矿液压支架主要的工作介质，乳化液的供液浓度和洁净度是判定乳化液供液质量是否合格的最重要的指标。按照煤矿安全规程要求，乳化液的供液浓度应达到3%～5%，浓度过低乳化液的润滑性能和防锈性能降低，支架油缸、液压阀组等容易锈蚀，造成设备故障或缩短设备使用寿命；浓度过高乳化液的起泡性和对橡胶密封材料的溶胀性会增加，密封元件容易损坏，同时会造成大量乳化油的浪费。

吉宁矿使用的智能矿用乳化液自动配比电控装置，是一套新型的集控式矿用乳化液自动配比装置。可以实现乳化液的浓度实时在线监测、自动控制配液和调节配液浓度、自动补液，对关键参数的实时监测和数据显示，以及对配液流程的动态模拟显示。

2.2   智能配液解决方案

2.2.1  解决思路

智能配液应具备以下功能乳化液配比浓度实时在线监测；乳化液箱液位连续监测；乳化液配比自动控制，开关触点输出，控制外围设备。

2.2.2  智能配液系统组成

矿用乳化液自动配比装置主要由：1）电控装置主机；2）GND10浓度传感器；3）GUY1液位传感器；4）FHD2/6.4X本安型电动先导阀；5）比例调节型混液器组件；6）ZPR-T矿用本安型流量调节器；7）KDW660/12B矿用隔爆兼本安型直流稳压电源等部分组成。

矿用乳化液自动配比装置配液时，装置主机打开清水增压泵、水电动阀，控制清水注入混液器组件，水流驱动混液器组件将入的油与水混合乳化后输出到乳化液箱中。浓度传感器检测混液出口乳化液的浓度，主机根据浓度反馈信号通过一定的PID算法控制电控节流器调整混液比例，精确控制配比浓度在设定范围内。当液箱中乳化液的液位高于设定值上限时，自动关闭电动先导阀，停止配液；当液箱中乳化液的液位低于设定值下限时，自动开启电动先导阀，补充配液，使液箱中的乳化液始终保持一定液位。

为防止净水箱水位低时造成P1、P2增压泵吸空损坏，自动配比装置电控系统提供2路先导控制信号（无源继电器触点输出）给集成方电控系统，需要开泵、停泵时自动配比装置电控系统发出控制信号，集成方电控系统控制增压泵P1、P2运行和停止，并根据净水箱水位情况对增压泵P1、P2进行吸空保护。

2.3  智能配液成效

该系统的应用可以提高乳化液的配液效率，改善乳化液的供液质量，保障工作面的支护装备良好运转，对工作面的安全高效生产有重要实际意义。

3.   供液管路安装方法

3.1  供液管路安装路线

供液管路由吉宁矿地面乳化液集中供液站→行人斜井→行人斜井（急救站拐弯）→行人斜井（材料库）→行人斜井与1#轨道大巷交汇处→1#轨道大巷与3#横贯交汇处→3#横贯→1#胶带大巷（拐弯）→1#胶带大巷→1#胶带大巷延伸与二盘区行人斜巷交汇处→二盘区行人斜巷（上坡）→集中胶带大巷机头（拐弯）→集中胶带大巷机尾。

3.2  供液管路所需材料及安装方法

管路规格型号： DN100×4 PN4.0MPa及 DN50×3.5 PN4.0MPa两种。

管路连接方式：采用法兰连接。

其他材料：弯头、闸阀、截止阀、三通、异径三通、减压阀、金属补偿器轴向型波纹补偿管、垫木、U型卡、S型钩。

安装方式：采用锚杆沿巷道顶板吊挂，间距8m。

防腐处理：镀锌钢管，不需做防腐；托架、管卡等连接件做防腐。

接地处理：管路入井需加设一组绝缘节，并装设两处良好接地。

管路试验：所有管路完成安装并进行工作压力1.5倍压力试验。

4.  井下远距离供液计算方法

4.1 工作面概况

2111综采工作面切眼长度202 m，切眼宽度9.2米，切眼平均坡度6º，最大坡度15º，2111副巷长度964m，巷道高4.2米，宽5.8米，2111正巷长度1018m，巷道高4.2米，宽5.8米。

乳化液泵安装在设备列车上，使用BRW500/40型乳化液泵3台，额定流量500L/min，额定压力40Mpa，配套RX500/50B乳化液主箱、FX500/50B乳化液辅箱各1台，容积5000L。进、回液管使用DN50高压胶管。

4.2  远距离供液方案

结合矿井巷道情况及供液距离，在2111正巷施工（2111副巷向外50米）硐室用于安装供液站设备，为2111综采工作面远距离供液，供液距离为1000米，使用现有BRW500/40型乳化液泵3台，进、回液管使用DN50高压胶管。

4.2  供液管路压力损失计算

（1）泵站流量计算

①升架所需的流量Q升架

Q升架=¼πD12LZ=0.785×49×49×20×2/1000=75.3升

式中: D1—立柱缸径 49cm L—立柱行程 20cm

Z—立柱数量2个

②降架所需的流量Q降架

Q降架=¼π(D12- d1 2)L1Z=0.785(49 2-42 2)×20×2/1000=20 升

式中: d1—柱径 42cm

③拉架所需的流量Q移架

Q移架=¼πD22L2=0.785×24.5 2×96/1000=45.2升

式中: D2—移架千斤顶的柱径 24.5cm

④护帮板千斤顶伸出需要的流量 Q 护伸

Q 护伸=¼πD2 2 L2=0.785×14.6 2×56/1000=9升

式中: D2—护帮板千斤顶的缸径 14.6cm

L2—一级护帮板千斤顶的行程 56cm

Q 护伸=¼πD2 2 L2=0.785×12.1 2×30.5/1000=3.7升

式中: D2—二级护帮板千斤顶的缸径 12.1cm

L2—二级护帮板千斤顶的行程 30.5cm

⑤护帮板千斤顶缩回需要的流量Q护缩

Q 护缩=¼π(D2 2- d2 2)L2=0.785×(14.6 2-12.5 2)×56/1000=2.5 升

式中: d2—一级护帮板千斤顶的柱径 12.5cm

Q 护缩=¼π(D2 2- d2 2)L2=0.785×(12.12-10 2)×30.5/1000=1.1 升

式中: d2—二级护帮板千斤顶的柱径 10cm

⑥伸缩梁千斤顶伸出需要的流量 Q 伸缩梁伸

Q 伸缩梁伸=¼πD2 2 L2=0.785×12.12×90×2/1000=20.68升

式中: D2—伸缩梁千斤顶的缸径12.1cm

L2—伸缩梁千斤顶的行程 90cm

⑦伸缩梁千斤顶缩回需要的流量 Q 伸缩梁缩

Q 伸缩梁缩=¼π(D22- d22)L2=0.785×(12.12-102)×90×2/1000=6.5升

式中: d2—伸缩梁千斤顶的柱径10cm

⑧侧推千斤顶伸出需要的流量 Q 侧推伸

Q 侧推伸=¼πD2 2 L2=0.785×12.7 2×21×4/1000=10.1升

式中: D2—伸缩梁千斤顶的缸径12.7cm

L2—伸缩梁千斤顶的行程 21cm

⑨侧推千斤顶缩回需要的流量 Q 侧推缩

Q 侧推缩=¼π(D2 2- d2 2)L2=0.785×(12.72-102)×21×4/1000=4升

式中: d2—侧推千斤顶的柱径10cm

⑩抬底千斤顶伸出需要的流量Q抬底伸

Q抬底伸=¼πD2 2 L2=0.785×19.42×29/1000=8.56升

式中: D2—伸缩梁千斤顶的缸径19.4cm

L2—伸缩梁千斤顶的行程29cm

支架动作所需的流量:

Q总=75.3+20+45.2+9+3.7+2.5+1.1+20.68+6.5+10.1+4+8.56

=206.64L

由于支架间距为 1.75m，采煤机实际工作中最大牵引速度 3m/min计算，可知采煤机走过一分钟需要动作支架为1.7架，此处按动作2架计算，一个支架的毛动作时间为30S，泵站最少需要流量为：Q泵=206.64÷30×60=413.28L/min。

考虑到有成组动作及跟机移架相重叠的动作用液情况，支架瞬间用液量系数取1.5 倍，需配备乳化液泵站的总供液量为：

413.28×1.5=619.9L/min

通过计算，所选泵站单台额定流量为 500L/min，两台泵同时运行即可满足工作面最大用液需求。

（2）供液管路的压力损失计算如下：

△P=入(l/d)·（p·v2/2)

式中，入为沿程阻力系数，是雷诺数Re和相对粗糙度A/d的函数，l为进液管路的长度;d为供液管内径;p为流体密度; v为管内平均流速

已知:1=1800m，d=50mm，p=990kg/m³

BRW500/40型乳化液泵的公称流量为 500L/min,两台乳化液泵工作，由一路 DN50高压胶管为工作面供液:

则 v=q/兀r²=500×10-3/3.14 ×(0.025)²=4.246m/s。

对于供液管流动，Re=vd/r。式中，r为流体的运动粘度(取

6mm/s)Re=vd/r=4.246×0.05/6 ×10-6=35383.3>Rec(2000-4000 范围内)

入为沿程阻力系数，是雷诺数 Re 和相对粗糙度 △/d 的函数。用勃拉休斯经验公式计算。

即 入=0.3164Re-0.25=0.023

则: △P=入(l/d)·（p·v2/2)=(0.023×1800/0.05)×(990×4.2462/2)=7.39Mpa

P=Pe-△P=(40-7.39) Mpa=32.61Mpa

压降在允许范围内，能够满足工作面液压支架达到初撑力的要求。

（3）喷雾系统选型

2111综采工作面拟选用BPW516/16型喷雾泵，额定流量为516L/min，额定压力16MPa，液压支架、采煤机的喷雾及冷却水所需压力一般小于5MPa，参照乳化液泵管路压力损失，能够满足供液的压力与流量要求。

5.  总结

集中供液站的成功应用，不仅可以大幅提升智能化综采工作面支架寿命使用寿命，减少液压系统故障率，提升支架自动跟机率。还可以通过乳化液自动配比装置进行浓度调节，避免人工误操作和减少人力。同时，设备列车数量减少，大幅降低设备列车前移难度、作业人员使用量。通过建立远程控制系统可以实现在调度指挥中心完成远程配液操作，提升矿井自动化、智能化水平。本文还结合了吉宁矿生产实际，设计出了远距离供液的方案，通过标准、精细的计算步骤，校验远距离供液的可行性，为其他煤矿开展远距离供液建设提供了帮助和依据。