單巷長距離快速掘進(jìn)通風(fēng)除塵技術(shù)研究

秦憲禮，云 昊，沈 斌，劉永立

(1. 黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高校采礦工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

單巷長距離快速掘進(jìn)通風(fēng)除塵技術(shù)研究

秦憲禮1，云 昊1，沈 斌1，劉永立2

(1. 黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高校采礦工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

神華神東公司大柳塔礦單巷長距離全斷面快速掘進(jìn)系統(tǒng)因機械化程度高，掘進(jìn)速度快，存在風(fēng)量不合理、粉塵大等安全隱患，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研、理論分析和數(shù)值模擬，提出了適合大柳塔礦的“長壓短抽”通風(fēng)方式，采用了基于風(fēng)筒自動伸縮的吊掛延伸技術(shù)，選定了壓入風(fēng)機型號為FBDY№8/2×75kW，濕式除塵風(fēng)機型號為KCS-700D。試驗表明，該方式成功解決了工作面微風(fēng)，粉塵大等問題，使工作面風(fēng)速風(fēng)量滿足規(guī)程規(guī)定，工作面粉塵濃度平均降低50%以上，保證了掘進(jìn)工作安全高效。

掘進(jìn)通風(fēng)；長壓短抽；風(fēng)流分布；粉塵濃度；動態(tài)延伸

近年來，隨著安全高效現(xiàn)代化大型礦井建設(shè)的迅猛發(fā)展，高效快速掘進(jìn)設(shè)備越來越多的應(yīng)用于煤炭生產(chǎn)中。部分礦井通過應(yīng)用單巷長距離全斷面快速掘進(jìn)技術(shù)來提高生產(chǎn)效率，由于快速掘進(jìn)系統(tǒng)自身特點，導(dǎo)致掘進(jìn)工作面風(fēng)量較難滿足《煤礦安全規(guī)程》要求，作業(yè)環(huán)境粉塵問題非常嚴(yán)重等問題，給安全生產(chǎn)帶來重大隱患，因此有必要就單巷全斷面高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)通風(fēng)除塵技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 工程概況

神東大柳塔井52501掘進(jìn)面為單巷快速掘進(jìn)工作面，設(shè)計長度4850m，斷面面積25.2m，平均日進(jìn)尺約100m，單巷快速掘進(jìn)系統(tǒng)由掘進(jìn)機、錨桿機、自移式膠帶機等設(shè)備組成，掘、裝、支、運平行作業(yè)，可完成全部掘進(jìn)和錨護(hù)工作，如圖1所示。

壓入式風(fēng)機選用FBDY№7.5/2×55kW對旋軸流式變頻通風(fēng)機，風(fēng)筒直徑Φ1200mm，壓入式風(fēng)機的風(fēng)筒出口架設(shè)在十臂錨桿鉆車后端。抽出式除塵風(fēng)機選用KCS-700D濕式除塵風(fēng)機，采用柔性骨架風(fēng)筒，風(fēng)筒直徑Φ800mm，風(fēng)筒吸風(fēng)口架設(shè)在十臂錨桿鉆車前端2m左右，距所掘煤壁約40m。

在當(dāng)前“長壓短抽”通風(fēng)方式下，存在錨桿機前端40m范圍內(nèi)無風(fēng)微風(fēng)，使得掘進(jìn)面通風(fēng)除塵效果不佳，粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)，且作業(yè)視線受阻。由于錨桿機的相對移動，錨桿機后端的柔性骨架風(fēng)筒經(jīng)常出現(xiàn)吸癟和落地磨損現(xiàn)象。同時隨著工作面推進(jìn)，壓入式風(fēng)筒與抽出式風(fēng)筒重疊段風(fēng)速經(jīng)常出現(xiàn)不滿足最低風(fēng)速要求的時段[1-3]，存在巨大安全隱患。

1-掘進(jìn)機；2-破碎機；3-錨桿機；4-邁步式自移膠帶機； 5-除塵風(fēng)機；6-壓入式風(fēng)筒；7-可伸縮骨架風(fēng)筒；8-鐵質(zhì)風(fēng)道圖1 快速掘進(jìn)系統(tǒng)示意圖

2 掘進(jìn)面通風(fēng)方式改進(jìn)

獨頭巷道常用的通風(fēng)方式有壓入式、抽出式和長壓短抽式。針對三種通風(fēng)方式，依據(jù)大柳塔52501綜掘工作面的實際尺寸，應(yīng)用FLUENT自帶的前處理軟件GAMBIT建立了綜掘工作面長壓短抽通風(fēng)的物理模型[4]，求解了質(zhì)量守恒連續(xù)方程，動量方程以及能量方程[5-6]，并用FLUENT計算流體力學(xué)軟件對長距離大斷面掘進(jìn)工作面風(fēng)流場及粉塵濃度分布場進(jìn)行三維數(shù)值模擬。其模擬結(jié)果見圖2。根據(jù)模擬結(jié)果，三種通風(fēng)方式分析對比見表1。

根據(jù)以上分析比較，掘進(jìn)面的通風(fēng)方式仍需采用“長壓短抽”，但除塵風(fēng)機風(fēng)筒需延伸到掘進(jìn)機前端且錨桿機前后一段長度的風(fēng)筒要能夠自動伸縮，以解決錨桿機前至煤壁40m無支護(hù)區(qū)范圍內(nèi)風(fēng)筒架設(shè)和拆移、錨桿機前端40m范圍內(nèi)無風(fēng)微風(fēng)、粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)等問題。

圖2 三種通風(fēng)方式下的風(fēng)速分布和粉塵分布云圖

表1 單巷快速掘進(jìn)通風(fēng)除塵方式比較

通風(fēng)除塵方式風(fēng)機風(fēng)筒設(shè)置方法優(yōu)點缺點壓入式風(fēng)機設(shè)在掘進(jìn)巷道的進(jìn)風(fēng)巷中，采用柔性風(fēng)筒延伸到掘進(jìn)機前端，采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量大小①通風(fēng)系統(tǒng)簡單，環(huán)節(jié)少，易于管理；②風(fēng)速容易符合《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定；③工作面不存在無風(fēng)和循環(huán)風(fēng)問題①錨桿機前方約40m范圍內(nèi)屬無支護(hù)區(qū)，無法拆接風(fēng)筒；②工作面回風(fēng)流經(jīng)整個巷道，工作面粉塵濃度高抽出式風(fēng)機設(shè)在掘進(jìn)巷道的回風(fēng)巷中，采用柔性骨架風(fēng)筒延伸到掘進(jìn)機前端①通風(fēng)系統(tǒng)簡單，環(huán)節(jié)少，易于管理；②工作面含塵風(fēng)流經(jīng)風(fēng)筒排出巷道，解決工作面粉塵問題；③工作面不存在無風(fēng)和循環(huán)風(fēng)問題；④除塵效果較好①風(fēng)機需設(shè)置噴霧除塵系統(tǒng)；②對長距離通風(fēng)無適合風(fēng)機可選；③抽出式通風(fēng)的有效吸程較壓入式通風(fēng)的有效吸程要小；④不符合《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定長壓短抽式壓入式風(fēng)機設(shè)在掘進(jìn)巷道的進(jìn)風(fēng)巷中，采用柔性風(fēng)筒延伸到錨桿機后方，采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量大小；除塵風(fēng)機設(shè)在自移膠帶機尾，采用柔性骨架風(fēng)筒延伸到掘進(jìn)機前端①錨桿機作業(yè)處風(fēng)流流向工作面前端，經(jīng)除塵風(fēng)筒排出；②符合《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定；③錨桿機位于壓入風(fēng)筒出口射流范圍內(nèi)有利于錨桿機散熱①需要匹配正壓風(fēng)機和除塵風(fēng)機，以滿足通風(fēng)除塵需要；②通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，環(huán)節(jié)多

3 風(fēng)筒延設(shè)方案及工藝

根據(jù)大柳塔井單巷長距離快速掘進(jìn)面的實際情況，壓入式風(fēng)機和除塵風(fēng)機及其風(fēng)筒的延設(shè)方法(圖3)[7]。壓入式風(fēng)機設(shè)置在掘進(jìn)工作面的進(jìn)風(fēng)巷中特制的鋼支架上，正壓風(fēng)筒吊掛在巷道負(fù)幫(或正幫)頂板處。風(fēng)筒的固定是利用頂板上靠近煤幫錨桿托盤，用8#鐵線穿過風(fēng)筒吊環(huán)，每隔10 m將鐵線固定在錨桿托盤上，延設(shè)至錨桿機后10～25m，隨掘進(jìn)機掘進(jìn)及時延伸。

除塵風(fēng)機使用水可循環(huán)利用的自制水箱進(jìn)行濕式除塵。風(fēng)機放在水箱之上。水箱和風(fēng)機設(shè)在自移膠帶機尾，并隨自移膠帶機同步移動。除塵風(fēng)筒架設(shè)在自移膠帶機上，并延伸到掘進(jìn)機前端。除塵風(fēng)機風(fēng)筒分為錨桿機前、后兩段。錨桿機下部設(shè)置斷面積為0.4m2的鐵質(zhì)風(fēng)道連接錨桿機前、后風(fēng)筒。由于作業(yè)時錨桿機、掘進(jìn)機不同步，錨桿機前后風(fēng)筒必須實現(xiàn)自動伸縮，因此錨桿機前、后20m伸縮段風(fēng)筒采用恒力液壓絞車鋼絲繩預(yù)緊裝置實現(xiàn)動態(tài)延伸，即在錨桿機操作平臺前后各設(shè)置1臺恒力液壓絞車，鋼絲繩的自由端分別固定在掘進(jìn)機前端和自移膠帶機上，利用錨桿機上的液壓系統(tǒng)提供的液壓動力，拉緊鋼絲繩，實現(xiàn)風(fēng)筒的自動伸縮。風(fēng)筒通過滑輪與風(fēng)筒吊環(huán)吊掛在鋼絲繩上，如圖3所示。

圖3 錨桿機前后伸縮段除塵風(fēng)筒吊掛方式

根據(jù)風(fēng)筒吊掛裝置受力的計算結(jié)果，參照液壓絞車和鋼絲繩的相關(guān)參數(shù)，預(yù)緊絞車選IYJ2.5-15-55-13型恒力液壓同步絞車，容繩量不少于55m，鋼絲繩選用Φ13mm(1×37)鋼芯鋼絲繩。

錨桿機鐵皮風(fēng)道和前伸縮段風(fēng)筒吊掛效果如圖4所示。

圖4 錨桿機鐵皮風(fēng)道和前伸縮段風(fēng)筒吊掛效果

4 風(fēng)機選型

4.1 壓入式風(fēng)機選型

長距離大斷面掘進(jìn)工作面實現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵是加強通風(fēng)，以排出工作面的瓦斯和粉塵。根據(jù)工作面人數(shù)、CH4(CO2)涌出量、巷道最低風(fēng)速等計算得工作面需風(fēng)量(Q1)為356m3/min，取Q1為360m3/min，考慮到抽出式除塵風(fēng)機風(fēng)量為Q2=360m3/min，因此為了滿足掘進(jìn)巷道最低風(fēng)速要求，壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口需要的風(fēng)量為兩者之和，即Q=720m3/min。掘進(jìn)巷道長為4850m，實測百米漏風(fēng)率為0.5%，則壓入式風(fēng)機的工作風(fēng)量需滿足900m3/min。由于通風(fēng)距離較長，供風(fēng)量較大，風(fēng)筒應(yīng)選取直徑為Φ1200 mm正壓柔性膠質(zhì)雙反邊風(fēng)筒。經(jīng)過計算該掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機工作阻力見表2。

表2 正壓柔性風(fēng) 筒阻力計算表

查局部通風(fēng)機風(fēng)量—風(fēng)壓特性曲線[3]知，掘進(jìn)工作面局部風(fēng)機應(yīng)選用FBDY№8/2×75kW型風(fēng)機，該風(fēng)機技術(shù)參數(shù)如表3所示。

4.2 除塵風(fēng)機確定

由于除塵風(fēng)機置于自移膠帶機機尾，采用柔性骨架風(fēng)筒延設(shè)到掘進(jìn)機前端，除塵風(fēng)機能夠隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)自動前移，風(fēng)筒長度、風(fēng)機負(fù)壓相對固定不變，根據(jù)對工作面使用的KCS-700D濕式除塵風(fēng)機和直徑Φ800 mm柔性骨架風(fēng)筒的性能測定，該風(fēng)機的負(fù)壓915Pa，風(fēng)機風(fēng)量為360 m3/min，電機功率55kW，滿足工作面通風(fēng)除塵要求，故不需改變。

5 工業(yè)應(yīng)用及分析

根據(jù)方案，大柳塔礦52301掘進(jìn)工作面完成了一系列的整改，并依據(jù)系統(tǒng)布置情況，選取了風(fēng)量風(fēng)速的4個測點，粉塵濃度的5處測點。與未用該整改方案的52307掘進(jìn)工作面進(jìn)行對比，其工作面4000m時風(fēng)量風(fēng)速分布和全程粉塵濃度測定數(shù)據(jù)如表4～5所示。

表3 FBDY-№8.0/2×75 kW風(fēng)機技術(shù)參數(shù)表

表4 綜掘工作面掘進(jìn)4000m時巷道風(fēng)速測量數(shù)據(jù)表

表5 綜掘工作面粉塵濃度測量數(shù)據(jù)表

據(jù)表4可得，52307工作面前端存在無風(fēng)微風(fēng)、風(fēng)筒重疊段存在微風(fēng)的情況，易集聚瓦斯，風(fēng)速不能滿足規(guī)程要求，52501工作面因除塵風(fēng)筒延伸到掘進(jìn)機前端，并采用FBDY-№8.0/2×75 kW變頻風(fēng)機向工作面供風(fēng)，其風(fēng)量風(fēng)速完全滿足規(guī)程規(guī)定。

據(jù)表5可得，52501掘進(jìn)面除錨桿機上前方左側(cè)因回風(fēng)渦流，粉塵積聚，全塵濃度最高達(dá)到12.98 mg/m3超出規(guī)程規(guī)定外(《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定當(dāng)粉塵中游離SiO2含量小于10%時，全塵濃度小于10mg/m3，呼塵濃度小于3.5mg/m3)[11]。其他各測點其他地點的全塵濃度為0.00～9.34mg/m3，呼塵濃度為為0.00～3.2mg/m3對比52307綜掘工作面，全塵和呼塵濃度均大幅下降，降幅達(dá)50%以上，低于《煤礦安全規(guī)程》的要求，除塵效果達(dá)到神東掘進(jìn)工作面有史以來的最好水平。

6 結(jié)論

1)通過使用FLUENT建模，對“長距離，大斷面”的巷道進(jìn)行風(fēng)流場及粉塵分布場模擬，以及三種通風(fēng)方式比較可得出，長壓短抽式通風(fēng)較壓入式和抽出式通風(fēng)更具有優(yōu)勢：可保證掘進(jìn)工作面端頭的供風(fēng)及除塵。

2)整改前的52501綜采工作面的FBDY№7.5/2×55kW型風(fēng)機能力不足，無法為工作面提供有效的供風(fēng)及除塵的能力，應(yīng)選用FBDY№7.5/2×75kW型風(fēng)機。

3)為使抽出式風(fēng)筒能延伸到掘進(jìn)工作面端頭，采用風(fēng)筒吊掛延伸技術(shù)，從而解決了錨桿機至掘進(jìn)機之間無支護(hù)區(qū)以及錨桿機后端的風(fēng)筒吊掛及自動伸縮問題。

4)通過對大柳塔52501綜掘工作面的改進(jìn)完成，標(biāo)志著長距離單巷快速掘進(jìn)存在的通風(fēng)除塵難題得到有效解決。目前此研究成果已在神東礦區(qū)推廣應(yīng)用。

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Research into dust control technology of single lane long quick tunneling ventilation system

QIN Xianli1, YUN Hao1, SHEN Bin1, LIU Yongli2

(1.School of Safety Engineering & Technology, Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022, China; 2.Key Laboratory of Mining Engineering of Heilongjiang Province College， Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

There are unreasonable amount of air, dusts and other security risks in Shenhua Shen Dong corporation’s Daliuta mine, where fast driving system of full section is single lane and long distance.“FPNA”(far pressing near absorption ventilation)suitable for Daliuta mine, is proposed in this paper after field investigation, theoretical analysis and numerical simulation. Hanging extension technology based on automatic telescopic duct is adopted in this paper. The press in fan model is FBDY№8/2×75kW, and wet type dust fan model is KCS-700D. Test results show that the methods proposed can successfully solve the problems of working face wind and large amount dust. As a result, the working surface wind speed and wind flow can meet the regulations, at the same time, the average dust concentration of the working surface will be reduced by more than 50%, which ensures the safety and high efficiency of tunneling work.

ventilation; far pressing near absorption ventilation; airflow distribution; dust concentration; dynamic extension

2016-05-03

神華科技創(chuàng)新項目資助(編號：201491548076)

秦憲禮(1963-)，男，山東乳山人，教授，研究方向為礦山安全技術(shù),E-mail：xlqin5878@sina.com。

TD262

A

1004-4051(2017)01-0104-04