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礦井乳化液地面集中供液系統及應用前景分析

一、概述?
乳化液壓系統以其安全性能好、傳輸功率大、傳輸距離遠、介質成本低、使用安全可靠等優點已被煤礦及各類非煤礦山普遍用作綜采支架和單體液壓支柱的液壓源，而且，隨著礦山其他新型液壓裝備（如液壓鑿巖臺車、液壓裝載機、液壓鉆機、液壓操車系統、巷道液壓支架等）的推廣應用，它將如供電系統、壓風系統一樣，成為礦井又一主要動力源，其應用前景十分廣闊。目前，大多數礦井仍然采用傳統的“一面一站”分散式供液方式，即在每個采面設置一個乳化泵站，每個站配置“兩泵一箱”，通過供回液管路連通工作面液壓支護設備，形成獨立的供液系統。實踐證明，這種供液方式存在使用設備多、設備運行環境差、設備耗電多、對泵站維護管理困難等弊端。為克服這些弊端，近幾年，國內部分設備廠家和煤礦探索采用地面集中供液技術，并研制出配套產品—“地面集中供液自動控制系統”，經現場使用，取得了很好的應用效果。目前，該項技術已在湖南、貴州各煤礦得到廣泛推廣應用，被使用單位譽為礦山最節能和最實用的新型技術。?

二、地面集中供液技術特點及優勢?
地面集中供液技術的顯著特點是“以地面泵站代替井下泵站”和“以一個泵站代替多個泵站”。乳化泵站設置在礦井井口工業廣場，泵站安裝2臺乳化泵（一用一備），配套安裝向井下供液的供回液管路，泵站通過供回液管路與井下各采煤工作面用液設備連通。乳化泵將乳化液加壓后通過供液管路送至井下各用液設備，低壓乳化液（回液）則通過輔助加壓裝置及回液管路回收至地面乳化泵站，形成閉式循環系統。泵站的自動配液系統根據井下用液損失量的多少，將乳化油與水按比例配制成乳化液，自動向供液系統補充乳化液。?
與分散式供液方式比較，地面集中供液方式主要具有以下顯著特點和優勢：?1．利用各工作面支護設備為間隙性用液特點和大系統供液的流量、壓力的均衡作用，全礦井僅需運行一臺乳化泵就能滿足各工作面用液，且乳化泵的單機容量與原分散式供液系統單機容量基本相等，這樣就大大地減少了全礦井乳化泵安裝臺數和運行臺數（一般情況下可減至原來的50%以下），節約了設備初期投資，降低了運行成本。?
2．泵站采用了變頻和自動控制技術，實現了“按需供液”和“恒壓供液”，消除了乳化泵的空載和半空載運行狀態，乳化泵一般以0～10HZ的極低轉速運行就能滿足供液要求，其機械、電氣沖擊和機械磨損大大減少，故障率降低，其使用壽命提高6～10倍，系統的綜合節電率達到80%以上。?
3．實現了自動配液，提高了乳化液質量。自動配液系統可根據所需要的濃度和用液量進行自動配液，克服了人工手動配液存在的濃度控制不準確、不均勻和產生油水浪費現象。同時，在地面進行集中配液，其水質可得到保證，這對保護支護設備和供液設備本身十分有利，設備的大修理周期和使用壽命可延長1～3倍。?
4．乳化泵站安裝在地面，采用一般型設備就能滿足要求，降低了設備初期投入成本。同時，地面泵站的安裝和維護保養十分方便，設備運行環境好，提高了設備運行可靠性，降低了設備安裝和運行管理成本。?
5．實現了乳化泵全自動控制，不需要設專人職守，減少了礦井輔助用工，降低了人員和設備安全事故發生幾率。?
6.為礦井高效生產創造了條件。主要體現在以下方面：?
（1）集中供液利用“大系統”供液的均衡作用，并通過采取對供液系統壓力進行閉環控制和加裝蓄能裝置等措施，保證了供液壓力恒定，使支護設備初撐力穩定，有利于工作面頂板管理。?
（2）礦井需要增加或改變用液地點時，只需將供液管連通即可，避免了供液系統的拆裝和搬運，簡化了工作流程，節省了人力物力，提高了工作效率。?
（3）避免了乳化泵站運行時產生的油污、熱量、噪音和廢氣對井下環境的影響，改善了礦井文明生產條件。?
7．乳化泵站自動化控制系統可納入礦井集中控制中心進行集中監控，為提高礦井自動化水平創造了條件。?
三、節電原理及效果分析?
采用集中供液能夠獲得顯著的節能效果，主要在于兩個方面：一是乳化泵運行臺數和容量僅為原分散式供液方式的幾分之一，故其用電量也降為原來的幾分之一；二是加裝變頻自動控制后，消除了乳化泵空載或半空載運行，提高了乳化泵的運行效率，與工頻運行比較，再節電70%。下面通過一實例計算來說明其節電原理：?
某煤礦為年產60萬噸的礦井，正常有2個綜采工作面生產，原采用分散式供液系統，在井下設置了兩個乳化供液泵站，每個泵站安裝BRW200/31.5型乳化泵2臺（一用一備），單臺電機功率為125KW。2012年，該礦將井下供液系統升級改造為地面集中供液系統。改造后，地面泵站安裝BRW200/31.5型乳化泵2臺（一用一備）。項目共投入改造資金180萬元。節電情況分析如下：?
1．原有2個分散式供液系統的用電量情況?
????根據煤礦作業的特點，綜采工作面乳化泵每小班運行時間一般為7小時,其中乳化泵的實際滿負荷運行時間不到1小時,空載運行時間達6個多小時。用電量計算如下：?
（1）乳化泵空載運行時的用電量可按下式進行計算：?W1=kn1tN1T(kwh)?
式中:W1-乳化泵空載運行時消耗的電量kwh；?
?????k-乳化泵空載運行時的負荷率，根據實際測定為k=0.6；??????n1-每天作業小班數，n1=3；?
?????t-乳化泵每小班空運行時間，t=7-1=6h；?
?????N1-分散式供液方式運行乳化泵電機額定總功率，N1=250kw；??????T-乳化泵年工作天數，T=330；?
將以上數據代入上式得空載用電量:?W1=0.6×3×6×330×250=891000（kwh）?
（2）乳化泵滿負荷運行時的用電量按下式進行計算：?W2=K1n1t1TN1?(kwh)?
式中:?W2-乳化泵滿載運行時消耗的電量kwh；?
K1-電機滿載運行負荷率，取K1=0.85；??????t1-乳化泵工作運行時間t1=1h；?
其他符號同前。?將數據代入得:W2=0.85×3×1×330×250=210375（kwh）?（3）年總用電量?
W=W1+W2=891000+?210375=1101375（kwh）?2.采用集中供液方式后的用電情況?
???采用集中供液方式后，全礦井僅運行1臺乳化泵，其功率為125KW。由于實現了“按需供液”，?乳化泵在井下不用液時不會運轉,即無空和半空載運行損耗。根據實際測試，乳化泵運行的平均負荷率為0.2以下（這里取0.2）。其年用電量按下式計算：?
W3=k2n1t2TN2(kw)?
式中:W3-采用集中供液后，乳化泵年消耗電能kwh；???K2－乳化泵的平均負荷率，經測定為0.2以下；?
t2-乳化泵每小班運行時間，t=7h；?N2-集中供液運行乳化泵功率，N2=125kw；????其他符號同前。?
將以上數據代入得:?
W3=0.2×3×7×330×125=173250（kwh）?3．年節約電量及節電率?年節電量為：?
ΔW=W-W3=1101375-173250=928125（kwh）?節電率為：?
ξ＝ΔW/?W＝928125/1101375＝84.3%?四、應用現狀?
2002年，湖南省白沙礦務局機電技術人員為解決井下分散式供液存在的弊端，在進行了大量探索和研究基礎上，首次提出將井下分散式供液系統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。該系統經過逐步完善和改進，達到了比較理想的應用效果。此項技術得到了國家和湖南省煤炭行業相關領導的肯定和重視，并于2003年獲得了國家技術應用專利證書。十多年來，該項技術在湖南、貴州等省各煤礦得到了逐步推廣應用。由于初期開發的技術和產品未能解決乳化液的回收循環使用、超高壓乳化液遠距離輸送和乳化液自動配液等問題，故僅用于對單體液壓支柱工作面供液，其應用范圍受到了限制。隨著煤礦采掘機械化的發展，目前，大多數煤礦特別是大中型煤礦以綜采工藝為主，因此，研究解決適用于綜采或綜普采混合型礦井的集中供液系統（下簡稱“綜合集中供液系統”）是重點和發展方向。2009年以來，湖南星奧信息技術有限公司與湘煤集團進行技術合作，對煤礦集中供液存在的技術難題進行了攻關，取得了重點突破，成功解決了低壓乳化液回收利用、高壓乳化液遠距離輸送和乳化液自動配液等難題，并率先在貴州的義忠、神仙坡、晉家沖等煤礦建成了地面綜合集中供液系統，取得了很好的應用效果，為在煤礦全面推廣應用該項技術提供了經驗。目前，該項技術已在貴州省各煤礦得到迅速推廣使用。?
隨著這項技術的成熟和在煤礦推廣應用的范圍擴大，部分非煤礦山借鑒煤礦經驗，探索該項技術在非煤礦山的應用途徑。湖北省恩施州的磺廠坪礦業公司率先引進該項技術，在該公司所屬磺廠坪硫鐵礦建立地面集中供液系統。該礦為中型礦井，最多時達10個工作面同時生產，若采用分散式供液方式，則需在井下建10個乳化泵站同時供液，運行設備容量達370Kw。實現地面集中供液后，由1個泵站供液，僅運行一臺乳化泵，電機功率為55Kw，每年節電達97萬Kwh。由此可見，該項技術在非煤礦山同樣獲得十分顯著的應用效果。?五、必須糾正幾個認識上的誤區或偏差?
在推廣應用該項技術的過程中，往往存在著以下認識上的誤區或偏差，筆者在此進行分析和說明：?

問題一：對于老礦井而言，其開采范圍大，供液距離遠，需鋪設的管路長，則一次性投入成本會過高，且日后管路維護量大。?
分析和說明：目前，大多數老礦井開采半徑達到數千米，深度達數百米甚至超過1千米，供液管路的鋪設長度固然較長，但這一因素并不對實現集中供液帶來大的影響。因為工作面支護設備為間隙性用液，用液量并不多，而液壓管路中供液壓力至少在10兆帕以上，因而供液管路采用小管徑鋼管就能滿足使用要求。一般情況下，一個年產200萬噸級的礦井，所先主管路管徑（外徑）不會超過60mm。另外，供液管路采用礦用K型快速接頭連接，其拆、裝、運均十分方便，連接十分可靠，基本不發生漏液現象。經理論計算和現場使用情況統計，供液管路使用壽命至少在20年以上，安裝每米管路的總價不超過50元，整個管路系統投入在50萬元左右，管路基本上免維護，與采用分散式供液比較，是一個真正意義上的“一勞永逸”項目。?

問題二：在進行遠距離供液時，乳化液壓降一定很大，將使支架的初撐力下降。?
分析和說明：工作面支護作業時均為間隙性用液，其用液量并不大，在流過管路流量不大的情況下，則管路損失也就不大，相對于所輸送的高壓乳化液壓力來說，其損失基本可以忽略。同時，根據連通器原理，在支架活柱伸出，其頂端接觸到頂板巖石后，供液系統流量即等于零，其供液系統壓力立即回升到設定壓力，因此，不存在管路壓力降的問題。事實上，乳化供液系統中供液管徑選擇的大小僅影響支架活柱的升降速度，而與供液距離的遠近和壓力損失無關。實際中，供液管路長度一般可達10Km以上。?

問題三：在供液距離遠，泵站與工作面綜采支架高差大的情況下，不能實現回液，且在回液時使綜采支架動作受干擾。?
分析和說明：對綜采工作面，主要采用鋪設回液管路的方式進行回液（單體液壓支柱支護時不進行回液）。當礦井垂直深度超過200m時，如果單獨采用回液管自然回液的方式，將造成回液管路中背壓過大而影響支架的動作，必須在回液管路中加裝“回液加壓裝置”，將回液通過加壓裝置排至地面泵站乳化箱，消除了回液管中的背壓，不會影響支架各部分動作。?

問題四：在既有綜采又有普采的礦井中，各工作面所需壓力是不同的，集中供液將不能兼顧各工作面壓力。?
分析和說明：集中供液時，泵站的出口壓力是按滿足井下所需最高壓力用液點條件設定的，當某一用液點需要較低的壓力時，則在相應供液各支管上安裝壓力調節裝置，將支管壓力調節為該用液點所需壓力，保證各用液點的壓力均滿足使用要求。?六、應用前景分析?
該項技術具有以下推廣應用條件：一是具有極其廣闊的適用范圍。該項技術不僅適用于煤礦，也適用于各種非煤礦山，不僅適用于采用普采工藝的礦井，也適用于綜采和綜普采混合型礦井。據統計，全國井工礦井有幾萬多個，為其提供了極其廣闊的應用天地。?
二是其突出的實用效果決定其具有很高的推廣價值，將受到廣大礦山企業的青睞。采用該項技術，單個礦井年節電量達幾十至幾千萬Kwh，年節約設備的購置和運行費達數萬至數百萬元，將成為礦山最有效的節能降耗項目。?
三是項目符合國家節能減排大環境。國家節能減排“十二五”規劃是要求礦山企業在2011年～2015年內實現比2010年能耗下降21%，并要求“對電機系統實施變頻調速、永磁調速、無功補償等節能改造，優化系統運行和控制，提高系統整體運行效率”。實現礦井集中供液是落實國家節能減排政策和要求的具體體現。目前，該項技術已得到國家煤炭協會節能辦的關切和重視，將重點推介為煤礦節能新型技術。?
四是順應了礦山機械化、液壓化的發展方向。目前，液壓系統正大量應用于礦山，除常用的綜采液壓支架（含滑移支架）、單體液壓支柱外，液壓鑿巖臺車、液壓裝載機、液壓鉆機、液壓操車系統、巷道液壓支架、液壓自動風門、液壓安全擋等也在礦山得到逐步推廣應用。乳化液壓系統不僅具有油壓系統所有的全部優點外，而且克服了介質成本高，因容易泄漏而造成維護量大、維護成本高的缺陷，因此它更加適合礦山井下特殊的使用環境，已形成以乳化液壓系統取代油壓系統的趨勢。另外，建立地面集中供液系統，可實現“按需供液”，在不增加乳化泵空載電耗的情況下，可保證供液系統24小時連續供液，為那些需隨時用液設備（如液壓自動風門、液壓安全擋等）的推廣應用創造了條件。該項技術的應用加快了礦山機械液壓化的推進速度。?
五是為礦井乳化供液系統納入礦井自動化集中監控創造條件。目前，礦山自動化發展趨勢是實現全礦井設備的集中監控，而實現這一目標的前提是各單臺設備（或單一系統）必須實現自動控制。礦井集中供液系統實現了泵站全自動化控制，為納入礦井自動化集中監控創造了必要條件。?

通過以上分析，地面集中供液技術具有很好的推廣應用條件和發展前景，可以預見，它將迅速被廣大礦山企業推廣應用，成為礦山供液技術的發展主流。