单巷长距离快速掘进通风系统风筒吊挂技术

秦宪礼，　白枫桐，　刘永立，　刘新蕾，　董长吉

（1.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨150022；2.神华神东煤炭集团有限公司，内蒙自治区 鄂尔多斯719315；3.黑龙江科技大学 矿业工程学院，哈尔滨 150022；4.黑龙江科技大学 瓦斯等烃气输运管网安全基础研究国家级专业中心实验室，哈尔滨150022）

单巷长距离快速掘进通风系统风筒吊挂技术

秦宪礼1，白枫桐2，刘永立3，刘新蕾4，董长吉3

（1.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨150022；2.神华神东煤炭集团有限公司，内蒙自治区 鄂尔多斯719315；3.黑龙江科技大学 矿业工程学院，哈尔滨 150022；4.黑龙江科技大学 瓦斯等烃气输运管网安全基础研究国家级专业中心实验室，哈尔滨150022）

神华煤炭集团大柳塔煤矿单巷长距离快速掘进系统因通风系统不合理造成工作面除尘效果不佳，掘进机司机工位处粉尘浓度超标。针对这一问题，提出一种基于风筒吊挂动态延伸技术的解决方案。根据恒力液压绞车钢丝绳预紧风筒吊挂装置的结构与工作原理，建立风筒吊挂受力数学模型，计算得钢丝绳最小破断拉力F0为150 kN，安全系数为2.73。考虑防风筒吸瘪、绞车夹绳等关键技术，设计风筒吊挂工艺。现场实验表明，该装置能够适应快速掘进系统，有效改善掘进工作面的通风状况，降低掘进机司机工位处粉尘浓度达50%以上。

掘进通风；快速掘进系统；风筒吊挂；长距离；动态延伸

掘进通风一直是“一通三防”管理的重点和难点。在我国煤矿事故统计中，由于局部通风机停电停风、风筒破损断裂，造成掘进工作面风量不足或无风，巷道风速偏低，引起的瓦斯、煤尘爆炸事故占煤矿同类事故的80%以上［1-2］。从我国目前的通风装备、各矿区的地质状况以及煤层的条件（瓦斯及其他有害气体含量）来看，有关长距离、大断面巷道掘进通风技术的研究和应用尚不十分深入，掘进通风距离一般在1 000～2 000 m之间，因此，亟需对2 000 m以上全断面长距离掘进通风技术开展研究［3］。神华煤炭集团大柳塔煤矿52501工作面除尘效果不佳，掘进机司机工位处（十臂锚杆机操作平台上）粉尘浓度严重超标。为此，笔者提出风筒吊挂动态延伸技术，以期解决上述问题。

1　工程概况

神华煤炭集团大柳塔煤矿52501工作面为单巷快速掘进，设计长度4 849 m。单巷快速掘进系统由全断面掘进机、十臂锚杆机、皮带转载机、迈步式自移机尾等组成［4］，如图1所示。在系统调试运行中发现，因十臂锚杆机至工作面端头属无支护区，且距离随时变化，锚杆机体积又十分庞大，无法人工架设和拆移除尘风筒，造成抽出式除尘风筒吸风口远离工作面端头，距离达40 m，使得工作面除尘效果不佳，掘进机司机工位处（十臂锚杆机操作平台上）粉尘浓度严重超标，作业视线受阻，存在巨大安全隐患。

图1　风筒吊挂技术方案Fig.1 Ram hanging technical solution schemes

2　风筒吊挂方案与工艺

风筒吊挂动态延伸技术是将当前设置在十臂锚杆机上的除尘风筒延伸至全断面掘进机上，并使延伸的风筒适应全断面掘进机的移动作业。技术关键是风筒吊挂方案及工艺。

2.1风筒吊挂方案

根据现场调研、勘察，风筒吊挂采用恒力液压绞车钢丝绳预紧装置。利用锚杆机上的液压系统提供的液压动力，通过两台恒力液压绞车分别拉紧设置在十臂锚杆机和掘进机及十臂锚杆机和转载机之间的钢丝绳，靠恒力液压绞车实现风筒的自动伸缩。风筒通过滑轮与风筒吊环吊挂在钢丝绳上，如图1所示。该方案优点是原理简单，加工安装方便。

2.2风筒吊挂装置受力数学模型

2.2.1工作原理

液压绞车固定在十臂锚杆机铁质风筒入风端口上方，另一端钢丝绳固定在掘进机护顶上，随着掘进机和锚杆机间距的变化，液压绞车钢丝绳自动缠绕张紧，钢丝绳上吊挂10节5 m长的螺旋钢风筒，总重量以400 kg计算，载荷均匀分布，可伸缩的风筒长度与掘进机和锚杆机间距同步变化。液压绞车固定位置和连接方式如图2所示。

图2　绞车位置和安装方式示意Fig.2 Winch location and installation scheme

2.2.2受力数学模型

风筒吊挂技术实现的关键是钢丝绳和液压绞车的选型，必须保证钢丝绳在最大受力情况下不破断，液压绞车有足够的拉伸力，因此，需要建立风筒吊挂装置的受力数学模型［5-8］，计算出相关参数。对于单一钢丝绳上的均匀分布载荷q（N/m），它包括风筒、钢丝绳及滑轮的重力三部分。简化后的力学模型见图3。

图3　简化力学模型Fig.3 Simplified mechanical model

2.2.3力学模型计算

根据图3所示简化的力学模型和工作负荷，水平放置的钢丝绳在自重及均布载荷作用下将呈抛物线形，垂向挠度与水平距离比率为1/100，取50 m跨度计算，最大挠度为0.5 m，简化几何模型见图4。

图4　简化几何模型Fig.4 Simplified geometric model

以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴，交点为原点，建立如图4所示的直角坐标系xOy。根据钢丝绳抛物线理论的曲线方程［9］，令y=ax2+bx，该曲线过（25，0.5）和（50，0）两点，计算可得钢丝绳曲线方程:

式中：x——跨度，m；

y——挠度，m。

对式（1）中x求一阶导数，由右端点x=50处tan α=0.04，可得切向角α=2.29°。

根据材料力学相关知识，可得

式中：Fs——钢丝绳所受垂向力，N；

l——跨度，m；

Gq——单位长度重力，N/m。

静力关系：

式中：τ——切向力，N。

联立式（2）、（3）得

式中：Gq=Gq1+Gq2；

Gq1——风筒单位长度重力，N/m，Gq1=400×9.8/ 50=78.4 N/m；

Gq2——钢丝绳单位长度重力，N/m，取钢丝绳公称直径D=13 mm，Gq2=0.95×9.8=9.31 N/m。

经计算，τ=55 kN。

钢丝绳最小破断拉力［10］计算式为

式中：F0——钢丝绳最小破断拉力，kN；

σt——钢丝绳公称抗拉强度，σt=960 MPa；

K'——钢芯钢丝绳的最小破断拉力系数，K'= 0.490。

计算得，钢丝绳最小破断拉力F0=150 kN。

安全系数n：

2.3钢丝绳与恒力液压绞车选型

根据风筒吊挂装置受力数学模型，参照GB/T 20118—2006《一般用途钢丝绳》标准［10］，安全系数＞2.0，因此，选取钢芯钢丝绳，直径13 mm。因风筒两端固定在十臂锚杆机和掘进机上，风筒自身可以承受大部分因自身重力所产生的拉力，所以可以适当减少液压绞车的拉力。参照液压绞车相关参数，选取IYJ2.5-15-55-13型恒力液压同步绞车，容绳量不少于55 m。

2.4风筒吊挂工艺

为了确保安全生产，满足局部通风需要，改善工作面通风状况和除尘效果，解决掘进机司机工位处粉尘浓度超限问题，根据神东公司单巷长距离快速掘进局部通风的实际情况，设计抽出式除尘风机风筒的吊挂工艺。具体工艺如下：

（1）十臂锚杆机前后伸缩段负压风筒吊挂

十臂锚杆机前后伸缩段负压风筒吊挂方式如图5所示。在十臂锚杆机前、后端铁质风道正上方各设置恒力液压绞车一台，恒力液压绞车钢丝绳自由端应分别固定在自移式转载机和掘进机上特制的固定支架上。恒力液压绞车滚筒轴中心应比铁质风道后端最上部边缘高400 mm，以防恒力液压绞车收放钢丝绳时磨损风筒，并在铁皮风筒和柔性风筒连接处上方用皮带等材料保护。恒力液压绞车必须设置导绳装置，防止绞车夹绳将钢丝绳拉断。

图5　伸缩段负压风筒吊挂方式示意Fig.5 Expansion period negative pressure ram schematic hanging way

十臂锚杆机前、后伸缩段负压风筒均采用滑轮吊挂在钢丝绳上。为了防止风筒吸瘪，可伸缩负压风筒吊挂保证每间隔一个骨架钢圈设置一个吊挂滑轮，且用吊挂滑轮上的挂钩直接钩住风筒的骨架钢圈，不使用风筒的自带吊环吊挂。十臂锚杆机前后负压风筒吊挂效果如图6所示。

图6　十臂锚杆机前、后负压风筒吊挂效果Fig.6 Anchor machine ten arms hanging suction duct before and after rendering

（2）转载机上固定段风筒吊挂

自移式转载机上设置悬挂风筒的支架，支架间隔约1.3 m，支架和支架采用横梁连接，横梁长度应至少比支架间隔长0.5 m，防止转载机移动时因底板不平横梁脱落。湿式除尘风机固定段风筒吊挂在支架的横梁上，风筒吊挂必须逢环必挂。

（3）掘进机上方固定段风筒吊挂

如果掘进机上方空间允许，将φ800 mm风筒直接延伸至掘进面前端 （如果掘进机前端有集尘器，则连接到集尘器的后端），并吊挂在恒力液压绞车的钢丝绳上。如果掘进机上方空间有限，φ800 mm风筒不能直接延伸至掘进面前端，则掘进机上方吊挂一个铁皮变径，将φ800 mm风筒变为φ600 mm，用φ600 mm风筒延伸至掘进面前端。风筒吊挂必须逢环必挂，掘进机上负压风筒吊挂效果如图7所示。

图7　掘进机上负压风筒吊挂效果Fig.7 Negative pressure ram hang rendering machine

3　工业应用与分析

根据设计方案，进行风筒吊挂成套装置的加工制作，在完成地面联机调试后，2014年8月1～30日在大柳塔井52501综掘工作面进行现场应用。为了检验现场应用效果，设计了以粉尘浓度为主要检测参数的现场实测方案。根据系统布置情况，选取十臂锚杆机上前方左侧、十臂锚杆机上后方中间、压入和除尘风筒重叠段等六处位置作为测尘地点，对比风筒吊挂装置使用前后的效果。粉尘浓度测定数据如表1所示，其中，ρT为全尘质量浓度，ρS为呼尘质量浓度。

表1　综掘工作面粉尘浓度测量数据Table 1 Comprehensive tunneling face dus concentration measurement data tables mg/m3

采用风筒吊挂技术后，除“十臂锚杆机上前方左侧”最高全尘浓度大于10 mg/m3，超出规程规定外，其他各测点的全尘和呼尘浓度均符合规程规定［11］（当粉尘中游离SiO2质量分数小于10%时，《煤矿安全规程》要求全尘浓度小于10 mg/m3，呼尘浓度小于3.5 mg/m3）。分析认为，十臂锚杆机上前方左侧测点位置存在回风涡流，易积聚粉尘。对比采用风筒吊挂技术前后各测点数据，掘进机司机工位处（十臂锚杆机上后方中间）全尘最高浓度降低了55.0%，平均浓度降低了 51.7%；呼尘最高浓度降低了50.9%，平均浓度降低了51.1%；现场观测显示视线明显改善。除湿式除尘风机出风口和湿式除尘风机出风口前12～15 m处两个点外，其他地点全尘和呼尘浓度均大幅下降，降幅达40%以上，分析认为，上述两个测点粉尘浓度增大是由于除尘风筒延伸后吸风流含尘量增大所致。

4　结束语

将风筒吊挂动态延伸技术应用于52501回顺致谢：

掘进工作面的快速掘进系统后，经过两个月的现场跟踪测定，结果显示工作面作业环境能见度明显改善，掘进机司机工位处粉尘浓度降低了50%以上，除尘效果良好。单巷长距离快速掘进通风系统风筒吊挂技术在大柳塔井成功应用，解决了目前长距离单巷快速掘进通风除尘难题，有效改善快速掘进工作面劳动条件，创造了良好的施工环境，具有很好的应用、推广前景。

该研究得到瓦斯等烃气输运管网安全基础研究国家级专业中心实验室开放基金课题（HKDGH-20140003；HKDGH-20140008）的支持。

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（编辑荀海鑫）

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

秦宪礼（1963-），男，山东省乳山人，教授，研究方向：矿山安全技术，E-mail：xlqin5878@sina.com。