斜溝煤礦綜掘工作面風(fēng)筒吊掛技術(shù)研究

黃 超

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

0 引 言

礦井采掘銜接中，掘進(jìn)進(jìn)尺是重要考核指標(biāo)，為了提高掘進(jìn)進(jìn)尺，各大煤炭集團(tuán)開(kāi)始采用長(zhǎng)距離快速掘進(jìn)技術(shù)，其中掘進(jìn)工作面通風(fēng)為通風(fēng)管理中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)[1-2]。根據(jù)每年的事故統(tǒng)計(jì)，因掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)發(fā)生非計(jì)劃的停電停風(fēng)、風(fēng)筒被刮碎斷開(kāi)等，導(dǎo)致掘進(jìn)工作面發(fā)生微風(fēng)、無(wú)風(fēng)，而引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸事故占比達(dá)到78%以上[3-4]。近些年來(lái)隨著科技發(fā)展，長(zhǎng)距離快速掘進(jìn)技術(shù)得到快速發(fā)展，大功率局部通風(fēng)機(jī)[5]、變頻局部通風(fēng)機(jī)[6]得到了極大發(fā)展，很好的解決了長(zhǎng)距離巷道的通風(fēng)難題，但由于各煤田、各礦區(qū)的煤層賦存條件不同，對(duì)于長(zhǎng)度3 500 m 以上的掘進(jìn)工作面，長(zhǎng)距離快速掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)問(wèn)題限制了掘進(jìn)速度，本文提出風(fēng)筒吊掛動(dòng)態(tài)延伸技術(shù)以解決此難題[7]。

1 礦井概況

山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司斜溝煤礦18106 材料巷掘進(jìn)工作面屬于單巷快速掘進(jìn)巷道，材料巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)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。快速掘進(jìn)系統(tǒng)主要包括全斷面掘進(jìn)機(jī)、十臂錨桿機(jī)、邁步式自移機(jī)尾、轉(zhuǎn)載機(jī)組成，具體如圖1 所示。

圖1 風(fēng)筒吊掛技術(shù)方案示意

在試運(yùn)行快速掘進(jìn)系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)：由于十臂錨桿機(jī)到掘進(jìn)工作面迎頭這段巷道缺少有效支護(hù)，同時(shí)這段巷道距離隨著掘進(jìn)隨時(shí)變化，加之錨桿機(jī)笨重、體積龐大，難以進(jìn)行吊掛和前移除塵風(fēng)筒，導(dǎo)致風(fēng)筒末端到掘進(jìn)工作面迎頭15 m 距離內(nèi)出現(xiàn)微風(fēng)、無(wú)風(fēng)，為了解決這一重大通風(fēng)隱患，提出工作面風(fēng)筒吊掛動(dòng)態(tài)延伸技術(shù)。

2 風(fēng)筒吊掛技術(shù)研究

2.1 設(shè)計(jì)方案

通過(guò)觀察井下實(shí)際情況，決定利用恒力液壓絞車鋼絲繩預(yù)緊裝置來(lái)吊掛風(fēng)筒，動(dòng)力來(lái)源為錨桿機(jī)液壓系統(tǒng)，首先在掘進(jìn)機(jī)和十臂錨桿機(jī)以及轉(zhuǎn)載機(jī)和十臂錨桿機(jī)吊掛好鋼絲繩，接著利用2 輛恒力液壓絞車進(jìn)行拉緊鋼絲繩，借助恒力液壓絞車達(dá)到自動(dòng)伸縮前移風(fēng)筒的目的，利用滑輪和風(fēng)筒吊環(huán)將風(fēng)筒懸掛在鋼絲繩上，具體操作如圖1 所示。此設(shè)計(jì)的好處是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)（風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口上部）固定好恒力液壓絞車，在掘進(jìn)機(jī)后部固定好絞車的另一端鋼絲繩，隨著掘進(jìn)進(jìn)尺的不斷增大，液壓絞車根據(jù)掘進(jìn)機(jī)與錨桿機(jī)之間的距離，自動(dòng)收縮、放開(kāi)鋼絲繩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)筒隨著掘進(jìn)機(jī)而自動(dòng)伸縮，將10 節(jié)長(zhǎng)度5 m 的風(fēng)筒懸掛在鋼絲繩上，可達(dá)到400 kg 的重量，受力載荷平均分布，滿足風(fēng)筒長(zhǎng)度隨著掘進(jìn)機(jī)與錨桿機(jī)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(xué)模型簡(jiǎn)化。鋼絲繩上存在均布載荷q作用，主要由鋼絲繩、風(fēng)筒、滑輪的重力3 部分組成。圖3 為力學(xué)模型簡(jiǎn)化后的情形。

圖3 力學(xué)模型

3）參數(shù)計(jì)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(jìn)行計(jì)算，得到撓度是0.5 m，圖4 為幾何模型。

圖4 簡(jiǎn)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(duì)x進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算，在右端x=50 位置得到切向角α=2.29°。結(jié)合材料力學(xué)理論，得到：

式中：Fs為鋼絲繩所受向力，N；q為單位長(zhǎng)度重力，N/m。

根據(jù)靜力關(guān)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(fēng)筒單位長(zhǎng)度重力，則q1=78.4 N/m；q2為鋼絲繩單位長(zhǎng)度重力，取鋼絲繩公稱直徑D=13 mm，q2=9.31 N/m。

計(jì)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(qiáng)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(jì)算發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求；根據(jù)液壓絞車數(shù)據(jù)，因風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)端和出風(fēng)端都連接在大型采掘機(jī)械上，自身將負(fù)擔(dān)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(shù)

結(jié)合斜溝煤礦18106 材料巷長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)狀況，為保證有效進(jìn)尺、工作面風(fēng)量充足，提高工作面的除塵效果，設(shè)計(jì)一種風(fēng)筒吊掛工藝。

1）可伸縮風(fēng)筒吊掛技術(shù)。在錨桿機(jī)兩側(cè)實(shí)施可伸縮風(fēng)筒吊掛技術(shù)，具體如圖5 所示。將2 臺(tái)恒力液壓絞車分別安設(shè)于錨桿機(jī)兩端鐵皮風(fēng)筒正上方，絞車鋼絲繩的另一端分別固定于掘進(jìn)機(jī)后部和轉(zhuǎn)載機(jī)上。要求錨桿機(jī)前方安設(shè)的絞車滾筒軸的中心高于鐵皮風(fēng)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(huì)磨損破壞風(fēng)筒，同時(shí)需要使用舊皮帶保護(hù)鐵皮風(fēng)筒與柔性風(fēng)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(shè)導(dǎo)繩裝置。

圖5 風(fēng)筒吊掛工藝

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

2）轉(zhuǎn)載機(jī)上方固定段風(fēng)筒吊掛。將吊掛風(fēng)筒的支架安設(shè)在轉(zhuǎn)載機(jī)上，每個(gè)支架相距約1.3 m，用橫梁連接相鄰2 個(gè)支架，要保證橫梁長(zhǎng)度超過(guò)支架間距0.5 m 以上，避免在移動(dòng)轉(zhuǎn)載機(jī)時(shí)由于巷道底板凹凸不平導(dǎo)致橫梁發(fā)生脫落。在支架的橫梁上懸掛除塵風(fēng)機(jī)固定段風(fēng)筒，要求懸掛風(fēng)筒時(shí)，逢環(huán)必掛。

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

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

結(jié)合設(shè)計(jì)方案，自主加工快速掘進(jìn)系統(tǒng)的風(fēng)筒吊掛成套裝置，在工業(yè)廣場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行成功后，于2020 年10 月1-30 日在斜溝煤礦 18106 材料巷掘進(jìn)工作面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。為考察除塵效果，制定風(fēng)速、粉塵濃度2 個(gè)重要考核指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方案。由于十臂錨桿機(jī)與掘進(jìn)機(jī)這段區(qū)域有效空間較小，難以進(jìn)行測(cè)風(fēng)，選定壓入式與抽出式風(fēng)筒重疊區(qū)域作為測(cè)風(fēng)地點(diǎn)。通過(guò)粉塵濃度變化情況來(lái)間接代表十臂錨桿機(jī)與掘進(jìn)機(jī)這段區(qū)域的風(fēng)速情況。

3.1 測(cè)定風(fēng)速

快速掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行正常之后，指派專職測(cè)風(fēng)員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)10 月1 日-10 日的風(fēng)速數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，圖6 為這10 d 的風(fēng)速變化情況。

圖6 風(fēng)速變化

由圖6 發(fā)現(xiàn)，壓入式與抽出式風(fēng)筒重疊地點(diǎn)的風(fēng)速穩(wěn)定在0.25～0.6 m/s，無(wú)微風(fēng)、無(wú)風(fēng)現(xiàn)象，符合規(guī)定要求。

3.2 測(cè)定粉塵濃度

快速掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行正常之后，指派專職測(cè)塵人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)粉塵濃度結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 粉塵濃度測(cè)定

從表1 發(fā)現(xiàn)：實(shí)施風(fēng)筒吊掛動(dòng)態(tài)延伸技術(shù)后，18106 材料巷掘進(jìn)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(dāng)煤塵中游離SiO2含量小于10 %時(shí)，總塵濃度不得超過(guò)4 mg/m3，呼塵濃度不得超過(guò)2.5 mg/m3”，因此18106 材料巷掘進(jìn)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(jìn)工作面實(shí)施風(fēng)筒吊掛動(dòng)態(tài)延伸技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：掘進(jìn)工作面附近風(fēng)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(zhǎng)距離快速掘進(jìn)風(fēng)筒吊掛技術(shù)的成功應(yīng)用，明顯提高了掘進(jìn)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(jì)效益。