煤礦永久避難硐室氣幕噴淋裝置設(shè)計研究

王林沖

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

山西煤炭進出口集團長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司煤礦位于山西省長治市長治縣，井田范圍無特殊的地質(zhì)構(gòu)造，只有部分斷層發(fā)育，絕大部分煤巖層為緩傾斜走向。礦井八采區(qū)3-807工作面頂板富水性較好，易成為本礦3#煤層開采的安全隱患。八采區(qū)內(nèi)永久避險硐室主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完工，準備完善配套系統(tǒng)的建設(shè)與施工。本文對八采區(qū)內(nèi)永久避險硐室的氣幕噴淋裝置進行設(shè)計研究，以達到過渡室有效隔絕凈化外部有毒有害氣體、減少粉塵進入的目的。

1 永久避難硐室概況

根據(jù)本礦井的服務(wù)年限設(shè)計，八采區(qū)永久避難硐室的設(shè)計服務(wù)年限為5年，硐室位于該水平水文地質(zhì)條件較好，煤巖層較穩(wěn)定的地層中，硐室前后頂板均完整，無礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，硐室結(jié)構(gòu)采用“雙入口式”的設(shè)計方式，硐室的大小按容納100人的生存需要計，其內(nèi)部配套設(shè)施也按此容量計，氣幕噴淋裝置在兩個過渡室各設(shè)置一套，緊急避難硐室結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 緊急避險硐室結(jié)構(gòu)形式圖

2 氣幕噴淋裝置及風量計算

緊急避難硐室的過渡室中安裝氣幕噴淋裝置，其作用就是在過渡室內(nèi)將硐室內(nèi)外的空氣用一道氣幕將對流空氣阻隔，將生存室內(nèi)空氣維持在一個相對封閉的環(huán)境中，不至于使硐室外的有害氣體隨著避難人員一起進入硐室，對硐室內(nèi)新鮮空氣造成污染，因為硐室外的氣體一般含有害氣體比較多，且礦難發(fā)生時往往伴隨著有害氣體更多，所以合理設(shè)置氣幕噴淋裝置很有必要。氣幕噴淋系統(tǒng)除包括氣幕裝置將有害氣體阻隔外，還應(yīng)該包括可以凈化有害氣體的噴淋裝置，噴淋裝置通過置換原理，將有害氣體的濃度降低，保證隨避難人員進入硐室的氣流新鮮。

噴淋系統(tǒng)使用過程中的供氣方式有兩路,一路為礦井壓風，另一路為自備的空氣壓縮瓶供氣，硐室內(nèi)必須保持不大于100MPa的正壓，且壓力不能過高，而且應(yīng)該有泄壓措施，進入硐室的空氣為噴淋系統(tǒng)供氣前一般經(jīng)分流后壓力降為0.3～0.6MPa。經(jīng)過分流的氣流在經(jīng)過共用球閥控制后風路再次匯流，即兩路供氣同時由一個球閥控制，當優(yōu)先采用的壓風系統(tǒng)動力不足或者風路系統(tǒng)損壞時，可采用自備的壓縮空氣控制閥供氣。

氣幕噴淋系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 氣幕噴淋系統(tǒng)原理圖

氣幕噴淋系統(tǒng)自備壓縮空氣存儲瓶的數(shù)量應(yīng)根據(jù)過渡室的空間大小、額定避險人數(shù)、每人使用氣幕系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)時間、壓縮空氣的流量以及每瓶氣的容量來確定。

過渡室的面積為58.24m2，扣除存儲瓶和其他設(shè)施占的面積，有效使用面積按52m2計，緊急避險人員分組進入硐室內(nèi)，每組人員數(shù)量定為10位。

氣幕噴淋系統(tǒng)消耗氣體的量以及需要儲氣瓶的數(shù)量由下式確定：

式中：

n-額定避險人數(shù)，個；

t1-每人使用氣幕時間，一般為10～15s，按最大值15s計；

t2-噴淋系統(tǒng)每人使用時間，一般為20～30s，按最大值30s計；

V流-壓縮空氣單位時間流量，L/S；

V瓶-壓縮空氣瓶容量，L。

此硐室采用60L、15MPa的鋼瓶，根據(jù)波義爾定律可確定每瓶氣體容量為7500L。由此可計算得到：額定人數(shù)為100人的避險硐室滿足噴淋系統(tǒng)及應(yīng)急需求時要求每個過渡室存放60L的儲氣瓶8瓶，總量為16瓶。

3 氣幕噴淋裝置管路設(shè)計

3.1 管路布置方式

根據(jù)管路布置位置的不同，可將其布置方式分為三類：上送、下送以及側(cè)送。這三種方式主要是根據(jù)和門的相對位置關(guān)系來劃分。管路安裝在門的上方為上送式，同理，安裝在門下部時為下送式，在門的側(cè)面安裝時為側(cè)送式，側(cè)送式又有單側(cè)和雙側(cè)送兩種。因單側(cè)式管路較雙側(cè)式短，可在一定程度上節(jié)約成本，又因安裝簡便，阻礙外界冷空氣效果比較明顯，且緩傾斜煤層開始時出風口不容易被雜物堵塞，通風衛(wèi)生條件比較好，故本噴淋裝置采用單側(cè)式管路布置在門軸的門框上。

3.2 管路結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了保證氣幕噴淋裝置的密閉性，本工程擬采用可均勻送風的變風口等截面管路，由于此處對通風系統(tǒng)的出風速度要求不高，故采用進風口風速相同而出風口因截面變化而出風速度不同的管路結(jié)構(gòu)形式。變風口等截面均勻送風管道的計算模型如圖3所示。

圖3 變風口等截面管道模型圖

模型設(shè)定管道采用圓形截面，各孔口等間距布置，第i+1孔孔口截面計算如下式所示：

式中：

Q0-系統(tǒng)最小供風量，L；

n-孔口數(shù)，個；

υi+1-孔口風速，m/s。

而孔口風速 可由下式計算得到：

其中：

μ-孔口流量系數(shù)，假設(shè)為常量；

ρ-空氣密度，kg/m3；

Pi+1-第 孔空氣靜壓，Pa。

將相鄰孔間能量方程帶入式（3）、（4），可得到如下方程：

式中：

λ-阻力系數(shù)，此處假設(shè)為常量；

d-管路直徑，m；

l-管路長度，m；

A-管路斷面積，m2。

4 工程應(yīng)用及結(jié)論

該緊急避難硐室的氣幕噴淋裝置管路采用Φ18mm的鋼管，由硐室門高確定管長為1.2m，各孔口間距取900mm，由以上計算得出第2～13孔的孔徑如下表1所示。

氣幕噴淋裝置采用進風口風速相同而出風口因截面變化而出風速度不同的管路結(jié)構(gòu)形式，管路采用 18mm的鋼管，孔口間距取900mm，選取合適的孔徑，管路布置示意圖如圖4所示。

在人員通過過渡室進出緊急避難硐室后硐室內(nèi)各氣體含量穩(wěn)定，未發(fā)生急劇變化，緊急避難硐室可滿足正常使用的功能需求。

表1 孔徑計算結(jié)果表

圖4 管路布置示意圖