緩傾斜煤層綜采工作面乳化液泵站的選型

侯天晶

（山西焦煤責任有限公司官地煤礦綜安區，山西太原 030053）

0 引言

工作面開采設備選型是制約礦井生產能力的重要因素，對于綜采工作面而言，主要的開采設備包括液壓支架、采煤機、刮板運輸機、皮帶機、乳化液泵站等[1-2]。設備的選型要與工作面的實際生產能力相匹配，若開采設備功率過高，會造成資源浪費，降低生產效率；若開采設備功率過低，會造成設備長期處于超負荷工作狀態，影響設備的正常使用，降低設備的使用壽命[3-5]。因此，對工作面開采設備的合理選型十分重要，而乳化液泵站作為工作面支護設備的動力來源，對它的合理選型也是保障工作面支護安全的關鍵環節。本文作者以某礦緩傾斜煤層工作面實際地質情況為工程背景，分析乳化液泵站的組成和工作原理，并對其進行合理選型，為工作面高產高效生產提供理論依據。

1 工程概況

某礦4301工作面位于南二盤區南部，西側為井田邊界，北側為待回采的4303工作面。工作面傾斜長度為180 m，走向長度為1 320 m，主采3#煤層，埋深為534～635 m，煤層厚度為2.8～3.5 m，平均3.2 m。煤層厚度穩定，結構簡單，傾角為11～18°，平均為11°，屬于緩傾斜煤層，工作面東側傾角較小，西側較大，工作面采用俯采方法，俯角為3°。

工作面煤層頂板為深灰色泥巖，厚度平均為2.7 m，底板為灰色砂質泥巖，厚度平均為1.3 m。回采巷道掘進過程中，共揭露斷層8條，均為逆斷層，其中F6斷層落差為1.4 m，對工作面開采會造成一定影響，其余斷層落差較小，基本不會影響工作面的正常生產。工作面兩側分布布置材料巷和運輸巷，巷道均為矩形斷面，斷面尺寸均為4.5 m×3.0 m，采用錨網索聯合支護。

2 乳化液泵站的組成及工作原理

2.1 乳化液泵站的組成

乳化液泵站由乳化液泵組、乳化液箱以及其它附屬裝置所組成，如圖1所示[6]。

圖1 乳化液泵站的組成

圖中，為保證工作面的生產要求，乳化液泵站一般安裝2臺乳化液泵和1個乳化液箱。正常工作時，2臺乳化液泵一臺工作另一臺備用，當工作面液壓設備所需供液量增大時，可利用2臺乳化液泵并聯使用。

2.2 乳化液泵的工作原理

主要介紹采用往復式柱塞的乳化液泵的工作原理，這是一款容積式的液壓泵，如圖2所示[7]。

圖2 往復式單柱塞泵的工作原理

圖中，該型乳化液泵在工作時通過弱雞變化來完成吸液和排液的過程。在電動機的牽引下，曲軸沿逆時針方向轉動，受曲軸作用，連桿開始運動，帶動滑塊往返運動，在滑塊運動的影響下，柱塞向左運動，使泵缸內的氣壓降低，將乳化液通過進液閥吸入崩崗內，乳化液泵完成吸液過程。

完成吸液過程后，電動機帶動曲軸繼續轉動，通過連桿、滑塊的帶動，柱塞向右運動，泵缸內壓力增大，進液閥受壓關閉，出液閥被頂開，乳化液由出液閥進入供液管道，完成出液過程。至此，電動機帶動曲軸旋轉一周，乳化液泵也完成了一次完整的工作循環[8]。

3 配套液壓支架技術參數

3.1 液壓支架選型及驗算

該礦4301工作面目前擬定選用ZY5600/20/40型掩護式支架，下面對其基本參數進行驗算。

（1）支架工作阻力驗算

根據頂板載荷估算法，工作面液壓支架工作阻力應為

式中：Pz為液壓支架工作阻力，kN；Ky為頂板巖層厚度系數，取8；H為工作面最大采高，取3.5 m；F為支架頂梁面積，取5.475 m2；γ為頂板巖層平均容重，取25 kN/m3。

將數據代入式（1），可得：

已知ZY5600/20/40型支架工作阻力為5 600 kN，滿足工作面實際要求。

（2）支架初撐力驗算

根據相關生產經驗，支架初撐力不低于工作阻力的80%，根據前面所求出的支架阻力，可得：

式中：P0為支架初撐力，kN。

將支架工作阻力代入，可得支架初撐力為3 066 kN。

已知ZY5600/20/40型支架初阻力為5 064 kN，滿足工作面實際要求。

（3）底板比壓驗算

根據礦井地質資料，可知4301工作面底板比壓為1.0～2.44 MPa，ZY5600/20/40 型支架底板比壓為 0.28～2.94 MPa，滿足工作面實際要求。

3.2 液壓支架參數

ZY5600/20/40型液壓支架基本參數如表1所示。

表1 液壓支架主要參數

4 乳化液泵站選型計算

4.1 泵站壓力的計算

乳化液泵站的壓力應當根據液壓支架初撐力所選壓力Pb1和千斤頂達到最大推所需泵站壓力Pb2來確定。

其中，液壓支架達到初撐力所需的泵站壓力為：

式中：Z為每個支架立柱的根數，取2；D為液壓支架立柱的缸體直徑，取0.32 m；P0為液壓支架工作初撐力，取5.064 MN。

可得：

Pb1=4×5.064÷(2π×0.322)=31.5 MPa

推移千斤頂最大推力需要達到的泵站壓力為：

式中：d為千斤頂的缸體直徑，取0.18 m；Ps為千斤頂最大推力，取0.544 MN。

可得：

Pb1=4×0.544÷(π×0.182)=21.5 MPa

通過以上分析可知，支架達到初撐力所需泵站壓力為31.5 MPa，推移千斤頂最大推力所需泵站壓力為21.5 MPa，Pb1＞Pb2，因此，泵站壓力可為：

式中：P為泵站工作壓力，MPa；K為泵站系統壓力損失系數，一般為1.1～1.2，取1.1。

4.2 泵站流量的確定

乳化液泵站所需流量應當根據每組液壓支架移架時立柱和千斤頂所需的最大流量確定。在該工作面，每7架液壓支架為1組，則泵站所需流量的表達式為：

式中：Q為泵站所需流量，L/min；n1為移架時同時升降的立柱數，取2×7=14；n2為移架時同時升降的千斤頂數，取1×7=7；s1為支架移架時立柱的行程，取20 cm；B為支架移架時千斤頂的行程，取60 cm；F1為立柱環形腔的作用面積，取803.84 cm2；F2為活塞腔的作用面積，取1 464.03 cm2；F3為千斤頂移架腔的作用面積，取254.34 cm2；v為采煤機的牽引速度，取4.5 m/min；L為支架的間距，取1.5×8=12 m；t1為支架移架時所需其它輔助時間，取0.2 min；η1為泵站容積效率，取0.9。

將數據代入，可得Q=334.16 L/min。

4.3 泵站功率的確定

泵站電機功率N的表達式為：

式中：Pe為泵站的額定壓力，取31.5 MPa；η為泵站的效率，取0.9。

可得電機功率為N=210.22 kW。

4.4 泵站乳化液箱容積的確定

泵站工作時所需流量選擇乳化液箱容積V1為：

式中：Q0為乳化液箱底至吸液口最低位時的流量，取150～200 L。

可得V1≥1 202.48 L。

乳化液泵停止工作造成乳化液全部回流所需的乳化液箱容積V2為：

式中：d1為主進液管直徑，取5 cm；d2為回液管直徑，取5 cm；L1為主進液管長度，取4 000 cm；L2為回液管長度，取4 000 cm；

可得V2≥491.16 L。

煤層厚度起伏變化時，支架立柱伸縮所需流量差V3為：

式中：h為煤層厚度變化量，取70 cm；D為支架立柱缸體內徑，取32 cm；n為每個支架立柱數，取2；z1為同時動作的支架數，取7。

可得V3≥787.76 L。

通過以上分析可知，乳化液箱的容積為

V≥V1+V2+V3=2 481.4 L

因此，乳化液泵箱容積應大于2 481.4 L。

4.5 乳化液泵站的參數確定

根據以上分析，該礦4301工作面使用BRW-315/31.5型乳化液泵和XR-WS2500A型乳化液泵箱，兩泵配一箱方式工作，其主要參數如表2所示。

表2 乳化液泵站基本參數

由表2可以看出，采用該型乳化液泵和泵箱完全滿足生產需求。

5 結論

根據某礦4301工作面實際地質條件，對工作面乳化液泵站的組成和工作原理進行簡要分析，并對泵站參數進行計算選型，最終選擇BRW-315/31.5型乳化液泵和XR-WS2500A型乳化液泵箱，為相似條件下工作面乳化液泵站選型提供理論依據。