一種風筒保護裝置在老石旦煤礦的實踐與應用

司建軍

摘要：針對掘進工作面受到褶皺、褶曲等地質構造的影響導致掘進的巷道在縱剖面上發生一定程度的彎曲，在皮帶輸送機起動拉緊的一剎那將會引發皮帶上跳從而打壞安設在其上部的風筒的實際情況研制出一種新型風筒保護裝置，并闡述了新型風筒保護裝置的工作原理和使用注意事項，在老石旦煤礦031604運輸順槽北翼掘進工作面進行了試驗應用，收到了良好的使用效果，提高了走架推溜效率，保障了工作面的安全、高效生產。

Abstract： A new type of air duct protection device is developed for the actual situation that the excavation face is affected by the geological structure such as folds， causing the roadway of the excavation to bend to a certain extent in the longitudinal section， and at the moment the belt conveyor starts to tighten， it will cause the belt to jump up and damage the air cylinder installed on the upper part. The working principle and precautions for the new type of air duct protection device are explained. In the Laoshidan coal mine 031604， the north wing excavation working face of the trough was tested and applied. It has received good results， improved the efficiency of the sliding frame， and ensured the safe and efficient production of the working face.

關鍵詞：風筒保護;裝置;實踐與應用

Key words： air duct protection;device;practice and application

中圖分類號：TD355? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0141-03

0? 引言

隨著煤礦地下開采廣度跟深度的加大，出于安全方面的考慮，我國大部分礦山采用沿煤層底板進行巷道掘進，掘進工作面的通風方式主要采用局部通風機進行獨頭通風[1]。然而由于受到褶皺、褶曲等地質構造的影響導致采用綜掘掘進的巷道在縱剖面上發生一定程度的彎曲，在皮帶輸送機起動拉緊的一剎那將會引發皮帶上跳從而打壞安設在其上部的風筒，尤其在高瓦斯以及煤與瓦斯突出礦井，為了保證安全生產，降低瓦斯超限事故的發生，礦山管理者采取了一系列的通風安全防護措施來保證風筒的安全，但是在實際工作當中仍然出現了一些問題，就目前起動皮帶運輸機引發皮帶上跳打壞風筒的問題仍然沒有一個很好的解決辦法[2]。例如，神華烏海能源公司老石旦煤礦，由于地質構造的影響使得皮帶運輸順槽呈階梯狀延伸，皮帶上跳打壞風筒的事故時有發生，尤其是在礦井技術改造的時段，通風安全顯得至關重要，這對礦山管理者提出了嚴峻的挑戰。高瓦斯礦井或者煤與瓦斯突出礦井掘進工作面瓦斯超限將會導致瓦斯事故，嚴重的甚至導致經濟受損和人員傷亡，而低瓦斯礦井如果掘進工作面供風量不足也會導致工作人員由于缺氧引發的一系列嚴重的后果。風筒是保證掘進工作面獨頭通風的主要設備之一，由于獨頭通風方式的局限性跟特殊性，保證風筒的安全使用顯得愈發重要，因此，非常有必要對皮帶上跳打壞風筒這一面臨的棘手問題進行解決，為礦井安全生產提供科學的依據和理論指導，同時也為類似情況的礦山安全生產提供技術支撐。

1? 提出問題

一種風筒保護裝置的研制主要應用通風安全研究領域。風筒是保證煤礦獨頭掘進過程中通風安全的主要設備之一，通風工作是保障煤礦安全生產的重中之重。在我國大多數煤礦，掘進巷道大都是沿著煤層底板進行掘進的，由于受褶皺、褶曲等地質構造的影響，從而導致掘進的巷道沿褶皺、褶曲的形態發生彎曲，嚴重彎曲的地方甚至會呈現“S”型，這常常會使皮帶在起動張緊過程的一瞬間引發皮帶上跳打壞風筒，從而導致供風不暢、供風量不足的情況，嚴重的時候將會使掘進工作面缺氧導致人員窒息死亡事故和引發瓦斯爆炸事故[3]。目前，采用局部通風機通過風筒進行供風仍然是獨頭掘進的主要供風方式，尤其是在綜合機械化掘進工作面，風筒的保護顯得愈發至關重要，然而在呈彎曲狀的皮帶巷，風筒的安全保護裝置的研制目前仍然是個空白，沒有一種很好的方法能夠保證風筒不被彈起的皮帶打壞[4]。如果經常更換風筒又會投入大量的人力物力，導致大量的不必要的經濟投入和人力投入;如果不對打壞的風筒進行處理，又會導致掘進工作面供風不足，從而引起作業場地人員窒息死亡事故;尤其是在高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出的礦井，在某些區域又會出現瓦斯超限現象，給煤礦安全生產帶來安全隱患。瓦斯是煤礦安全生產的天敵，瓦斯防治工作是煤礦安全生產的重中之重，這就對煤礦通風安全提出了更高的要求。一種風筒保護裝置的研制屬于礦山通風安全技術研究領域，該風筒保護裝置的研制對皮帶運輸機在起動張進的一剎那引發皮帶上跳打壞風筒起到了很好的效果，從而避免了風筒被彈起的皮帶打壞的后果，保證了通風安全，最大限度的保障礦山安全生產活動的有序進行。

2? 分析問題

由于皮帶巷受到褶皺、褶曲等地質構造的影響導致采用綜掘掘進的巷道在縱剖面上發生一定程度的彎曲，在皮帶輸送機起動拉緊的一剎那將會引發皮帶上跳從而打壞安設在其上部的風筒。皮帶上跳也是導致皮帶跑偏的一個重要因素，皮帶跑偏將會引發皮帶運輸運轉不正常，從而嚴重影響煤礦安全生產的順利進行。由于獨頭通風風筒的損壞將會導致掘進工作面供風不暢、供風量不足，嚴重的時候可能會引發掘進工作面缺氧導致人員窒息死亡事故，尤其是在有瓦斯涌出的礦井將會引發瓦斯爆炸事故;經常更換風筒又會投入大量的人力物力財力，導致大量的不必要的經濟投入和人力投入，增加礦山運行的成本。

3? 解決問題

3.1 礦井及工作面概況

老石旦煤礦隸屬于神華集團烏海能源有限責任公司，核定生產能力150萬噸/年，礦井采用斜井—立井混合式開拓方式，采用單一水平采區式開采，目前主采北三采區12#、16#煤層，在12#煤層布置一個綜采工作面，16#煤層布置兩個綜放工作面。礦井采用中央分列式通風，全礦有4個井筒，主、副井、北三風井進風，回風立井回風。回風立井安裝了兩臺主要通風機，一臺運轉，一臺備用，雙電源供電，型號均為FBCDZ№23，功率2*132kW。礦井4月份風量測定：總進風量為5021m3/min，總回風量為5191m3/min;礦井通風壓力1950Pa，礦井通風等積孔為2.4m2。礦井有效風量率為87.3%。2016年礦井瓦斯等級鑒定，瓦斯絕對涌出量為6.19m3/min，相對涌出量2.48m3/t，屬瓦斯礦井[3]。

該礦老石旦煤礦031604運輸順槽北翼段掘進工作面位于北三井口西南部，該工作面位于16#運輸下山西南，16#煤層露頭700m左右。16#煤層屬穩定的中厚煤層，煤層結構復雜，煤層平均厚度8.8m，煤層走向北西，傾向北東。16#煤層的傾角為8°～18°，煤層頂板為頁巖、砂頁巖，底板為細砂巖。031604運輸順槽北翼段巷道斷面形狀為切圓拱形，凈高為3.9m，凈寬為5.0m，巷道墻高為2.2m，拱高為1.7m，巷道斷面為13m2，已掘970m。巷道采用錨桿+金屬網+錨索聯合支護形式，綜合機械化掘進方式。工作面采用壓入式局部通風機進行通風，采用FBD-2×30kW的局部通風機，風筒直徑為Φ1000mm，巷道需風量為580m3/min，實際供風量631m3/min。16#煤層瓦斯含量為4.54m3/t，煤層容重為1.55t/m3。

3.2 工作原理

該裝置發明目的主要針對皮帶輸送機起動拉緊的一剎那引發皮帶上躥下跳致使其打壞安設在其上部的風筒，該風筒保護裝置的研制通過在皮帶運輸機上安設一個焊有托輥裝置的結構，使皮帶在上彈的過程中對其產生一個阻擋的力，從而起到保護懸掛在其上部風筒的作用，在滿足《煤礦安全規程》中對機械設備要求的同時，可以不影響皮帶對煤炭的正常運輸，也可以有效的防治皮帶的跑偏。

3.2.1 該風筒保護裝置研制的設計理論基礎和依據

由于皮帶不平自然狀態下存在一定量的撓度，在皮帶起動張緊的過程中會向上彈起，從而打在風筒上。由于皮帶受到一個向前的驅動力F3跟一個向上的彈力F2，在混合力F1的作用下，風筒跟運動彈起的皮帶接觸受到一個拍擊力跟一個摩擦力，如果合力足夠大，風筒就會發生損壞從而導致漏風，進而引發通風安全事故。如果在皮帶的上方風筒的下方一定位置安裝一個托輥，使其在皮帶彈起的時候對其產生一個阻擋作用，從而防止皮帶跟懸掛在其上方的風筒直接接觸，起到保護風筒的作用。圖1中三個力的關系如下：

2F1=（F2/cosβ）+（F3/cosα）（1）

由于α+β=90°，上面（1）式可以化簡為如下：

2F1=（F2/sinα）+（F3/cosα）? ? ? ? ? ? ? ? （2）

托輥在受到運動彈起時的皮帶受力分析如圖1所示，由于托輥在受到混合力F1作用時會產生轉動，從而使滑動摩擦轉化為滾動摩擦，減小了摩擦;另一方面由于受到托輥對運動彈起的皮帶有一個反作用力，在托輥反作用力的作用下會促使彈起的皮帶返回其正常運行的軌道，對皮帶的跑偏糾偏也能起到較好的效果。

3.2.2 該風筒保護裝置研制的設計與研究的工作原理

風筒保護裝置的設計：

如圖2所示，在皮帶機支架外緣的圓形橫梁上設置一對尺寸配套的卡環，在上半卡環的頂部焊上一高度適宜的支架，在支架的頂部安裝上一個托輥。這里需要注意幾個比較關鍵的問題如下：

①卡環的尺寸必須要與皮帶機支架外緣的圓形橫梁配套，可以選擇稍大一些的卡環，在卡環與橫梁之間墊上皮子等充填物以防松動。

②支架的高度必須以皮帶不打到風筒為宜，但是支架設置也不能過低，太低的話會對皮帶上煤炭的運輸產生影響，比如皮帶上有大塊煤運輸時可能導致阻卡，從而導致安全事故的發生。

③托輥的選擇也至關重要，要選擇滾動性能較好的托輥，以防在強大的皮帶張緊時產生巨大的沖擊力的作用下，能夠有效的保證對皮帶產生滾動，以減小摩擦阻力。

通過以上力學分析跟研究設計，結合現場實際情況，在平常生產工作中容易發生彈起的部位上方設置一套風筒保護裝置，從而保護風筒不再被打壞。皮帶運輸順槽巷道剖面示意圖詳見圖3。

3.3 一種風筒保護裝置制作時需要注意的事項

①卡環要和皮帶支架連接牢固，螺絲要擰緊上牢，加上彈簧墊防止螺絲松動，造成風筒保護裝置脫落。

②支架的高度要適宜，不宜太低，太低容易堵住煤塊，造成運輸不暢;也不宜太高，太高可能對風筒起不到有效的保護作用。

③選擇的托輥性能良好，自轉靈活，使其保護效果更好。

④加強對風筒保護裝置的托輥的檢查和維護，及時上油，保持其良好的滾動性能。

⑤對于損壞的風筒保護裝置要及時進行更換，排除潛在的安全隱患。

4? 應用實例及效果分析

老石旦煤礦2016年9月份在031604運輸順槽北翼掘進工作面掘進過程中遇到了三個向斜構造，由于掘進是沿煤層底板進行的，在向斜部位很容產生皮帶上揚，掘進巷道的風筒經常被打壞，結合現場實際問題，神華烏海能源公司老石旦煤礦跟中煤科工集團工程科技有限公司聯合進行問題分析與技術攻關，與當年10月1日開始進行風筒保護裝置的研發，截止當年12月17日在老石旦煤礦處于向斜的皮帶安設了3組風筒保護裝置，每組3個，按圖3中所示情況進行安設。通過現場實際應用效果證明：該掘進巷道自2016年12月25日開始掘進以來再也沒有發生過皮帶打壞風筒的事故，保證了掘進工作面的安全生產，使用效果非常明顯，該風筒保護裝置的研制具有非常好的現實意義和推廣應用前景。

5? 結語

①結構緊湊，制作簡單，成本低。

②使用可靠，效果明顯，具有良好的互換性，對于損壞的裝置可以進行及時更換。

③有效的保護了風筒的安全運行。

④防止了皮帶的跑偏，有著良好的皮帶糾偏性能。

⑤減小了皮帶磨損，增加了皮帶的使用壽命。

⑥填補了該領域的空白，促進了礦井的安全生產。

參考文獻：

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