單巷長距離快速掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)筒吊掛技術(shù)

秦憲禮，　白楓桐，　劉永立，　劉新蕾，　董長吉

（1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱150022；2.神華神東煤炭集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙自治區(qū) 鄂爾多斯719315；3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022；4.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150022）

單巷長距離快速掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)筒吊掛技術(shù)

秦憲禮1，白楓桐2，劉永立3，劉新蕾4，董長吉3

（1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱150022；2.神華神東煤炭集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙自治區(qū) 鄂爾多斯719315；3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022；4.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150022）

神華煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦單巷長距離快速掘進(jìn)系統(tǒng)因通風(fēng)系統(tǒng)不合理造成工作面除塵效果不佳，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工位處粉塵濃度超標(biāo)。針對這一問題，提出一種基于風(fēng)筒吊掛動態(tài)延伸技術(shù)的解決方案。根據(jù)恒力液壓絞車鋼絲繩預(yù)緊風(fēng)筒吊掛裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理，建立風(fēng)筒吊掛受力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得鋼絲繩最小破斷拉力F0為150 kN，安全系數(shù)為2.73。考慮防風(fēng)筒吸癟、絞車夾繩等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)風(fēng)筒吊掛工藝?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，該裝置能夠適應(yīng)快速掘進(jìn)系統(tǒng)，有效改善掘進(jìn)工作面的通風(fēng)狀況，降低掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工位處粉塵濃度達(dá)50%以上。

掘進(jìn)通風(fēng)；快速掘進(jìn)系統(tǒng)；風(fēng)筒吊掛；長距離；動態(tài)延伸

掘進(jìn)通風(fēng)一直是“一通三防”管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在我國煤礦事故統(tǒng)計(jì)中，由于局部通風(fēng)機(jī)停電停風(fēng)、風(fēng)筒破損斷裂，造成掘進(jìn)工作面風(fēng)量不足或無風(fēng)，巷道風(fēng)速偏低，引起的瓦斯、煤塵爆炸事故占煤礦同類事故的80%以上［1-2］。從我國目前的通風(fēng)裝備、各礦區(qū)的地質(zhì)狀況以及煤層的條件（瓦斯及其他有害氣體含量）來看，有關(guān)長距離、大斷面巷道掘進(jìn)通風(fēng)技術(shù)的研究和應(yīng)用尚不十分深入，掘進(jìn)通風(fēng)距離一般在1 000～2 000 m之間，因此，亟需對2 000 m以上全斷面長距離掘進(jìn)通風(fēng)技術(shù)開展研究［3］。神華煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦52501工作面除塵效果不佳，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工位處（十臂錨桿機(jī)操作平臺上）粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)。為此，筆者提出風(fēng)筒吊掛動態(tài)延伸技術(shù)，以期解決上述問題。

1　工程概況

神華煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦52501工作面為單巷快速掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長度4 849 m。單巷快速掘進(jìn)系統(tǒng)由全斷面掘進(jìn)機(jī)、十臂錨桿機(jī)、皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)、邁步式自移機(jī)尾等組成［4］，如圖1所示。在系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，因十臂錨桿機(jī)至工作面端頭屬無支護(hù)區(qū)，且距離隨時(shí)變化，錨桿機(jī)體積又十分龐大，無法人工架設(shè)和拆移除塵風(fēng)筒，造成抽出式除塵風(fēng)筒吸風(fēng)口遠(yuǎn)離工作面端頭，距離達(dá)40 m，使得工作面除塵效果不佳，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工位處（十臂錨桿機(jī)操作平臺上）粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)，作業(yè)視線受阻，存在巨大安全隱患。

圖1　風(fēng)筒吊掛技術(shù)方案Fig.1 Ram hanging technical solution schemes

2　風(fēng)筒吊掛方案與工藝

風(fēng)筒吊掛動態(tài)延伸技術(shù)是將當(dāng)前設(shè)置在十臂錨桿機(jī)上的除塵風(fēng)筒延伸至全斷面掘進(jìn)機(jī)上，并使延伸的風(fēng)筒適應(yīng)全斷面掘進(jìn)機(jī)的移動作業(yè)。技術(shù)關(guān)鍵是風(fēng)筒吊掛方案及工藝。

2.1風(fēng)筒吊掛方案

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研、勘察，風(fēng)筒吊掛采用恒力液壓絞車鋼絲繩預(yù)緊裝置。利用錨桿機(jī)上的液壓系統(tǒng)提供的液壓動力，通過兩臺恒力液壓絞車分別拉緊設(shè)置在十臂錨桿機(jī)和掘進(jìn)機(jī)及十臂錨桿機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)之間的鋼絲繩，靠恒力液壓絞車實(shí)現(xiàn)風(fēng)筒的自動伸縮。風(fēng)筒通過滑輪與風(fēng)筒吊環(huán)吊掛在鋼絲繩上，如圖1所示。該方案優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，加工安裝方便。

2.2風(fēng)筒吊掛裝置受力數(shù)學(xué)模型

2.2.1工作原理

液壓絞車固定在十臂錨桿機(jī)鐵質(zhì)風(fēng)筒入風(fēng)端口上方，另一端鋼絲繩固定在掘進(jìn)機(jī)護(hù)頂上，隨著掘進(jìn)機(jī)和錨桿機(jī)間距的變化，液壓絞車鋼絲繩自動纏繞張緊，鋼絲繩上吊掛10節(jié)5 m長的螺旋鋼風(fēng)筒，總重量以400 kg計(jì)算，載荷均勻分布，可伸縮的風(fēng)筒長度與掘進(jìn)機(jī)和錨桿機(jī)間距同步變化。液壓絞車固定位置和連接方式如圖2所示。

圖2　絞車位置和安裝方式示意Fig.2 Winch location and installation scheme

2.2.2受力數(shù)學(xué)模型

風(fēng)筒吊掛技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是鋼絲繩和液壓絞車的選型，必須保證鋼絲繩在最大受力情況下不破斷，液壓絞車有足夠的拉伸力，因此，需要建立風(fēng)筒吊掛裝置的受力數(shù)學(xué)模型［5-8］，計(jì)算出相關(guān)參數(shù)。對于單一鋼絲繩上的均勻分布載荷q（N/m），它包括風(fēng)筒、鋼絲繩及滑輪的重力三部分。簡化后的力學(xué)模型見圖3。

圖3　簡化力學(xué)模型Fig.3 Simplified mechanical model

2.2.3力學(xué)模型計(jì)算

根據(jù)圖3所示簡化的力學(xué)模型和工作負(fù)荷，水平放置的鋼絲繩在自重及均布載荷作用下將呈拋物線形，垂向撓度與水平距離比率為1/100，取50 m跨度計(jì)算，最大撓度為0.5 m，簡化幾何模型見圖4。

圖4　簡化幾何模型Fig.4 Simplified geometric model

以水平方向?yàn)閤軸，以豎直方向?yàn)閥軸，交點(diǎn)為原點(diǎn)，建立如圖4所示的直角坐標(biāo)系xOy。根據(jù)鋼絲繩拋物線理論的曲線方程［9］，令y=ax2+bx，該曲線過（25，0.5）和（50，0）兩點(diǎn)，計(jì)算可得鋼絲繩曲線方程:

式中：x——跨度，m；

y——撓度，m。

對式（1）中x求一階導(dǎo)數(shù)，由右端點(diǎn)x=50處tan α=0.04，可得切向角α=2.29°。

根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識，可得

式中：Fs——鋼絲繩所受垂向力，N；

l——跨度，m；

Gq——單位長度重力，N/m。

靜力關(guān)系：

式中：τ——切向力，N。

聯(lián)立式（2）、（3）得

式中：Gq=Gq1+Gq2；

Gq1——風(fēng)筒單位長度重力，N/m，Gq1=400×9.8/ 50=78.4 N/m；

Gq2——鋼絲繩單位長度重力，N/m，取鋼絲繩公稱直徑D=13 mm，Gq2=0.95×9.8=9.31 N/m。

經(jīng)計(jì)算，τ=55 kN。

鋼絲繩最小破斷拉力［10］計(jì)算式為

式中：F0——鋼絲繩最小破斷拉力，kN；

σt——鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度，σt=960 MPa；

K'——鋼芯鋼絲繩的最小破斷拉力系數(shù)，K'= 0.490。

計(jì)算得，鋼絲繩最小破斷拉力F0=150 kN。

安全系數(shù)n：

2.3鋼絲繩與恒力液壓絞車選型

根據(jù)風(fēng)筒吊掛裝置受力數(shù)學(xué)模型，參照GB/T 20118—2006《一般用途鋼絲繩》標(biāo)準(zhǔn)［10］，安全系數(shù)＞2.0，因此，選取鋼芯鋼絲繩，直徑13 mm。因風(fēng)筒兩端固定在十臂錨桿機(jī)和掘進(jìn)機(jī)上，風(fēng)筒自身可以承受大部分因自身重力所產(chǎn)生的拉力，所以可以適當(dāng)減少液壓絞車的拉力。參照液壓絞車相關(guān)參數(shù)，選取IYJ2.5-15-55-13型恒力液壓同步絞車，容繩量不少于55 m。

2.4風(fēng)筒吊掛工藝

為了確保安全生產(chǎn)，滿足局部通風(fēng)需要，改善工作面通風(fēng)狀況和除塵效果，解決掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工位處粉塵濃度超限問題，根據(jù)神東公司單巷長距離快速掘進(jìn)局部通風(fēng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)抽出式除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的吊掛工藝。具體工藝如下：

（1）十臂錨桿機(jī)前后伸縮段負(fù)壓風(fēng)筒吊掛

十臂錨桿機(jī)前后伸縮段負(fù)壓風(fēng)筒吊掛方式如圖5所示。在十臂錨桿機(jī)前、后端鐵質(zhì)風(fēng)道正上方各設(shè)置恒力液壓絞車一臺，恒力液壓絞車鋼絲繩自由端應(yīng)分別固定在自移式轉(zhuǎn)載機(jī)和掘進(jìn)機(jī)上特制的固定支架上。恒力液壓絞車滾筒軸中心應(yīng)比鐵質(zhì)風(fēng)道后端最上部邊緣高400 mm，以防恒力液壓絞車收放鋼絲繩時(shí)磨損風(fēng)筒，并在鐵皮風(fēng)筒和柔性風(fēng)筒連接處上方用皮帶等材料保護(hù)。恒力液壓絞車必須設(shè)置導(dǎo)繩裝置，防止絞車夾繩將鋼絲繩拉斷。

圖5　伸縮段負(fù)壓風(fēng)筒吊掛方式示意Fig.5 Expansion period negative pressure ram schematic hanging way

十臂錨桿機(jī)前、后伸縮段負(fù)壓風(fēng)筒均采用滑輪吊掛在鋼絲繩上。為了防止風(fēng)筒吸癟，可伸縮負(fù)壓風(fēng)筒吊掛保證每間隔一個骨架鋼圈設(shè)置一個吊掛滑輪，且用吊掛滑輪上的掛鉤直接鉤住風(fēng)筒的骨架鋼圈，不使用風(fēng)筒的自帶吊環(huán)吊掛。十臂錨桿機(jī)前后負(fù)壓風(fēng)筒吊掛效果如圖6所示。

圖6　十臂錨桿機(jī)前、后負(fù)壓風(fēng)筒吊掛效果Fig.6 Anchor machine ten arms hanging suction duct before and after rendering

（2）轉(zhuǎn)載機(jī)上固定段風(fēng)筒吊掛

自移式轉(zhuǎn)載機(jī)上設(shè)置懸掛風(fēng)筒的支架，支架間隔約1.3 m，支架和支架采用橫梁連接，橫梁長度應(yīng)至少比支架間隔長0.5 m，防止轉(zhuǎn)載機(jī)移動時(shí)因底板不平橫梁脫落。濕式除塵風(fēng)機(jī)固定段風(fēng)筒吊掛在支架的橫梁上，風(fēng)筒吊掛必須逢環(huán)必掛。

（3）掘進(jìn)機(jī)上方固定段風(fēng)筒吊掛

如果掘進(jìn)機(jī)上方空間允許，將φ800 mm風(fēng)筒直接延伸至掘進(jìn)面前端 （如果掘進(jìn)機(jī)前端有集塵器，則連接到集塵器的后端），并吊掛在恒力液壓絞車的鋼絲繩上。如果掘進(jìn)機(jī)上方空間有限，φ800 mm風(fēng)筒不能直接延伸至掘進(jìn)面前端，則掘進(jìn)機(jī)上方吊掛一個鐵皮變徑，將φ800 mm風(fēng)筒變?yōu)棣?00 mm，用φ600 mm風(fēng)筒延伸至掘進(jìn)面前端。風(fēng)筒吊掛必須逢環(huán)必掛，掘進(jìn)機(jī)上負(fù)壓風(fēng)筒吊掛效果如圖7所示。

圖7　掘進(jìn)機(jī)上負(fù)壓風(fēng)筒吊掛效果Fig.7 Negative pressure ram hang rendering machine

3　工業(yè)應(yīng)用與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行風(fēng)筒吊掛成套裝置的加工制作，在完成地面聯(lián)機(jī)調(diào)試后，2014年8月1～30日在大柳塔井52501綜掘工作面進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。為了檢驗(yàn)現(xiàn)場應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)了以粉塵濃度為主要檢測參數(shù)的現(xiàn)場實(shí)測方案。根據(jù)系統(tǒng)布置情況，選取十臂錨桿機(jī)上前方左側(cè)、十臂錨桿機(jī)上后方中間、壓入和除塵風(fēng)筒重疊段等六處位置作為測塵地點(diǎn)，對比風(fēng)筒吊掛裝置使用前后的效果。粉塵濃度測定數(shù)據(jù)如表1所示，其中，ρT為全塵質(zhì)量濃度，ρS為呼塵質(zhì)量濃度。

表1　綜掘工作面粉塵濃度測量數(shù)據(jù)Table 1 Comprehensive tunneling face dus concentration measurement data tables mg/m3

采用風(fēng)筒吊掛技術(shù)后，除“十臂錨桿機(jī)上前方左側(cè)”最高全塵濃度大于10 mg/m3，超出規(guī)程規(guī)定外，其他各測點(diǎn)的全塵和呼塵濃度均符合規(guī)程規(guī)定［11］（當(dāng)粉塵中游離SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)，《煤礦安全規(guī)程》要求全塵濃度小于10 mg/m3，呼塵濃度小于3.5 mg/m3）。分析認(rèn)為，十臂錨桿機(jī)上前方左側(cè)測點(diǎn)位置存在回風(fēng)渦流，易積聚粉塵。對比采用風(fēng)筒吊掛技術(shù)前后各測點(diǎn)數(shù)據(jù)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工位處（十臂錨桿機(jī)上后方中間）全塵最高濃度降低了55.0%，平均濃度降低了 51.7%；呼塵最高濃度降低了50.9%，平均濃度降低了51.1%；現(xiàn)場觀測顯示視線明顯改善。除濕式除塵風(fēng)機(jī)出風(fēng)口和濕式除塵風(fēng)機(jī)出風(fēng)口前12～15 m處兩個點(diǎn)外，其他地點(diǎn)全塵和呼塵濃度均大幅下降，降幅達(dá)40%以上，分析認(rèn)為，上述兩個測點(diǎn)粉塵濃度增大是由于除塵風(fēng)筒延伸后吸風(fēng)流含塵量增大所致。

4　結(jié)束語

將風(fēng)筒吊掛動態(tài)延伸技術(shù)應(yīng)用于52501回順致謝：

掘進(jìn)工作面的快速掘進(jìn)系統(tǒng)后，經(jīng)過兩個月的現(xiàn)場跟蹤測定，結(jié)果顯示工作面作業(yè)環(huán)境能見度明顯改善，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工位處粉塵濃度降低了50%以上，除塵效果良好。單巷長距離快速掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)筒吊掛技術(shù)在大柳塔井成功應(yīng)用，解決了目前長距離單巷快速掘進(jìn)通風(fēng)除塵難題，有效改善快速掘進(jìn)工作面勞動條件，創(chuàng)造了良好的施工環(huán)境，具有很好的應(yīng)用、推廣前景。

該研究得到瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室開放基金課題（HKDGH-20140003；HKDGH-20140008）的支持。

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［2］王德明.礦井通風(fēng)與安全［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［3］王鋒，王永峰，張作華.大斷面長距離掘進(jìn)通風(fēng)技術(shù)研究［J］.能源技術(shù)與管理，2014，39（1）:75-76.

［4］ 羅文.快速掘進(jìn)系統(tǒng)在大柳塔煤礦的應(yīng)用［J］.神華科技，2013，11（5）:23-31.

［5］馬愛軍，陳愛民.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.

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［11］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2012.

（編輯荀海鑫）

Single lane long quick tunneling ventilation system ram hang technology research

QIN Xianli1，BAI Fengtong2，LIU Yongli3，LIU Xinlei4，DONG Changji3
（1.School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.Shenhua Shendong Coal Group Co.Ltd.，Erdos 719315，China；3．School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；4.National Central Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation
Pipeline Safety，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；）

This paper seeks to address the excessive dust concentration to which tunnel machine operators are exposed as a result of poor dust removal effect resulting from the unreasonable ventilation system，as is typical of the working faces of single lane long-distance quick tunneling system employed in Daliuta Coal Mine in Shenhua Coal Group Corporation Limited.The paper proposes a solution building on the dynamic extension technology of the ram hangs.The solution is achieved by applying the working principle on which the constant force hydraulic winch ram hanging device which using wire rope preloaded is introduced；developing mathematical model by which the ram hangs are subjected to forces，determining the minimum breaking force: 150 kN and safety factor:2.73 in the steel wire rope；and designing the ram hang technology in response to key technology such as preventing the ram suction and winch rope squeeze.Field test shows that the device provide a better adaptability to a fast driving system，an effective improvement in the ventilation of the tunneling working face，and thus an over50%reduction in the dust concentration to which operators are exposed.

excavation ventilation；quick tunneling system；ram hanging；long distance；dynamic extension

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.002

TD724

2095-7262（2015）06-0584-04

A

2015-11-03

秦憲禮（1963-），男，山東省乳山人，教授，研究方向：礦山安全技術(shù)，E-mail：xlqin5878@sina.com。