矿井乳化液地面集中供液管路及应用前景分析

一、概述

       乳化液压系统以其安全性能好、传输功率大、传输距离远、介质成本低、使用安全可靠等优点已被煤矿及各类非煤矿山普遍用作综采支架和单体液压支柱的液压源，而且，随着矿山其他新型液压装备（如液压凿岩台车、液压装载机、液压钻机、液压操车系统、巷道液压支架等）的推广应用，它将如供电系统、压风系统一样，成为矿井又一主要动力源，其应用前景十分广阔。目前，大多数矿井仍然采用传统的“一面一站”分散式供液方式，即在每个采面设置一个乳化泵站，每个站配置“两泵一箱”，通过供回液管路连通工作面液压支护设备，形成独立的供液系统。实践证明，这种供液方式存在使用设备多、设备运行环境差、设备耗电多、对泵站维护管理困难等弊端。为克服这些弊端，近几年，国内部分设备厂家和煤矿探索采用地面集中供液技术，并研制出配套产品—“地面集中供液自动控制系统”，经现场使用，取得了很好的应用效果。目前，该项技术已在湖南、贵州各煤矿得到广泛推广应用，被使用单位誉为矿山节能和实用的新型技术。

二、地面集中供液技术特点及优势

       地面集中供液技术的显著特点是“以地面泵站代替井下泵站”和“以一个泵站代替多个泵站”。乳化泵站设置在矿井井口工业广场，泵站安装2台乳化泵（一用一备），配套安装向井下供液的供回液管路，泵站通过供回液管路与井下各采煤工作面用液设备连通。乳化泵将乳化液加压后通过供液管路送至井下各用液设备，低压乳化液（回液）则通过辅助加压装置及回液管路回收至地面乳化泵站，形成闭式循环系统。泵站的自动配液系统根据井下用液损失量的多少，将乳化油与水按比例配制成乳化液，自动向供液系统补充乳化液。

与分散式供液方式比较，地面集中供液方式主要具有以下显著特点和优势：1．利用各工作面支护设备为间隙性用液特点和大系统供液的流量、压力的均衡作用，全矿井仅需运行一台乳化泵就能满足各工作面用液，且乳化泵的单机容量与原分散式供液系统单机容量基本相等，这样就大大地减少了全矿井乳化泵安装台数和运行台数（一般情况下可减至原来的50%以下），节约了设备初期投资，降低了运行成本。

2．泵站采用了变频和自动控制技术，实现了“按需供液”和“恒压供液”，消除了乳化泵的空载和半空载运行状态，乳化泵一般以0～10HZ的极低转速运行就能满足供液要求，其机械、电气冲击和机械磨损大大减少，故障率降低，其使用寿命提高6～10倍，系统的综合节电率达到80%以上。

3．实现了自动配液，提高了乳化液质量。自动配液系统可根据所需要的浓度和用液量进行自动配液，克服了人工手动配液存在的浓度控制不准确、不均匀和产生油水浪费现象。同时，在地面进行集中配液，其水质可得到保证，这对保护支护设备和供液设备本身十分有利，设备的大修理周期和使用寿命可延长1～3倍。

4．乳化泵站安装在地面，采用一般型设备就能满足要求，降低了设备初期投入成本。同时，地面泵站的安装和维护保养十分方便，设备运行环境好，提高了设备运行可靠性，降低了设备安装和运行管理成本。

5．实现了乳化泵全自动控制，不需要设专人职守，减少了矿井辅助用工，降低了人员和设备安全事故发生几率。

6.为矿井高效生产创造了条件。主要体现在以下方面：

（1）集中供液利用“大系统”供液的均衡作用，并通过采取对供液系统压力进行闭环控制和加装蓄能装置等措施，保证了供液压力恒定，使支护设备初撑力稳定，有利于工作面顶板管理。

（2）矿井需要增加或改变用液地点时，只需将供液管连通即可，避免了供液系统的拆装和搬运，简化了工作流程，节省了人力物力，提高了工作效率。

（3）避免了乳化泵站运行时产生的油污、热量、噪音和废气对井下环境的影响，改善了矿井文明生产条件。

7．乳化泵站自动化控制系统可纳入矿井集中控制中心进行集中监控，为提高矿井自动化水平创造了条件。

三、节电原理及效果分析

       采用集中供液能够获得显著的节能效果，主要在于两个方面：一是乳化泵运行台数和容量仅为原分散式供液方式的几分之一，故其用电量也降为原来的几分之一；二是加装变频自动控制后，消除了乳化泵空载或半空载运行，提高了乳化泵的运行效率，与工频运行比较，再节电70%。下面通过一实例计算来说明其节电原理：

某煤矿为年产60万吨的矿井，正常有2个综采工作面生产，原采用分散式供液系统，在井下设置了两个乳化供液泵站，每个泵站安装BRW200/31.5型乳化泵2台（一用一备），单台电机功率为125KW。2012年，该矿将井下供液系统升级改造为地面集中供液系统。改造后，地面泵站安装BRW200/31.5型乳化泵2台（一用一备）。项目共投入改造资金180万元。节电情况分析如下：

1．原有2个分散式供液系统的用电量情况

根据煤矿作业的特点，综采工作面乳化泵每小班运行时间一般为7小时,其中乳化泵的实际满负荷运行时间不到1小时,空载运行时间达6个多小时。用电量计算如下：

（1）乳化泵空载运行时的用电量可按下式进行计算：W1=kn1tN1T(kwh)

式中:W1-乳化泵空载运行时消耗的电量kwh；

k-乳化泵空载运行时的负荷率，根据实际测定为k=0.6；n1-每天作业小班数，n1=3；

t-乳化泵每小班空运行时间，t=7-1=6h；

N1-分散式供液方式运行乳化泵电机额定总功率，N1=250kw；T-乳化泵年工作天数，T=330；

将以上数据代入上式得空载用电量:W1=0.6×3×6×330×250=891000（kwh）

（2）乳化泵满负荷运行时的用电量按下式进行计算：W2=K1n1t1TN1(kwh)

式中:W2-乳化泵满载运行时消耗的电量kwh；

K1-电机满载运行负荷率，取K1=0.85；t1-乳化泵工作运行时间t1=1h；

其他符号同前。将数据代入得:W2=0.85×3×1×330×250=210375（kwh）（3）年总用电量

W=W1+W2=891000+210375=1101375（kwh）2.采用集中供液方式后的用电情况

采用集中供液方式后，全矿井仅运行1台乳化泵，其功率为125KW。由于实现了“按需供液”，乳化泵在井下不用液时不会运转,即无空和半空载运行损耗。根据实际测试，乳化泵运行的平均负荷率为0.2以下（这里取0.2）。其年用电量按下式计算：

W3=k2n1t2TN2(kw)

式中:W3-采用集中供液后，乳化泵年消耗电能kwh；K2－乳化泵的平均负荷率，经测定为0.2以下；

t2-乳化泵每小班运行时间，t=7h；N2-集中供液运行乳化泵功率，N2=125kw；其他符号同前。

将以上数据代入得:

W3=0.2×3×7×330×125=173250（kwh）3．年节约电量及节电率年节电量为：

ΔW=W-W3=1101375-173250=928125（kwh）节电率为：

ξ＝ΔW/W＝928125/1101375＝84.3%四、应用现状

2002年，湖南省白沙矿务局机电技术人员为解决井下分散式供液存在的弊端，在进行了大量探索和研究基础上，首次提出将井下分散式供液系统改为地面集中供液的方案，并在湖南省白山坪煤矿建成了我国个地面集中供液系统。该系统经过逐步完善和改进，达到了比较理想的应用效果。此项技术得到了国家和湖南省煤炭行业相关领导的肯定和重视，并于2003年获得了国家技术应用专利证书。十多年来，该项技术在湖南、贵州等省各煤矿得到了逐步推广应用。由于初期开发的技术和产品未能解决乳化液的回收循环使用、超高压乳化液远距离输送和乳化液自动配液等问题，故仅用于对单体液压支柱工作面供液，其应用范围受到了限制。随着煤矿采掘机械化的发展，目前，大多数煤矿特别是大中型煤矿以综采工艺为主，因此，研究解决适用于综采或综普采混合型矿井的集中供液系统（下简称“综合集中供液系统”）是重点和发展方向。2009年以来，湖南星奥信息技术有限公司与湘煤集团进行技术合作，对煤矿集中供液存在的技术难题进行了攻关，取得了重点突破，成功解决了低压乳化液回收利用、高压乳化液远距离输送和乳化液自动配液等难题，并率先在贵州的义忠、神仙坡、晋家冲等煤矿建成了地面综合集中供液系统，取得了很好的应用效果，为在煤矿全面推广应用该项技术提供了经验。目前，该项技术已在贵州省各煤矿得到迅速推广使用。

随着这项技术的成熟和在煤矿推广应用的范围扩大，部分非煤矿山借鉴煤矿经验，探索该项技术在非煤矿山的应用途径。湖北省恩施州的磺厂坪矿业公司率先引进该项技术，在该公司所属磺厂坪硫铁矿建立地面集中供液系统。该矿为中型矿井，多时达10个工作面同时生产，若采用分散式供液方式，则需在井下建10个乳化泵站同时供液，运行设备容量达370Kw。实现地面集中供液后，由1个泵站供液，仅运行一台乳化泵，电机功率为55Kw，每年节电达97万Kwh。由此可见，该项技术在非煤矿山同样获得十分显著的应用效果。五、必须纠正几个认识上的误区或偏差

在推广应用该项技术的过程中，往往存在着以下认识上的误区或偏差，笔者在此进行分析和说明：

问题一：对于老矿井而言，其开采范围大，供液距离远，需铺设的管路长，则一次性投入成本会过高，且日后管路维护量大。

分析和说明：目前，大多数老矿井开采半径达到数千米，深度达数百米甚至超过1千米，供液管路的铺设长度固然较长，但这一因素并不对实现集中供液带来大的影响。因为工作面支护设备为间隙性用液，用液量并不多，而液压管路中供液压力至少在10兆帕以上，因而供液管路采用小管径钢管就能满足使用要求。一般情况下，一个年产200万吨级的矿井，所先主管路管径（外径）不会超过60mm。另外，供液管路采用矿用K型快速接头连接，其拆、装、运均十分方便，连接十分可靠，基本不发生漏液现象。经理论计算和现场使用情况统计，供液管路使用寿命至少在20年以上，安装每米管路的总价不超过50元，整个管路系统投入在50万元左右，管路基本上免维护，与采用分散式供液比较，是一个真正意义上的“一劳永逸”项目。

问题二：在进行远距离供液时，乳化液压降一定很大，将使支架的初撑力下降。

分析和说明：工作面支护作业时均为间隙性用液，其用液量并不大，在流过管路流量不大的情况下，则管路损失也就不大，相对于所输送的高压乳化液压力来说，其损失基本可以忽略。同时，根据连通器原理，在支架活柱伸出，其顶端接触到顶板岩石后，供液系统流量即等于零，其供液系统压力立即回升到设定压力，因此，不存在管路压力降的问题。事实上，乳化供液系统中供液管径选择的大小仅影响支架活柱的升降速度，而与供液距离的远近和压力损失无关。实际中，供液管路长度一般可达10Km以上。

问题三：在供液距离远，泵站与工作面综采支架高差大的情况下，不能实现回液，且在回液时使综采支架动作受干扰。

分析和说明：对综采工作面，主要采用铺设回液管路的方式进行回液（单体液压支柱支护时不进行回液）。当矿井垂直深度超过200m时，如果单独采用回液管自然回液的方式，将造成回液管路中背压过大而影响支架的动作，必须在回液管路中加装“回液加压装置”，将回液通过加压装置排至地面泵站乳化箱，消除了回液管中的背压，不会影响支架各部分动作。

问题四：在既有综采又有普采的矿井中，各工作面所需压力是不同的，集中供液将不能兼顾各工作面压力。

分析和说明：集中供液时，泵站的出口压力是按满足井下所需高压力用液点条件设定的，当某一用液点需要较低的压力时，则在相应供液各支管上安装压力调节装置，将支管压力调节为该用液点所需压力，保证各用液点的压力均满足使用要求。六、应用前景分析

该项技术具有以下推广应用条件：一是具有极其广阔的适用范围。该项技术不仅适用于煤矿，也适用于各种非煤矿山，不仅适用于采用普采工艺的矿井，也适用于综采和综普采混合型矿井。据统计，全国井工矿井有几万多个，为其提供了极其广阔的应用天地。

二是其突出的实用效果决定其具有很高的推广价值，将受到广大矿山企业的青睐。采用该项技术，单个矿井年节电量达几十至几千万Kwh，年节约设备的购置和运行费达数万至数百万元，将成为矿山有效的节能降耗项目。

三是项目符合国家节能减排大环境。国家节能减排“十二五”规划是要求矿山企业在2011年～2015年内实现比2010年能耗下降21%，并要求“对电机系统实施变频调速、永磁调速、无功补偿等节能改造，优化系统运行和控制，提高系统整体运行效率”。实现矿井集中供液是落实国家节能减排政策和要求的具体体现。目前，该项技术已得到国家煤炭协会节能办的关切和重视，将重点推介为煤矿节能新型技术。

四是顺应了矿山机械化、液压化的发展方向。目前，液压系统正大量应用于矿山，除常用的综采液压支架（含滑移支架）、单体液压支柱外，液压凿岩台车、液压装载机、液压钻机、液压操车系统、巷道液压支架、液压自动风门、液压安全挡等也在矿山得到逐步推广应用。乳化液压系统不仅具有油压系统所有的全部优点外，而且克服了介质成本高，因容易泄漏而造成维护量大、维护成本高的缺陷，因此它更加适合矿山井下特殊的使用环境，已形成以乳化液压系统取代油压系统的趋势。另外，建立地面集中供液系统，可实现“按需供液”，在不增加乳化泵空载电耗的情况下，可保证供液系统24小时连续供液，为那些需随时用液设备（如液压自动风门、液压安全挡等）的推广应用创造了条件。该项技术的应用加快了矿山机械液压化的推进速度。

五是为矿井乳化供液系统纳入矿井自动化集中监控创造条件。目前，矿山自动化发展趋势是实现全矿井设备的集中监控，而实现这一目标的前提是各单台设备（或单一系统）必须实现自动控制。矿井集中供液系统实现了泵站全自动化控制，为纳入矿井自动化集中监控创造了必要条件。

通过以上分析，地面集中供液技术具有很好的推广应用条件和发展前景，可以预见，它将迅速被广大矿山企业推广应用，成为矿山供液技术的发展主流。