斜溝煤礦綜掘工作面風筒吊掛技術研究

黃 超

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

0 引 言

礦井采掘銜接中，掘進進尺是重要考核指標，為了提高掘進進尺，各大煤炭集團開始采用長距離快速掘進技術，其中掘進工作面通風為通風管理中的重點環(huán)節(jié)[1-2]。根據(jù)每年的事故統(tǒng)計，因掘進工作面局部通風機發(fā)生非計劃的停電停風、風筒被刮碎斷開等，導致掘進工作面發(fā)生微風、無風，而引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸事故占比達到78%以上[3-4]。近些年來隨著科技發(fā)展，長距離快速掘進技術得到快速發(fā)展，大功率局部通風機[5]、變頻局部通風機[6]得到了極大發(fā)展，很好的解決了長距離巷道的通風難題，但由于各煤田、各礦區(qū)的煤層賦存條件不同，對于長度3 500 m 以上的掘進工作面，長距離快速掘進工作面局部通風問題限制了掘進速度，本文提出風筒吊掛動態(tài)延伸技術以解決此難題[7]。

1 礦井概況

山西焦煤集團有限責任公司斜溝煤礦18106 材料巷掘進工作面屬于單巷快速掘進巷道，材料巷設計長度為3 720.5 m，巷道高度為3.8 m，寬度為5.2 m，斷面積為19.76 m2?？焖倬蜻M系統(tǒng)主要包括全斷面掘進機、十臂錨桿機、邁步式自移機尾、轉(zhuǎn)載機組成，具體如圖1 所示。

圖1 風筒吊掛技術方案示意

在試運行快速掘進系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)：由于十臂錨桿機到掘進工作面迎頭這段巷道缺少有效支護，同時這段巷道距離隨著掘進隨時變化，加之錨桿機笨重、體積龐大，難以進行吊掛和前移除塵風筒，導致風筒末端到掘進工作面迎頭15 m 距離內(nèi)出現(xiàn)微風、無風，為了解決這一重大通風隱患，提出工作面風筒吊掛動態(tài)延伸技術。

2 風筒吊掛技術研究

2.1 設計方案

通過觀察井下實際情況，決定利用恒力液壓絞車鋼絲繩預緊裝置來吊掛風筒，動力來源為錨桿機液壓系統(tǒng)，首先在掘進機和十臂錨桿機以及轉(zhuǎn)載機和十臂錨桿機吊掛好鋼絲繩，接著利用2 輛恒力液壓絞車進行拉緊鋼絲繩，借助恒力液壓絞車達到自動伸縮前移風筒的目的，利用滑輪和風筒吊環(huán)將風筒懸掛在鋼絲繩上，具體操作如圖1 所示。此設計的好處是結(jié)構簡易，制作安裝便利。

2.2 選擇恒力液壓絞車

1）工作原理。在十臂錨桿機（風筒進風口上部）固定好恒力液壓絞車，在掘進機后部固定好絞車的另一端鋼絲繩，隨著掘進進尺的不斷增大，液壓絞車根據(jù)掘進機與錨桿機之間的距離，自動收縮、放開鋼絲繩，實現(xiàn)風筒隨著掘進機而自動伸縮，將10 節(jié)長度5 m 的風筒懸掛在鋼絲繩上，可達到400 kg 的重量，受力載荷平均分布，滿足風筒長度隨著掘進機與錨桿機距離的變化而同步變化。絞車固定如圖2 所示。

圖2 固定絞車

2）力學模型簡化。鋼絲繩上存在均布載荷q作用，主要由鋼絲繩、風筒、滑輪的重力3 部分組成。圖3 為力學模型簡化后的情形。

圖3 力學模型

3）參數(shù)計算。結(jié)合上述模型及載荷，由于自身重量和均布載荷的影響，水平放置的鋼絲繩由水平狀態(tài)變成拋物線，取垂向撓度與水平距離之比是1/100，跨度取50 m 進行計算，得到撓度是0.5 m，圖4 為幾何模型。

圖4 簡化幾何模型

擬合得到拋物線公式：

式中：x為跨度，m；y為撓度，m。

根據(jù)公式（1），對x進行一階導數(shù)計算，在右端x=50 位置得到切向角α=2.29°。結(jié)合材料力學理論，得到：

式中：Fs為鋼絲繩所受向力，N；q為單位長度重力，N/m。

根據(jù)靜力關系得到：

式中：T為切向力，N。聯(lián)立公式（2）、（3）得到

式中：q=q1+q2。q1為風筒單位長度重力，則q1=78.4 N/m；q2為鋼絲繩單位長度重力，取鋼絲繩公稱直徑D=13 mm，q2=9.31 N/m。

計算得：T=55 kN。

鋼絲繩最小破斷拉力F0：

式中：R0為鋼絲繩公稱抗拉強度，取1 960 MPa；K'為某一類別鋼絲繩最小破斷拉力系數(shù)，取0.490。

由上述計算發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)達到現(xiàn)場實際要求；根據(jù)液壓絞車數(shù)據(jù)，因風筒進風端和出風端都連接在大型采掘機械上，自身將負擔絕大多數(shù)自重而形成的拉力，因此決定使用IYJ2.5－15－55－13 型液壓絞車，要求容繩量最少為55 m、鋼絲繩直徑最少為13 mm。

2.3 吊掛技術

結(jié)合斜溝煤礦18106 材料巷長距離掘進通風狀況，為保證有效進尺、工作面風量充足，提高工作面的除塵效果，設計一種風筒吊掛工藝。

1）可伸縮風筒吊掛技術。在錨桿機兩側(cè)實施可伸縮風筒吊掛技術，具體如圖5 所示。將2 臺恒力液壓絞車分別安設于錨桿機兩端鐵皮風筒正上方，絞車鋼絲繩的另一端分別固定于掘進機后部和轉(zhuǎn)載機上。要求錨桿機前方安設的絞車滾筒軸的中心高于鐵皮風筒后部最上方400 mm，目的是絞車在牽引或者回收鋼絲繩不會磨損破壞風筒，同時需要使用舊皮帶保護鐵皮風筒與柔性風筒接口處。為了避免液壓絞車發(fā)生夾繩現(xiàn)象拉斷鋼絲繩，在液壓絞車上安設導繩裝置。

圖5 風筒吊掛工藝

利用滑輪裝置將風筒懸掛在錨桿機前部和后部伸縮區(qū)域的鋼絲繩上。為充分避免負壓風筒被吸癟導致風量不足，在風筒上每距離1 個鋼圈安裝1 個滑輪，同時使用滑輪自帶的掛鉤與風筒的鋼圈直接勾住相連，不采用風筒自身的吊環(huán)進行懸掛。

2）轉(zhuǎn)載機上方固定段風筒吊掛。將吊掛風筒的支架安設在轉(zhuǎn)載機上，每個支架相距約1.3 m，用橫梁連接相鄰2 個支架，要保證橫梁長度超過支架間距0.5 m 以上，避免在移動轉(zhuǎn)載機時由于巷道底板凹凸不平導致橫梁發(fā)生脫落。在支架的橫梁上懸掛除塵風機固定段風筒，要求懸掛風筒時，逢環(huán)必掛。

3）掘進機上方固定段風筒吊掛。若掘進機上部有足夠的的距離，通過把直徑0.8 m 的風筒連接延長到掘進機前頭，需將風筒用鋼絲繩懸掛在液壓絞車上。若掘進機上部距離不夠，直徑0.8 m 的風筒無法延伸到掘進機前頭，需要加工一個鐵皮變徑懸掛在掘進機上部，將直徑0.8 m 風筒轉(zhuǎn)換為直徑0.6 m風筒，之后把直徑0.6 m 風筒連接延長到掘進機前頭。要求懸掛風筒時，要逢環(huán)必掛。

3 現(xiàn)場試驗

結(jié)合設計方案，自主加工快速掘進系統(tǒng)的風筒吊掛成套裝置，在工業(yè)廣場調(diào)試運行成功后，于2020 年10 月1-30 日在斜溝煤礦 18106 材料巷掘進工作面開展現(xiàn)場應用。為考察除塵效果，制定風速、粉塵濃度2 個重要考核指標的現(xiàn)場測定方案。由于十臂錨桿機與掘進機這段區(qū)域有效空間較小，難以進行測風，選定壓入式與抽出式風筒重疊區(qū)域作為測風地點。通過粉塵濃度變化情況來間接代表十臂錨桿機與掘進機這段區(qū)域的風速情況。

3.1 測定風速

快速掘進通風系統(tǒng)運行正常之后，指派專職測風員進行現(xiàn)場實測，對10 月1 日-10 日的風速數(shù)據(jù)開展分析，圖6 為這10 d 的風速變化情況。

圖6 風速變化

由圖6 發(fā)現(xiàn)，壓入式與抽出式風筒重疊地點的風速穩(wěn)定在0.25～0.6 m/s，無微風、無風現(xiàn)象，符合規(guī)定要求。

3.2 測定粉塵濃度

快速掘進通風系統(tǒng)運行正常之后，指派專職測塵人員進行現(xiàn)場實測，現(xiàn)場實測粉塵濃度結(jié)果見表1。

表1 粉塵濃度測定

從表1 發(fā)現(xiàn)：實施風筒吊掛動態(tài)延伸技術后，18106 材料巷掘進工作面總塵濃度都低于4 mg/m3，呼塵濃度都小于2.5 mg/m3。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（2016 版）第六百四十條“當煤塵中游離SiO2含量小于10 %時，總塵濃度不得超過4 mg/m3，呼塵濃度不得超過2.5 mg/m3”，因此18106 材料巷掘進工作面粉塵濃度都符合規(guī)定要求。

4 結(jié) 論

在18106 材料巷掘進工作面實施風筒吊掛動態(tài)延伸技術，通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)：掘進工作面附近風量充足，有效降低粉塵濃度，解決工作面除塵效果差的難題。18106 材料巷長距離快速掘進風筒吊掛技術的成功應用，明顯提高了掘進工作面的降塵效果，極大改善工作面的作業(yè)環(huán)境，具有良好的經(jīng)濟效益。