斜溝煤礦綜掘工作面風筒吊掛技術研究

黃 超

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

0 引 言

礦井采掘銜接中，掘進進尺是重要考核指標，為了提高掘進進尺，各大煤炭集團開始采用長距離快速掘進技術，其中掘進工作面通風為通風管理中的重點環節[1-2]。根據每年的事故統計，因掘進工作面局部通風機發生非計劃的停電停風、風筒被刮碎斷開等，導致掘進工作面發生微風、無風，而引發瓦斯、煤塵爆炸事故占比達到78%以上[3-4]。近些年來隨著科技發展，長距離快速掘進技術得到快速發展，大功率局部通風機[5]、變頻局部通風機[6]得到了極大發展，很好的解決了長距離巷道的通風難題，但由于各煤田、各礦區的煤層賦存條件不同，對于長度3 500 m 以上的掘進工作面，長距離快速掘進工作面局部通風問題限制了掘進速度，本文提出風筒吊掛動態延伸技術以解決此難題[7]。

1 礦井概況

山西焦煤集團有限責任公司斜溝煤礦18106 材料巷掘進工作面屬于單巷快速掘進巷道，材料巷設計長度為3 720.5 m，巷道高度為3.8 m，寬度為5.2 m，斷面積為19.76 m2。快速掘進系統主要包括全斷面掘進機、十臂錨桿機、邁步式自移機尾、轉載機組成，具體如圖1 所示。

圖1 風筒吊掛技術方案示意

在試運行快速掘進系統時發現：由于十臂錨桿機到掘進工作面迎頭這段巷道缺少有效支護，同時這段巷道距離隨著掘進隨時變化，加之錨桿機笨重、體積龐大，難以進行吊掛和前移除塵風筒，導致風筒末端到掘進工作面迎頭15 m 距離內出現微風、無風，為了解決這一重大通風隱患，提出工作面風筒吊掛動態延伸技術。

2 風筒吊掛技術研究

2.1 設計方案

通過觀察井下實際情況，決定利用恒力液壓絞車鋼絲繩預緊裝置來吊掛風筒，動力來源為錨桿機液壓系統，首先在掘進機和十臂錨桿機以及轉載機和十臂錨桿機吊掛好鋼絲繩，接著利用2 輛恒力液壓絞車進行拉緊鋼絲繩，借助恒力液壓絞車達到自動伸縮前移風筒的目的，利用滑輪和風筒吊環將風筒懸掛在鋼絲繩上，具體操作如圖1 所示。此設計的好處是結構簡易，制作安裝便利。

2.2 選擇恒力液壓絞車

1）工作原理。在十臂錨桿機（風筒進風口上部）固定好恒力液壓絞車，在掘進機后部固定好絞車的另一端鋼絲繩，隨著掘進進尺的不斷增大，液壓絞車根據掘進機與錨桿機之間的距離，自動收縮、放開鋼絲繩，實現風筒隨著掘進機而自動伸縮，將10 節長度5 m 的風筒懸掛在鋼絲繩上，可達到400 kg 的重量，受力載荷平均分布，滿足風筒長度隨著掘進機與錨桿機距離的變化而同步變化。絞車固定如圖2 所示。

圖2 固定絞車

2）力學模型簡化。鋼絲繩上存在均布載荷q作用，主要由鋼絲繩、風筒、滑輪的重力3 部分組成。圖3 為力學模型簡化后的情形。

圖3 力學模型

3）參數計算。結合上述模型及載荷，由于自身重量和均布載荷的影響，水平放置的鋼絲繩由水平狀態變成拋物線，取垂向撓度與水平距離之比是1/100，跨度取50 m 進行計算，得到撓度是0.5 m，圖4 為幾何模型。

圖4 簡化幾何模型

擬合得到拋物線公式：

式中：x為跨度，m；y為撓度，m。

根據公式（1），對x進行一階導數計算，在右端x=50 位置得到切向角α=2.29°。結合材料力學理論，得到：

式中：Fs為鋼絲繩所受向力，N；q為單位長度重力，N/m。

根據靜力關系得到：

式中：T為切向力，N。聯立公式（2）、（3）得到

式中：q=q1+q2。q1為風筒單位長度重力，則q1=78.4 N/m；q2為鋼絲繩單位長度重力，取鋼絲繩公稱直徑D=13 mm，q2=9.31 N/m。

計算得：T=55 kN。

鋼絲繩最小破斷拉力F0：

式中：R0為鋼絲繩公稱抗拉強度，取1 960 MPa；K'為某一類別鋼絲繩最小破斷拉力系數，取0.490。

由上述計算發現安全系數達到現場實際要求；根據液壓絞車數據，因風筒進風端和出風端都連接在大型采掘機械上，自身將負擔絕大多數自重而形成的拉力，因此決定使用IYJ2.5－15－55－13 型液壓絞車，要求容繩量最少為55 m、鋼絲繩直徑最少為13 mm。

2.3 吊掛技術

結合斜溝煤礦18106 材料巷長距離掘進通風狀況，為保證有效進尺、工作面風量充足，提高工作面的除塵效果，設計一種風筒吊掛工藝。

1）可伸縮風筒吊掛技術。在錨桿機兩側實施可伸縮風筒吊掛技術，具體如圖5 所示。將2 臺恒力液壓絞車分別安設于錨桿機兩端鐵皮風筒正上方，絞車鋼絲繩的另一端分別固定于掘進機后部和轉載機上。要求錨桿機前方安設的絞車滾筒軸的中心高于鐵皮風筒后部最上方400 mm，目的是絞車在牽引或者回收鋼絲繩不會磨損破壞風筒，同時需要使用舊皮帶保護鐵皮風筒與柔性風筒接口處。為了避免液壓絞車發生夾繩現象拉斷鋼絲繩，在液壓絞車上安設導繩裝置。

圖5 風筒吊掛工藝

利用滑輪裝置將風筒懸掛在錨桿機前部和后部伸縮區域的鋼絲繩上。為充分避免負壓風筒被吸癟導致風量不足，在風筒上每距離1 個鋼圈安裝1 個滑輪，同時使用滑輪自帶的掛鉤與風筒的鋼圈直接勾住相連，不采用風筒自身的吊環進行懸掛。

2）轉載機上方固定段風筒吊掛。將吊掛風筒的支架安設在轉載機上，每個支架相距約1.3 m，用橫梁連接相鄰2 個支架，要保證橫梁長度超過支架間距0.5 m 以上，避免在移動轉載機時由于巷道底板凹凸不平導致橫梁發生脫落。在支架的橫梁上懸掛除塵風機固定段風筒，要求懸掛風筒時，逢環必掛。

3）掘進機上方固定段風筒吊掛。若掘進機上部有足夠的的距離，通過把直徑0.8 m 的風筒連接延長到掘進機前頭，需將風筒用鋼絲繩懸掛在液壓絞車上。若掘進機上部距離不夠，直徑0.8 m 的風筒無法延伸到掘進機前頭，需要加工一個鐵皮變徑懸掛在掘進機上部，將直徑0.8 m 風筒轉換為直徑0.6 m風筒，之后把直徑0.6 m 風筒連接延長到掘進機前頭。要求懸掛風筒時，要逢環必掛。

3 現場試驗

結合設計方案，自主加工快速掘進系統的風筒吊掛成套裝置，在工業廣場調試運行成功后，于2020 年10 月1-30 日在斜溝煤礦 18106 材料巷掘進工作面開展現場應用。為考察除塵效果，制定風速、粉塵濃度2 個重要考核指標的現場測定方案。由于十臂錨桿機與掘進機這段區域有效空間較小，難以進行測風，選定壓入式與抽出式風筒重疊區域作為測風地點。通過粉塵濃度變化情況來間接代表十臂錨桿機與掘進機這段區域的風速情況。

3.1 測定風速

快速掘進通風系統運行正常之后，指派專職測風員進行現場實測，對10 月1 日-10 日的風速數據開展分析，圖6 為這10 d 的風速變化情況。

圖6 風速變化

由圖6 發現，壓入式與抽出式風筒重疊地點的風速穩定在0.25～0.6 m/s，無微風、無風現象，符合規定要求。

3.2 測定粉塵濃度

快速掘進通風系統運行正常之后，指派專職測塵人員進行現場實測，現場實測粉塵濃度結果見表1。

表1 粉塵濃度測定

從表1 發現：實施風筒吊掛動態延伸技術后，18106 材料巷掘進工作面總塵濃度都低于4 mg/m3，呼塵濃度都小于2.5 mg/m3。根據《煤礦安全規程》（2016 版）第六百四十條“當煤塵中游離SiO2含量小于10 %時，總塵濃度不得超過4 mg/m3，呼塵濃度不得超過2.5 mg/m3”，因此18106 材料巷掘進工作面粉塵濃度都符合規定要求。

4 結 論

在18106 材料巷掘進工作面實施風筒吊掛動態延伸技術，通過現場實測發現：掘進工作面附近風量充足，有效降低粉塵濃度，解決工作面除塵效果差的難題。18106 材料巷長距離快速掘進風筒吊掛技術的成功應用，明顯提高了掘進工作面的降塵效果，極大改善工作面的作業環境，具有良好的經濟效益。