青山矿滑移支架初撑力不足问题的分析与解决

杨志海，罗立强

(萍乡矿业集团青山煤矿，江西萍乡市 337000)

青山矿滑移支架初撑力不足问题的分析与解决

杨志海，罗立强

(萍乡矿业集团青山煤矿，江西萍乡市 337000)

青山矿采用滑移支架采煤工艺，经常出现工作面支架初撑力达不到要求。因此，对青山矿乳化液压系统进行压力损失计算和分析，得出液压系统压力损失在2 MPa左右，而泵站压力为20 MPa，初撑力为19.6 MPa，得出工作面初撑力不足是由于同一泵站向多个工作面同时供液造成的。提出在每个采场的上部设置一个储压罐，可保证工作面支架的初撑力。

液压系统；压力损失；初撑力；储压罐

0 引 言

青山矿煤层平均倾角80°，属于急倾斜煤层，当煤厚大于8 m时，采用分层开采方法，并于2009年开始使用并联式滑移支架，工作面两出口处采用单体液压支柱加金属顶梁加强支护。矿山现有液压泵站型号为RB-80/200，公称流量为80 L/min。但随着滑移支架采煤工艺在多个工作面的应用，经常出现工作面支架初撑力达不到要求，甚至出现单体支柱上升一段距离后反之下降的现象。因此本文对此问题进行分析与探讨。

1 乳化液泵站工作原理

乳化液泵站通常称为“两泵一箱”，由两台乳化液泵和一台乳化液箱组成。乳化液泵由电机带动，通过柱塞往返运动改变缸体容积的大小完成吸排液过程，将低压乳化液转换为高压乳化液。乳化液泵的额定流量和压力是由柱塞的直径、个数、行程、往返次数及泵的容积效率等本身参数决定的，与乳化液箱的容积无关，只需保证乳化液箱中液体足量即可。乳化液箱是乳化液泵站的乳化存贮器，起着配比乳化液、过滤、沉淀乳化液及向乳化液泵提供洁净的乳化液等作用，其通过供液阀门向乳化泵提供乳化液[1]。

2 乳化液泵站工况及系统压力损失计算

2.1 乳化液泵工作能力与支架工作特性匹配分析

2.1.1 支架的工作压力与最高压力分析

初撑力即为支柱依靠泵站压力上升直至顶板所达到的最大压力。支架的初撑力来自于乳化液泵站的输出压力，与顶板压力无关。在顶板来压的作用下，支架的工作阻力与顶板压力将保持相对平衡的状态。若顶板压力大于支架的卸载压力，此时，立柱的安全阀将打开泄压，使支柱下降，维持工作阻力与顶板压力相对平衡的状态。根据矿山滑移支架的特性，安全阀卸载压力为42 MPa。此时，支架的工作阻力取决于顶板压力，与乳化液泵站的初始压力无关。当支架达到处于工作状态时，支架内部乳化液的最大压力为安全阀的卸载压力42 MPa。

因此，对于矿上存在的支架初撑力不足的问题，应着重对液压系统与支架特性匹配问题的分析。

2.1.2 乳化液泵输出流量与工作面支架所需流量匹配性分析

工作面支架属立柱内容积最大，当升柱完全时，所需乳化液7.2 kg，乳化液浓度按5%计算，故立柱所需乳化液容量为:体积＝质量/密度＝7.58 L；

若升柱时间按10 s计算，故此时支柱所需流量为:Q1＝45.5 L/min。

而现有液压泵站型号为RB-80/200，公称流量为80 L/min，故按此计算，现有液压泵所提供的流量仅能供应2个工作面的单一立柱同时升柱(此时所算为升柱所需最大流量)。

2.2 液压系统压力损失计算

支柱达到工作状态包括上升过程和承压过程两个阶段。在上升过程中，液压系统压力的损失不会影响顶梁上升。当顶梁接顶后，进入承压阶段，支柱上升距离大幅减小，柱内压力迅速增加直至液压系统压力，即为支架的初撑力。若液压系统压力损失过多，将会使得初撑力达不到规定的要求，造成工作面支护强度和高度等不符合要求。目前矿上存在多个工作面共同使用同一泵站的情况，但为了方便计算，在此假设工作面没有其他任何操作，按泄露流量，计算此时液压系统的压力损失。

由于液压输送管路距离远，支路较多，接头多；另外，工作面支架数量较多，胶管接头多，因此泄露点也多，这将造成较大部分的压力损失。因液压系统维护的不同，压力损失在10%～20% 较为常见[2]，在此按15%计算。故支架在静态时，系统中泄漏量为0.2 L/s。

根据压力损失理论计算[3]:

式中，λ为沿程阻力系数；l为管路长度；ν为流速；d为管路直径；ρ为液体密度。

式中，ζ为局部阻力系数。

矿山现有4个泵站，452泵站、四水平中央泵房泵站、西415泵站及482泵站，由于西415盘区没有布置滑移工作面，现只对452泵站压力损失进行计算。泄露量按0.2 L/s，管径按0.032 m计算，液体运动粘性系数V取[2]4.3×10-5，故管路中液压油流速:

雷诺系数:

故通过计算得知乳化液在管路中呈层流状态，其沿程阻力系数λ＝64/Re＝0.34。

452泵站供一队、二队及三队使用，因为三队管路并联在泵站系统上，压强相等，故只需对管路最长的三队(500 m)进行压力损失计算即可:

下面进行局部压力损失计算[4]，据统计，系统中沿途管道转弯14处，局部阻力系数ζ1取为0.2，工作面节流阀2个，局部阻力系数ζ2取为5，故局部压力损失:

支架的阀组、管接头等元件的局部压力损失Δ P3可由产品技术参数得知，取1.58 MPa。

故总的压力损失ΔP＝ΔP1＋ΔP2＋ΔP3＝1.75 MPa。

从以上计算可以看出，系统压力损失主要存在于支架的阀组、管接头等元件的局部压力损失，故可知其他泵站压力损失也在2 MPa左右。

根据支架特性，初撑力为19.6 MPa，而泵站压力为20 MPa，损失压力为2 MPa，若泵站只供一个工作面使用，基本能满足支架对初撑力的要求。但当单泵站同时向3个工作面供液时，每个工作面的液体流量是单一工作面供液时的1/3。当一工作面正在升柱时，另一工作面开始移架或升柱，就会“分走”一部分流量，造成瞬时压力减小，将造成初撑力达不到要求，甚至出现单体柱上升一段距离后反之下降的现象。

3 结 论

通过以上分析和计算可知，工作面支架初撑力不足主要是由于泵站同时向多个工作面供液造成的，而系统压力损失也对其造成一定的影响。首先需对对乳化液泵站进行良好的维护，及时清理及更换不合格的元件，让液压泵在最佳状态下工作[5-6]。另外，在每个采区的上部设置一组储压罐(一般由4个储压罐构成)，泵站液压首先输送至各采区上部的储压罐进行储存，各工作面支架所需液压由其各自的储压罐提供，这相当于为每个采区配置了一个泵站，很好地解决了液压系统支路的“分流”问题，保证了工作面支架的初撑力。

[1]史春祥，芮 冰.煤矿液压支架用乳化液泵站[J].流体传动与控制，2007，21(2):35-36.

[2]王冠民，刘庆利，孟 林，等.关于综采液压支架与乳化液泵的压力配套分析[A].陕西省煤炭学会学术年会论文集[C]，2011.

[3]张维佳.水力学[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[4]马宪亭，张福来.液压系统中压力损失的分析与计算[J].煤矿机械，2009，30(9):26-28.

[5]莫华林，屈玉林.保证液压支架初撑力的方法方探讨[J].煤矿机械，2005，33(11):76-78.

[6]黄靖龙.液压支架初撑力不足的原因及对策[J].矿山压力与顶板管理，2002，24(3):24-26.

2015-11-09)

杨志海(1968-)，男，中级工程师，从事煤矿开采管理工作，Email:492511231@qq.com。