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(jìn)出口集團(tuán)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?jǐn)鄬影l(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(xiǎn)硐室主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完工，準(zhǔn)備完善配套系統(tǒng)的建設(shè)與施工。本文對(duì)八采區(qū)內(nèi)永久避險(xiǎn)硐室的氣幕噴淋裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以達(dá)到過渡室有效隔絕凈化外部有毒有害氣體、減少粉塵進(jìn)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(jì)，八采區(qū)永久避難硐室的設(shè)計(jì)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(jì)方式，硐室的大小按容納100人的生存需要計(jì)，其內(nèi)部配套設(shè)施也按此容量計(jì)，氣幕噴淋裝置在兩個(gè)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(xiǎn)硐室結(jié)構(gòu)形式圖

2 氣幕噴淋裝置及風(fēng)量計(jì)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(duì)流空氣阻隔，將生存室內(nèi)空氣維持在一個(gè)相對(duì)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(jìn)入硐室，對(duì)硐室內(nèi)新鮮空氣造成污染，因?yàn)轫鲜彝獾臍怏w一般含有害氣體比較多，且礦難發(fā)生時(shí)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(jìn)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(fēng)，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(jìn)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(fēng)路再次匯流，即兩路供氣同時(shí)由一個(gè)球閥控制，當(dāng)優(yōu)先采用的壓風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力不足或者風(fēng)路系統(tǒng)損壞時(shí)，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(chǔ)瓶的數(shù)量應(yīng)根據(jù)過渡室的空間大小、額定避險(xiǎn)人數(shù)、每人使用氣幕系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)時(shí)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(chǔ)瓶和其他設(shè)施占的面積，有效使用面積按52m2計(jì)，緊急避險(xiǎn)人員分組進(jìn)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(chǔ)氣瓶的數(shù)量由下式確定：

式中：

n-額定避險(xiǎn)人數(shù)，個(gè)；

t1-每人使用氣幕時(shí)間，一般為10～15s，按最大值15s計(jì)；

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

V流-壓縮空氣單位時(shí)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(jì)算得到：額定人數(shù)為100人的避險(xiǎn)硐室滿足噴淋系統(tǒng)及應(yīng)急需求時(shí)要求每個(gè)過渡室存放60L的儲(chǔ)氣瓶8瓶，總量為16瓶。

3 氣幕噴淋裝置管路設(shè)計(jì)

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(duì)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(shí)為下送式，在門的側(cè)面安裝時(shí)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(shí)出風(fēng)口不容易被雜物堵塞，通風(fēng)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(jì)

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(fēng)的變風(fēng)口等截面管路，由于此處對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的出風(fēng)速度要求不高，故采用進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速相同而出風(fēng)口因截面變化而出風(fēng)速度不同的管路結(jié)構(gòu)形式。變風(fēng)口等截面均勻送風(fēng)管道的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 變風(fēng)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(jì)算如下式所示：

式中：

Q0-系統(tǒng)最小供風(fēng)量，L；

n-孔口數(shù)，個(gè)；

υi+1-孔口風(fēng)速，m/s。

而孔口風(fēng)速 可由下式計(jì)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(jì)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(jìn)風(fēng)口風(fēng)速相同而出風(fēng)口因截面變化而出風(fēng)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(jìn)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(jì)算結(jié)果表

圖4 管路布置示意圖