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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150022)

單巷長(zhǎng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150022)

神華神東公司大柳塔礦單巷長(zhǎng)距離全斷面快速掘進(jìn)系統(tǒng)因機(jī)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析和數(shù)值模擬，提出了適合大柳塔礦的“長(zhǎng)壓短抽”通風(fēng)方式，采用了基于風(fēng)筒自動(dòng)伸縮的吊掛延伸技術(shù)，選定了壓入風(fēng)機(jī)型號(hào)為FBDY№8/2×75kW，濕式除塵風(fēng)機(jī)型號(hào)為KCS-700D。試驗(yàn)表明，該方式成功解決了工作面微風(fēng)，粉塵大等問(wèn)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(zhǎng)壓短抽；風(fēng)流分布；粉塵濃度；動(dòng)態(tài)延伸

近年來(lái)，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(lái)越多的應(yīng)用于煤炭生產(chǎn)中。部分礦井通過(guò)應(yīng)用單巷長(zhǎng)距離全斷面快速掘進(jìn)技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)效率，由于快速掘進(jìn)系統(tǒng)自身特點(diǎn)，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(wèn)題非常嚴(yán)重等問(wèn)題，給安全生產(chǎn)帶來(lái)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(jì)長(zhǎng)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(jī)、錨桿機(jī)、自移式膠帶機(jī)等設(shè)備組成，掘、裝、支、運(yùn)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(jī)選用FBDY№7.5/2×55kW對(duì)旋軸流式變頻通風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒直徑Φ1200mm，壓入式風(fēng)機(jī)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(jī)選用KCS-700D濕式除塵風(fēng)機(jī)，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(zhǎng)壓短抽”通風(fēng)方式下，存在錨桿機(jī)前端40m范圍內(nèi)無(wú)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(jī)的相對(duì)移動(dòng)，錨桿機(jī)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(shí)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(shí)段[1-3]，存在巨大安全隱患。

1-掘進(jìn)機(jī)；2-破碎機(jī)；3-錨桿機(jī)；4-邁步式自移膠帶機(jī)； 5-除塵風(fēng)機(jī)；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(dú)頭巷道常用的通風(fēng)方式有壓入式、抽出式和長(zhǎng)壓短抽式。針對(duì)三種通風(fēng)方式，依據(jù)大柳塔52501綜掘工作面的實(shí)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(zhǎng)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(dòng)量方程以及能量方程[5-6]，并用FLUENT計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)長(zhǎng)距離大斷面掘進(jìn)工作面風(fēng)流場(chǎng)及粉塵濃度分布場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬。其模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。根據(jù)模擬結(jié)果，三種通風(fēng)方式分析對(duì)比見(jiàn)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(zhǎng)壓短抽”，但除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)筒需延伸到掘進(jìn)機(jī)前端且錨桿機(jī)前后一段長(zhǎng)度的風(fēng)筒要能夠自動(dòng)伸縮，以解決錨桿機(jī)前至煤壁40m無(wú)支護(hù)區(qū)范圍內(nèi)風(fēng)筒架設(shè)和拆移、錨桿機(jī)前端40m范圍內(nèi)無(wú)風(fēng)微風(fēng)、粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)等問(wèn)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(jī)風(fēng)筒設(shè)置方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)壓入式風(fēng)機(jī)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(jī)前端，采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量大?、偻L(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(wú)風(fēng)和循環(huán)風(fēng)問(wèn)題①錨桿機(jī)前方約40m范圍內(nèi)屬無(wú)支護(hù)區(qū)，無(wú)法拆接風(fēng)筒；②工作面回風(fēng)流經(jīng)整個(gè)巷道，工作面粉塵濃度高抽出式風(fēng)機(jī)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(jī)前端①通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(wèn)題；③工作面不存在無(wú)風(fēng)和循環(huán)風(fēng)問(wèn)題；④除塵效果較好①風(fēng)機(jī)需設(shè)置噴霧除塵系統(tǒng)；②對(duì)長(zhǎng)距離通風(fēng)無(wú)適合風(fēng)機(jī)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?。虎懿环稀睹旱V安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定長(zhǎng)壓短抽式壓入式風(fēng)機(jī)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(jī)后方，采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量大??；除塵風(fēng)機(jī)設(shè)在自移膠帶機(jī)尾，采用柔性骨架風(fēng)筒延伸到掘進(jìn)機(jī)前端①錨桿機(jī)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(jī)位于壓入風(fēng)筒出口射流范圍內(nèi)有利于錨桿機(jī)散熱①需要匹配正壓風(fēng)機(jī)和除塵風(fēng)機(jī)，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(zhǎng)距離快速掘進(jìn)面的實(shí)際情況，壓入式風(fēng)機(jī)和除塵風(fēng)機(jī)及其風(fēng)筒的延設(shè)方法(圖3)[7]。壓入式風(fēng)機(jī)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(guò)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(jī)后10～25m，隨掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)及時(shí)延伸。

除塵風(fēng)機(jī)使用水可循環(huán)利用的自制水箱進(jìn)行濕式除塵。風(fēng)機(jī)放在水箱之上。水箱和風(fēng)機(jī)設(shè)在自移膠帶機(jī)尾，并隨自移膠帶機(jī)同步移動(dòng)。除塵風(fēng)筒架設(shè)在自移膠帶機(jī)上，并延伸到掘進(jìn)機(jī)前端。除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)筒分為錨桿機(jī)前、后兩段。錨桿機(jī)下部設(shè)置斷面積為0.4m2的鐵質(zhì)風(fēng)道連接錨桿機(jī)前、后風(fēng)筒。由于作業(yè)時(shí)錨桿機(jī)、掘進(jìn)機(jī)不同步，錨桿機(jī)前后風(fēng)筒必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伸縮，因此錨桿機(jī)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)延伸，即在錨桿機(jī)操作平臺(tái)前后各設(shè)置1臺(tái)恒力液壓絞車，鋼絲繩的自由端分別固定在掘進(jìn)機(jī)前端和自移膠帶機(jī)上，利用錨桿機(jī)上的液壓系統(tǒng)提供的液壓動(dòng)力，拉緊鋼絲繩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)筒的自動(dòng)伸縮。風(fēng)筒通過(guò)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(jī)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(jì)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(jī)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(jī)鐵皮風(fēng)道和前伸縮段風(fēng)筒吊掛效果

4 風(fēng)機(jī)選型

4.1 壓入式風(fēng)機(jī)選型

長(zhǎng)距離大斷面掘進(jìn)工作面實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵是加強(qiáng)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(jì)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(jī)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(zhǎng)為4850m，實(shí)測(cè)百米漏風(fēng)率為0.5%，則壓入式風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量需滿足900m3/min。由于通風(fēng)距離較長(zhǎng)，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(guò)計(jì)算該掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)工作阻力見(jiàn)表2。

表2 正壓柔性風(fēng) 筒阻力計(jì)算表

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

4.2 除塵風(fēng)機(jī)確定

由于除塵風(fēng)機(jī)置于自移膠帶機(jī)機(jī)尾，采用柔性骨架風(fēng)筒延設(shè)到掘進(jìn)機(jī)前端，除塵風(fēng)機(jī)能夠隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)自動(dòng)前移，風(fēng)筒長(zhǎng)度、風(fēng)機(jī)負(fù)壓相對(duì)固定不變，根據(jù)對(duì)工作面使用的KCS-700D濕式除塵風(fēng)機(jī)和直徑Φ800 mm柔性骨架風(fēng)筒的性能測(cè)定，該風(fēng)機(jī)的負(fù)壓915Pa，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為360 m3/min，電機(jī)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(gè)測(cè)點(diǎn)，粉塵濃度的5處測(cè)點(diǎn)。與未用該整改方案的52307掘進(jìn)工作面進(jìn)行對(duì)比，其工作面4000m時(shí)風(fēng)量風(fēng)速分布和全程粉塵濃度測(cè)定數(shù)據(jù)如表4～5所示。

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

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

表5 綜掘工作面粉塵濃度測(cè)量數(shù)據(jù)表

據(jù)表4可得，52307工作面前端存在無(wú)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(jī)前端，并采用FBDY-№8.0/2×75 kW變頻風(fēng)機(jī)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(jī)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(shí)，全塵濃度小于10mg/m3，呼塵濃度小于3.5mg/m3)[11]。其他各測(cè)點(diǎn)其他地點(diǎn)的全塵濃度為0.00～9.34mg/m3，呼塵濃度為為0.00～3.2mg/m3對(duì)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(lái)的最好水平。

6 結(jié)論

1)通過(guò)使用FLUENT建模，對(duì)“長(zhǎng)距離，大斷面”的巷道進(jìn)行風(fēng)流場(chǎng)及粉塵分布場(chǎng)模擬，以及三種通風(fēng)方式比較可得出，長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)較壓入式和抽出式通風(fēng)更具有優(yōu)勢(shì)：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(jī)能力不足，無(wú)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(jī)。

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(jī)至掘進(jìn)機(jī)之間無(wú)支護(hù)區(qū)以及錨桿機(jī)后端的風(fēng)筒吊掛及自動(dòng)伸縮問(wèn)題。

4)通過(guò)對(duì)大柳塔52501綜掘工作面的改進(jìn)完成，標(biāo)志著長(zhǎng)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。

[1] 張福成.神東礦區(qū)長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用[J]. 煤炭工程, 2005(6):40-42.

[2] 王德明.礦井通風(fēng)與安全[M]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2007.

[3] 王鋒, 王永峰, 張作華.大斷面長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)技術(shù)研究[J]. 能源技術(shù)與管理,2014 ,39(1):75-76.

[4] 楊榮明, 劉永利, 沈斌.長(zhǎng)距離大斷面掘進(jìn)工作面風(fēng)流場(chǎng)分布規(guī)律研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2015(S2):64-66.

[5] 周俊杰，F(xiàn)LUENT工程技術(shù)與實(shí)例分析[M]. 北京:中國(guó)水利水電出版社, 2010.

[6] 王瑞金，張凱，王剛. Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2007.

[7] 秦憲禮，白楓桐，劉永利，等，單巷長(zhǎng)距離快速掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)吊掛技術(shù)[J]. 黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(6):586-587.

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(xiàng)目資助(編號(hào)：201491548076)

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

TD262

A

1004-4051(2017)01-0104-04