秦憲禮，　白楓桐，　劉永立，　劉新蕾，　董長吉

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

單巷長距離快速掘進通風系統(tǒng)風筒吊掛技術

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 安全工程學院，哈爾濱150022；2.神華神東煤炭集團有限公司，內(nèi)蒙自治區(qū) 鄂爾多斯719315；3.黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院，哈爾濱 150022；4.黑龍江科技大學 瓦斯等烴氣輸運管網(wǎng)安全基礎研究國家級專業(yè)中心實驗室，哈爾濱150022）

神華煤炭集團大柳塔煤礦單巷長距離快速掘進系統(tǒng)因通風系統(tǒng)不合理造成工作面除塵效果不佳，掘進機司機工位處粉塵濃度超標。針對這一問題，提出一種基于風筒吊掛動態(tài)延伸技術的解決方案。根據(jù)恒力液壓絞車鋼絲繩預緊風筒吊掛裝置的結構與工作原理，建立風筒吊掛受力數(shù)學模型，計算得鋼絲繩最小破斷拉力F0為150 kN，安全系數(shù)為2.73?？紤]防風筒吸癟、絞車夾繩等關鍵技術，設計風筒吊掛工藝?，F(xiàn)場實驗表明，該裝置能夠適應快速掘進系統(tǒng)，有效改善掘進工作面的通風狀況，降低掘進機司機工位處粉塵濃度達50%以上。

掘進通風；快速掘進系統(tǒng)；風筒吊掛；長距離；動態(tài)延伸

掘進通風一直是“一通三防”管理的重點和難點。在我國煤礦事故統(tǒng)計中，由于局部通風機停電停風、風筒破損斷裂，造成掘進工作面風量不足或無風，巷道風速偏低，引起的瓦斯、煤塵爆炸事故占煤礦同類事故的80%以上［1-2］。從我國目前的通風裝備、各礦區(qū)的地質狀況以及煤層的條件（瓦斯及其他有害氣體含量）來看，有關長距離、大斷面巷道掘進通風技術的研究和應用尚不十分深入，掘進通風距離一般在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通風技術開展研究［3］。神華煤炭集團大柳塔煤礦52501工作面除塵效果不佳，掘進機司機工位處（十臂錨桿機操作平臺上）粉塵濃度嚴重超標。為此，筆者提出風筒吊掛動態(tài)延伸技術，以期解決上述問題。

1　工程概況

神華煤炭集團大柳塔煤礦52501工作面為單巷快速掘進，設計長度4 849 m。單巷快速掘進系統(tǒng)由全斷面掘進機、十臂錨桿機、皮帶轉載機、邁步式自移機尾等組成［4］，如圖1所示。在系統(tǒng)調(diào)試運行中發(fā)現(xiàn)，因十臂錨桿機至工作面端頭屬無支護區(qū)，且距離隨時變化，錨桿機體積又十分龐大，無法人工架設和拆移除塵風筒，造成抽出式除塵風筒吸風口遠離工作面端頭，距離達40 m，使得工作面除塵效果不佳，掘進機司機工位處（十臂錨桿機操作平臺上）粉塵濃度嚴重超標，作業(yè)視線受阻，存在巨大安全隱患。

圖1　風筒吊掛技術方案Fig.1 Ram hanging technical solution schemes

2　風筒吊掛方案與工藝

風筒吊掛動態(tài)延伸技術是將當前設置在十臂錨桿機上的除塵風筒延伸至全斷面掘進機上，并使延伸的風筒適應全斷面掘進機的移動作業(yè)。技術關鍵是風筒吊掛方案及工藝。

2.1風筒吊掛方案

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

2.2風筒吊掛裝置受力數(shù)學模型

2.2.1工作原理

液壓絞車固定在十臂錨桿機鐵質風筒入風端口上方，另一端鋼絲繩固定在掘進機護頂上，隨著掘進機和錨桿機間距的變化，液壓絞車鋼絲繩自動纏繞張緊，鋼絲繩上吊掛10節(jié)5 m長的螺旋鋼風筒，總重量以400 kg計算，載荷均勻分布，可伸縮的風筒長度與掘進機和錨桿機間距同步變化。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)學模型

風筒吊掛技術實現(xiàn)的關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，需要建立風筒吊掛裝置的受力數(shù)學模型［5-8］，計算出相關參數(shù)。對于單一鋼絲繩上的均勻分布載荷q（N/m），它包括風筒、鋼絲繩及滑輪的重力三部分。簡化后的力學模型見圖3。

圖3　簡化力學模型Fig.3 Simplified mechanical model

2.2.3力學模型計算

根據(jù)圖3所示簡化的力學模型和工作負荷，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

以水平方向為x軸，以豎直方向為y軸，交點為原點，建立如圖4所示的直角坐標系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，計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求一階導數(shù)，由右端點x=50處tan α=0.04，可得切向角α=2.29°。

根據(jù)材料力學相關知識，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。

靜力關系：

式中：τ——切向力，N。

聯(lián)立式（2）、（3）得

式中：Gq=Gq1+Gq2；

Gq1——風筒單位長度重力，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)計算，τ=55 kN。

鋼絲繩最小破斷拉力［10］計算式為

式中：F0——鋼絲繩最小破斷拉力，kN；

σt——鋼絲繩公稱抗拉強度，σt=960 MPa；

K'——鋼芯鋼絲繩的最小破斷拉力系數(shù)，K'= 0.490。

計算得，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)風筒吊掛裝置受力數(shù)學模型，參照GB/T 20118—2006《一般用途鋼絲繩》標準［10］，安全系數(shù)＞2.0，因此，選取鋼芯鋼絲繩，直徑13 mm。因風筒兩端固定在十臂錨桿機和掘進機上，風筒自身可以承受大部分因自身重力所產(chǎn)生的拉力，所以可以適當減少液壓絞車的拉力。參照液壓絞車相關參數(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風筒吊掛工藝

為了確保安全生產(chǎn)，滿足局部通風需要，改善工作面通風狀況和除塵效果，解決掘進機司機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局部通風的實際情況，設計抽出式除塵風機風筒的吊掛工藝。具體工藝如下：

（1）十臂錨桿機前后伸縮段負壓風筒吊掛

十臂錨桿機前后伸縮段負壓風筒吊掛方式如圖5所示。在十臂錨桿機前、后端鐵質風道正上方各設置恒力液壓絞車一臺，恒力液壓絞車鋼絲繩自由端應分別固定在自移式轉載機和掘進機上特制的固定支架上。恒力液壓絞車滾筒軸中心應比鐵質風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磨損風筒，并在鐵皮風筒和柔性風筒連接處上方用皮帶等材料保護。恒力液壓絞車必須設置導繩裝置，防止絞車夾繩將鋼絲繩拉斷。

圖5　伸縮段負壓風筒吊掛方式示意Fig.5 Expansion period negative pressure ram schematic hanging way

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

圖6　十臂錨桿機前、后負壓風筒吊掛效果Fig.6 Anchor machine ten arms hanging suction duct before and after rendering

（2）轉載機上固定段風筒吊掛

自移式轉載機上設置懸掛風筒的支架，支架間隔約1.3 m，支架和支架采用橫梁連接，橫梁長度應至少比支架間隔長0.5 m，防止轉載機移動時因底板不平橫梁脫落。濕式除塵風機固定段風筒吊掛在支架的橫梁上，風筒吊掛必須逢環(huán)必掛。

（3）掘進機上方固定段風筒吊掛

如果掘進機上方空間允許，將φ800 mm風筒直接延伸至掘進面前端 （如果掘進機前端有集塵器，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。如果掘進機上方空間有限，φ800 mm風筒不能直接延伸至掘進面前端，則掘進機上方吊掛一個鐵皮變徑，將φ800 mm風筒變?yōu)棣?00 mm，用φ600 mm風筒延伸至掘進面前端。風筒吊掛必須逢環(huán)必掛，掘進機上負壓風筒吊掛效果如圖7所示。

圖7　掘進機上負壓風筒吊掛效果Fig.7 Negative pressure ram hang rendering machine

3　工業(yè)應用與分析

根據(jù)設計方案，進行風筒吊掛成套裝置的加工制作，在完成地面聯(lián)機調(diào)試后，2014年8月1～30日在大柳塔井52501綜掘工作面進行現(xiàn)場應用。為了檢驗現(xiàn)場應用效果，設計了以粉塵濃度為主要檢測參數(shù)的現(xiàn)場實測方案。根據(jù)系統(tǒng)布置情況，選取十臂錨桿機上前方左側、十臂錨桿機上后方中間、壓入和除塵風筒重疊段等六處位置作為測塵地點，對比風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為全塵質量濃度，ρS為呼塵質量濃度。

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

采用風筒吊掛技術后，除“十臂錨桿機上前方左側”最高全塵濃度大于10 mg/m3，超出規(guī)程規(guī)定外，其他各測點的全塵和呼塵濃度均符合規(guī)程規(guī)定［11］（當粉塵中游離SiO2質量分數(shù)小于10%時，《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）。分析認為，十臂錨桿機上前方左側測點位置存在回風渦流，易積聚粉塵。對比采用風筒吊掛技術前后各測點數(shù)據(jù)，掘進機司機工位處（十臂錨桿機上后方中間）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。除濕式除塵風機出風口和濕式除塵風機出風口前12～15 m處兩個點外，其他地點全塵和呼塵濃度均大幅下降，降幅達40%以上，分析認為，上述兩個測點粉塵濃度增大是由于除塵風筒延伸后吸風流含塵量增大所致。

4　結束語

將風筒吊掛動態(tài)延伸技術應用于52501回順致謝：

掘進工作面的快速掘進系統(tǒng)后，經(jīng)過兩個月的現(xiàn)場跟蹤測定，結果顯示工作面作業(yè)環(huán)境能見度明顯改善，掘進機司機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通風系統(tǒng)風筒吊掛技術在大柳塔井成功應用，解決了目前長距離單巷快速掘進通風除塵難題，有效改善快速掘進工作面勞動條件，創(chuàng)造了良好的施工環(huán)境，具有很好的應用、推廣前景。

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

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

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（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，E-mail：xlqin5878@sina.com。