煤矿井下综采工作面远距离供电技术讨论

徐 凯

(中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

随着煤矿开采机械化、自动化技术的高速发展，矿井井下供电系统的重要性越来越明显，合理的供电系统设计不仅能保障矿井的安全高效开采，维持矿井的安全生产，而且能降低运行成本，节能减排，带来良好的经济效益。井下综采工作面传统的供电方式为在运输巷内距综采工作面不远处设置设备列车，在设备列车上配置移动变电站、组合开关等电气设备，为整个综采工作面设备提供电源。设备列车随工作面的推进向前移动，设备列车至工作面电缆采用单轨吊的方式进行敷设[1-5]。

1 传统供电方式弊端

1)随着技术的进步，特别是煤炭开采装备的技术更新，综采工作面单面的产量越来越高，同时设备功率也越来越大，综采工作面配电所需要的设备数量大幅度增多，造成设备列车的规模增大，有些矿井设备列车长度达到100m以上。大量的供电设备布置在综采工作面巷道内，维护和检修的工作量较大，特别是备品备件的运输距离较长，造成检修时间的拉长。

2)受矿压的影响，综采工作面巷道变形较大，特别是底鼓现象，造成巷道内水平面起伏较大。设备列车在开采过程中移动难度增加，需要进行大量的工作对巷道进行扩帮、挖底，移动效率较低，也增加了井下工人的劳动强度。

3)巷道变形引起的巷道截面变小，不能满足矿井设计通风能力，在综采工作面内布置设备列车占用了大量空间，进一步缩小了巷道的有效通风截面，对工作面通风系统影响较大。

4)大量的移动变电站布置在综采工作面巷道设备列车上，当巷道空间狭小时，移动变电站运行过程中产生的热量不能及时扩散，使周围环境温度升高。设备列车一般布置在工作面进风巷道内，当移动变电站周围环境温度升高时，高温气体会随着风流进入工作面，造成综采工作面环境温度的升高，进一步恶化了工作面工人的工作环境。

2 远距离供电方式

为解决传统的综采工作面供电方式在运行过程中带来的问题，煤炭行业技术工作者做了大量的研究，提出了多种不同的新的供电方式。新的供电方式与传统的供电方式最大的特点是把综采工作面的移动变电站由设备列车布置改为在综采工作面巷道口处布置，因移动变电站布置位置较传统供电方式远离综采工作面，这一类供电方式统称为远距离供电方式。在实际应用中，远距离供电往往与远距离供液系统联合考虑，大大减少了工作面巷道内的设备列车数量[5-7]。

赵固一矿16001大采高综采工作面、清塬煤矿42101综采工作面、华亭砚北煤矿2502综采工作面均在运输巷顺槽布置集中供电及供液硐室，集中供电及供液硐室布置高压配电装置及移动变电站，采用电压等级3300V或1140V电源为综采工作面内组合开关提供电源，实现了远距离供电；组合开关布置在工作面附近巷道内，直接为采煤机、刮板机、破碎机、转载机等大功率设备供电。龙王沟煤矿61601工作面，将乳化液泵站、喷雾泵站及工作面供电设备布置在停采线外的硐室内，刮板机、转载机的供电设备及变频器也布置在停采线外的硐室内，但受供电压降影响，采煤机、破碎机的供配电设备无法布置在停采线外硐室内，故将采煤机、破碎机的供电设备布置在距离工作面750m的硐室内，随工作面每推进500m移动一次[8-15]。以上各煤矿综采工作面供电方式的选择均是结合矿井自身的供电条件、工作面布置、采煤设备参数等，在满足供电系统安全运行要求的前提下，尽可能的集中布置供电设备，减少供电设备的移动次数[16]。

葫芦素煤矿CT21201矸石充填工作面采用三巷制，分别为工作面运煤巷、工作面辅运巷和工作面回风巷。受运矸系统的布置限制，工作面巷道内空间紧张，无法布置设备列车，设计采用远距离供电供液方式，在充填工作面停采线以内设集中供电及供液硐室，距离工作面1181m。将工作面集中供电供液硐室布置于工作面终采线外，需远距离供电设备见表1。供电总长度约为1300m。

表1 工作面设备负荷统计

选取不同电压等级，功率最大的设备进行电压损失计算，即以双滚筒采煤机为例计算3300V供电线路电压损失，以可弯曲刮板输送机为例计算1140V供电线路电压损失。

以3300V电压等级为双滚筒采煤机供电，根据电缆载流量选择截面为95mm2的铜芯电缆，计算压降为2.61%<5%，根据《煤矿井下供配电设计规范》(GB 50417—2007)第6.3.3条规定，“正常运行时电动机的端电压允许偏移额定电压±5%，个别特别远的电动机允许偏移-8%～-10%”，压降满足要求。以1140V电压等级为可弯曲刮板输送机供电，根据电缆载流量选择截面为95mm2的铜芯电缆，计算压降为8.14%>5%，不满足要求；依次增大供电电缆截面进行压降计算，直到截面为185mm2的铜芯电缆时计算压降为4.76%<5%，才可满足规范要求。

由以上计算结果可知，采煤机采用3300V供电，供电距离1.3km时，移动变电站至设备端的电压损失为2.61%小于规范要求的5%；可弯曲刮板输送机采用1140V供电，供电距离1.3km时，通过增大供电电缆截面可使移动变电站至设备端的电压损失为4.76%小于规范要求的5%。在工作面终采线外设工作面集中供电供液硐室，能够满足供电的要求，但1140V的电缆截面由95mm2增大至185mm2，电缆截面增加了一倍。

3 远距离供电的问题

综采工作面远距离供电方式在新的开采条件下，为解决传统供电方式的不足提供了新的解决方案，为井下供电系统的安全可靠运行提供了新的选择，但受当前煤矿行业供电设备技术能力的限制，在使用中也存在一些问题。

1)远距离供电方式将井下移动变电站设置在远离工作面设备的位置，低压供电距离增加，为解决压降问题，往往要采用增大电缆截面或者敷设多根电缆的方式，客观上增加了供电系统的成本。

2)采用远距离供电方式时，综采工作面巷道内敷设的电缆数量增多，且电缆需要随工作面的推进及时进行收放，巷道内电缆接头增多，隐患故障点增多。同时，电缆数量的增多往往需要在巷道内设置通长的单轨吊进行电缆的敷设，对顶板条件不好的矿井，设置的难度较大。

3)采用较低电压进行远距离供电，电缆线路上电流增大，功率损耗增大，供电系统的运行成本增加，且与现行的节能政策相违背。

4)目前大部分采用远距离供电的矿井，实际仅仅将移动变电站移出工作面巷道，考虑现场控制的需求，直接控制工作面设备的组合开关等还需要就地设置在设备列车或者转载机落地段上，巷道通风有效面积实际上并没有增加。

5)在采用完全的远距离供电时，所有供电设备设置在远离工作面的集中供电及供液硐室时，工作面工人启停设备时需要通过远程控制手段或者沿线喊话的方式来控制设备的起、停。对控制系统通讯的可靠性有更高的要求，同时异地控制的延迟或者控制网络的不稳定容易造成新的安全隐患。

4 远距离供电的选择与前景

井下综采工作面远距离供电方式，在工作面受矿压影响巷道变形较大，设备列车移动困难时，能起到很好的作用，可有效的缩小设备列车的规模，降低巷道维护的工作量。但同时作为一种新兴的供电方式，其本身也存在上述的一些问题，各煤矿在选择时应根据自身的开采条件、生产需求及管理制度等进行合理的选择，不能一味的追求“先进”。

井下综采工作面远距离供电方式在改善设备布置环境，降低维护难度，增加工作面巷道有效通风及通行截面，增加供电设备的推移速度等方面具有较大的优势，但还有以下几点技术问题需要解决：

1)尽量提升设备的电压等级，目前3300V供电设备在煤矿井下已经成熟的运行了多年，大多数大功率设备采用3300V电压等级。但功率稍小的设备因成本的问题，采用更低电压等级的电机，在进行远距离供电设计时，低电压等级的设备往往会需要大截面的电缆进行供电，所以3300V电压等级的小功率电机的低成本、小尺寸应是未来需要解决的问题之一。

2)远距离供电系统需要对巷道内的电缆进行及时的收放，目前采用的电缆接头拆装效率较低，开发更安全更高效的电缆连接装置是远距离供电方式的重要需求。

3)远距离供电系统设备布置远离工作面设备，工作面工作人员在控制设备起、停或应急情况下的紧急停车需要更安全可靠的联动控制方式，目前的井下综采工作面控制系统一般采用总线制进行控制，单总线结构在巷道的复杂条件下可靠性值得商榷。开发一种可冗余、更可靠的联动控制系统是远距离供电的迫切需求。