一種風(fēng)筒保護(hù)裝置在老石旦煤礦的實踐與應(yīng)用

司建軍

摘要：針對掘進(jìn)工作面受到褶皺、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造的影響導(dǎo)致掘進(jìn)的巷道在縱剖面上發(fā)生一定程度的彎曲，在皮帶輸送機(jī)起動拉緊的一剎那將會引發(fā)皮帶上跳從而打壞安設(shè)在其上部的風(fēng)筒的實際情況研制出一種新型風(fēng)筒保護(hù)裝置，并闡述了新型風(fēng)筒保護(hù)裝置的工作原理和使用注意事項，在老石旦煤礦031604運(yùn)輸順槽北翼掘進(jìn)工作面進(jìn)行了試驗應(yīng)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(chǎn)。

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(guān)鍵詞：風(fēng)筒保護(hù);裝置;實踐與應(yīng)用

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

中圖分類號：TD355? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)行巷道掘進(jìn)，掘進(jìn)工作面的通風(fēng)方式主要采用局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行獨(dú)頭通風(fēng)[1]。然而由于受到褶皺、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造的影響導(dǎo)致采用綜掘掘進(jìn)的巷道在縱剖面上發(fā)生一定程度的彎曲，在皮帶輸送機(jī)起動拉緊的一剎那將會引發(fā)皮帶上跳從而打壞安設(shè)在其上部的風(fēng)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(chǎn)，降低瓦斯超限事故的發(fā)生，礦山管理者采取了一系列的通風(fēng)安全防護(hù)措施來保證風(fēng)筒的安全，但是在實際工作當(dāng)中仍然出現(xiàn)了一些問題，就目前起動皮帶運(yùn)輸機(jī)引發(fā)皮帶上跳打壞風(fēng)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(zhì)構(gòu)造的影響使得皮帶運(yùn)輸順槽呈階梯狀延伸，皮帶上跳打壞風(fēng)筒的事故時有發(fā)生，尤其是在礦井技術(shù)改造的時段，通風(fēng)安全顯得至關(guān)重要，這對礦山管理者提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。高瓦斯礦井或者煤與瓦斯突出礦井掘進(jìn)工作面瓦斯超限將會導(dǎo)致瓦斯事故，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)受損和人員傷亡，而低瓦斯礦井如果掘進(jìn)工作面供風(fēng)量不足也會導(dǎo)致工作人員由于缺氧引發(fā)的一系列嚴(yán)重的后果。風(fēng)筒是保證掘進(jìn)工作面獨(dú)頭通風(fēng)的主要設(shè)備之一，由于獨(dú)頭通風(fēng)方式的局限性跟特殊性，保證風(fēng)筒的安全使用顯得愈發(fā)重要，因此，非常有必要對皮帶上跳打壞風(fēng)筒這一面臨的棘手問題進(jìn)行解決，為礦井安全生產(chǎn)提供科學(xué)的依據(jù)和理論指導(dǎo)，同時也為類似情況的礦山安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1? 提出問題

一種風(fēng)筒保護(hù)裝置的研制主要應(yīng)用通風(fēng)安全研究領(lǐng)域。風(fēng)筒是保證煤礦獨(dú)頭掘進(jìn)過程中通風(fēng)安全的主要設(shè)備之一，通風(fēng)工作是保障煤礦安全生產(chǎn)的重中之重。在我國大多數(shù)煤礦，掘進(jìn)巷道大都是沿著煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)的，由于受褶皺、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造的影響，從而導(dǎo)致掘進(jìn)的巷道沿褶皺、褶曲的形態(tài)發(fā)生彎曲，嚴(yán)重彎曲的地方甚至?xí)尸F(xiàn)“S”型，這常常會使皮帶在起動張緊過程的一瞬間引發(fā)皮帶上跳打壞風(fēng)筒，從而導(dǎo)致供風(fēng)不暢、供風(fēng)量不足的情況，嚴(yán)重的時候?qū)咕蜻M(jìn)工作面缺氧導(dǎo)致人員窒息死亡事故和引發(fā)瓦斯爆炸事故[3]。目前，采用局部通風(fēng)機(jī)通過風(fēng)筒進(jìn)行供風(fēng)仍然是獨(dú)頭掘進(jìn)的主要供風(fēng)方式，尤其是在綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面，風(fēng)筒的保護(hù)顯得愈發(fā)至關(guān)重要，然而在呈彎曲狀的皮帶巷，風(fēng)筒的安全保護(hù)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(fēng)筒不被彈起的皮帶打壞[4]。如果經(jīng)常更換風(fēng)筒又會投入大量的人力物力，導(dǎo)致大量的不必要的經(jīng)濟(jì)投入和人力投入;如果不對打壞的風(fēng)筒進(jìn)行處理，又會導(dǎo)致掘進(jìn)工作面供風(fēng)不足，從而引起作業(yè)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(qū)域又會出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，給煤礦安全生產(chǎn)帶來安全隱患。瓦斯是煤礦安全生產(chǎn)的天敵，瓦斯防治工作是煤礦安全生產(chǎn)的重中之重，這就對煤礦通風(fēng)安全提出了更高的要求。一種風(fēng)筒保護(hù)裝置的研制屬于礦山通風(fēng)安全技術(shù)研究領(lǐng)域，該風(fēng)筒保護(hù)裝置的研制對皮帶運(yùn)輸機(jī)在起動張進(jìn)的一剎那引發(fā)皮帶上跳打壞風(fēng)筒起到了很好的效果，從而避免了風(fēng)筒被彈起的皮帶打壞的后果，保證了通風(fēng)安全，最大限度的保障礦山安全生產(chǎn)活動的有序進(jìn)行。

2? 分析問題

由于皮帶巷受到褶皺、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造的影響導(dǎo)致采用綜掘掘進(jìn)的巷道在縱剖面上發(fā)生一定程度的彎曲，在皮帶輸送機(jī)起動拉緊的一剎那將會引發(fā)皮帶上跳從而打壞安設(shè)在其上部的風(fēng)筒。皮帶上跳也是導(dǎo)致皮帶跑偏的一個重要因素，皮帶跑偏將會引發(fā)皮帶運(yùn)輸運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，從而嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。由于獨(dú)頭通風(fēng)風(fēng)筒的損壞將會導(dǎo)致掘進(jìn)工作面供風(fēng)不暢、供風(fēng)量不足，嚴(yán)重的時候可能會引發(fā)掘進(jìn)工作面缺氧導(dǎo)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(fā)瓦斯爆炸事故;經(jīng)常更換風(fēng)筒又會投入大量的人力物力財力，導(dǎo)致大量的不必要的經(jīng)濟(jì)投入和人力投入，增加礦山運(yùn)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(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司，核定生產(chǎn)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(qū)式開采，目前主采北三采區(qū)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(fēng)，全礦有4個井筒，主、副井、北三風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)?；仫L(fēng)立井安裝了兩臺主要通風(fēng)機(jī)，一臺運(yùn)轉(zhuǎn)，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(fēng)量測定：總進(jìn)風(fēng)量為5021m3/min，總回風(fēng)量為5191m3/min;礦井通風(fēng)壓力1950Pa，礦井通風(fēng)等積孔為2.4m2。礦井有效風(fēng)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(yùn)輸順槽北翼段掘進(jìn)工作面位于北三井口西南部，該工作面位于16#運(yùn)輸下山西南，16#煤層露頭700m左右。16#煤層屬穩(wěn)定的中厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)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(xì)砂巖。031604運(yùn)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(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)形式，綜合機(jī)械化掘進(jìn)方式。工作面采用壓入式局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，采用FBD-2×30kW的局部通風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒直徑為Φ1000mm，巷道需風(fēng)量為580m3/min，實際供風(fēng)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(fā)明目的主要針對皮帶輸送機(jī)起動拉緊的一剎那引發(fā)皮帶上躥下跳致使其打壞安設(shè)在其上部的風(fēng)筒，該風(fēng)筒保護(hù)裝置的研制通過在皮帶運(yùn)輸機(jī)上安設(shè)一個焊有托輥裝置的結(jié)構(gòu)，使皮帶在上彈的過程中對其產(chǎn)生一個阻擋的力，從而起到保護(hù)懸掛在其上部風(fēng)筒的作用，在滿足《煤礦安全規(guī)程》中對機(jī)械設(shè)備要求的同時，可以不影響皮帶對煤炭的正常運(yùn)輸，也可以有效的防治皮帶的跑偏。

3.2.1 該風(fēng)筒保護(hù)裝置研制的設(shè)計理論基礎(chǔ)和依據(jù)

由于皮帶不平自然狀態(tài)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(fēng)筒上。由于皮帶受到一個向前的驅(qū)動力F3跟一個向上的彈力F2，在混合力F1的作用下，風(fēng)筒跟運(yùn)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(fēng)筒就會發(fā)生損壞從而導(dǎo)致漏風(fēng)，進(jìn)而引發(fā)通風(fēng)安全事故。如果在皮帶的上方風(fēng)筒的下方一定位置安裝一個托輥，使其在皮帶彈起的時候?qū)ζ洚a(chǎn)生一個阻擋作用，從而防止皮帶跟懸掛在其上方的風(fēng)筒直接接觸，起到保護(hù)風(fēng)筒的作用。圖1中三個力的關(guān)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(yùn)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(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而使滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，減小了摩擦;另一方面由于受到托輥對運(yùn)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(yùn)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(fēng)筒保護(hù)裝置研制的設(shè)計與研究的工作原理

風(fēng)筒保護(hù)裝置的設(shè)計：

如圖2所示，在皮帶機(jī)支架外緣的圓形橫梁上設(shè)置一對尺寸配套的卡環(huán)，在上半卡環(huán)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(guān)鍵的問題如下：

①卡環(huán)的尺寸必須要與皮帶機(jī)支架外緣的圓形橫梁配套，可以選擇稍大一些的卡環(huán)，在卡環(huán)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(fēng)筒為宜，但是支架設(shè)置也不能過低，太低的話會對皮帶上煤炭的運(yùn)輸產(chǎn)生影響，比如皮帶上有大塊煤運(yùn)輸時可能導(dǎo)致阻卡，從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

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

通過以上力學(xué)分析跟研究設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在平常生產(chǎn)工作中容易發(fā)生彈起的部位上方設(shè)置一套風(fēng)筒保護(hù)裝置，從而保護(hù)風(fēng)筒不再被打壞。皮帶運(yùn)輸順槽巷道剖面示意圖詳見圖3。

3.3 一種風(fēng)筒保護(hù)裝置制作時需要注意的事項

①卡環(huán)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(fēng)筒保護(hù)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(yùn)輸不暢;也不宜太高，太高可能對風(fēng)筒起不到有效的保護(hù)作用。

③選擇的托輥性能良好，自轉(zhuǎn)靈活，使其保護(hù)效果更好。

④加強(qiáng)對風(fēng)筒保護(hù)裝置的托輥的檢查和維護(hù)，及時上油，保持其良好的滾動性能。

⑤對于損壞的風(fēng)筒保護(hù)裝置要及時進(jìn)行更換，排除潛在的安全隱患。

4? 應(yīng)用實例及效果分析

老石旦煤礦2016年9月份在031604運(yùn)輸順槽北翼掘進(jìn)工作面掘進(jìn)過程中遇到了三個向斜構(gòu)造，由于掘進(jìn)是沿煤層底板進(jìn)行的，在向斜部位很容產(chǎn)生皮帶上揚(yáng)，掘進(jìn)巷道的風(fēng)筒經(jīng)常被打壞，結(jié)合現(xiàn)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(tuán)工程科技有限公司聯(lián)合進(jìn)行問題分析與技術(shù)攻關(guān)，與當(dāng)年10月1日開始進(jìn)行風(fēng)筒保護(hù)裝置的研發(fā)，截止當(dāng)年12月17日在老石旦煤礦處于向斜的皮帶安設(shè)了3組風(fēng)筒保護(hù)裝置，每組3個，按圖3中所示情況進(jìn)行安設(shè)。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用效果證明：該掘進(jìn)巷道自2016年12月25日開始掘進(jìn)以來再也沒有發(fā)生過皮帶打壞風(fēng)筒的事故，保證了掘進(jìn)工作面的安全生產(chǎn)，使用效果非常明顯，該風(fēng)筒保護(hù)裝置的研制具有非常好的現(xiàn)實意義和推廣應(yīng)用前景。

5? 結(jié)語

①結(jié)構(gòu)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(jìn)行及時更換。

③有效的保護(hù)了風(fēng)筒的安全運(yùn)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(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，促進(jìn)了礦井的安全生產(chǎn)。

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