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煤礦小通道快速應(yīng)急逃生系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2019-03-01 06:46:22
煤炭工程 2019年2期
關(guān)鍵詞:絞車(chē)滾筒鋼絲繩

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

隨著礦井現(xiàn)代化的發(fā)展,煤礦朝著生產(chǎn)能力大、運(yùn)輸距離長(zhǎng)、工作面連續(xù)推進(jìn)等方向發(fā)展,由此導(dǎo)致作業(yè)地點(diǎn)距離安全出口較遠(yuǎn),一旦發(fā)生災(zāi)變,避險(xiǎn)人員在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法安全撤離到地面,只能躲到緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi),在危險(xiǎn)排除前只能被動(dòng)等待救援。同時(shí),地面的救援人員施救路線(xiàn)長(zhǎng),救援通道可能被堵塞或者存在潛在危險(xiǎn)導(dǎo)致救援工程量大,到達(dá)救援地點(diǎn)緩慢。另外,目前緊急避險(xiǎn)設(shè)施按照96h標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置,存在救援時(shí)間超出避難硐室有效防護(hù)時(shí)間的可能,有造成二次災(zāi)難的隱患[1],并且緊急避險(xiǎn)存在諸多問(wèn)題[2]。對(duì)避險(xiǎn)人員來(lái)說(shuō),逃生通道才是安全撤至地面的首要條件[3-4]。因此,避難硐室和直通地面的逃生通道相結(jié)合起來(lái)建設(shè),將避難硐室的被動(dòng)避險(xiǎn)變成主動(dòng)逃生,是將來(lái)礦井緊急避險(xiǎn)和應(yīng)急救援的一種發(fā)展趨勢(shì)[5-6],這樣既可以減少現(xiàn)有避難硐室內(nèi)大部分設(shè)備的配置,減少了高壓氣瓶等安全隱患,也節(jié)省了硐室的成本;同時(shí)也提高了避險(xiǎn)系統(tǒng)的所容納人數(shù),而且還能解決了大型礦井安全出口較遠(yuǎn)以及救援路線(xiàn)長(zhǎng)的問(wèn)題。本文結(jié)合神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦的采掘特點(diǎn)及現(xiàn)有的2-2煤100人永久避難硐室,提出了一種煤礦的小通道快速應(yīng)急逃生系統(tǒng)的構(gòu)建方案,對(duì)該系統(tǒng)中的提升艙、應(yīng)急逃生通道以及地面提升系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 礦井概況

布爾臺(tái)煤礦是中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)公司所屬的大型煤炭生產(chǎn)礦井,布爾臺(tái)井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗之東南,屬布爾臺(tái)鄉(xiāng)管轄。井田東西長(zhǎng)3.9~22.1km,南北寬2.2~16.9km。布爾臺(tái)煤礦井田面積192.632km2,地質(zhì)儲(chǔ)量33.03億t,可采儲(chǔ)量20億t,含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組,煤層埋深在83~630m之間。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為2000萬(wàn)t/a,服務(wù)年限71.3年。煤層頂?shù)装鍘r性較好,多為砂巖、砂質(zhì)泥巖,屬于II類(lèi)一型中等冒落頂板,煤層瓦斯含量小,地溫?zé)o異常。煤塵有爆炸危險(xiǎn)性,煤層易自燃,水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。礦井采用斜井—平硐—立井聯(lián)合開(kāi)拓方式,主斜井、輔運(yùn)平硐、進(jìn)風(fēng)斜井和回風(fēng)斜井設(shè)在礦井工業(yè)廣場(chǎng),進(jìn)風(fēng)立井、回風(fēng)立井設(shè)在風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng),分三個(gè)水平開(kāi)采。全礦井劃分為7個(gè)盤(pán)區(qū)。在巷道系統(tǒng)布置上,將水平大巷與盤(pán)區(qū)巷道合二為一,減少盤(pán)區(qū)準(zhǔn)備巷道,系統(tǒng)劃分只有礦井和工作面兩級(jí)?;夭晒ぷ髅孢\(yùn)輸巷來(lái)煤直接與運(yùn)輸大巷搭接;而輔助運(yùn)輸則從輔助運(yùn)輸大巷直接進(jìn)入工作面輔助運(yùn)輸巷,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)環(huán)節(jié)。井下采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁一次采全高開(kāi)采,工作面長(zhǎng)300~400m,推進(jìn)長(zhǎng)度為6000~7000m。

該礦2-2煤100人永久避難硐室位于2-2煤一盤(pán)區(qū)22105繞道與輔運(yùn)平硐交匯處,服務(wù)于2-2煤一盤(pán)區(qū)各采區(qū)。硐室由廢舊巷道改造而成,距離輔運(yùn)平硐約4000m,硐室埋深約367m。

2 避難硐室內(nèi)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硐室的設(shè)計(jì)原則

事故發(fā)生后,避險(xiǎn)人員在自救器的防護(hù)時(shí)間內(nèi)首先進(jìn)入避難硐室,然后通過(guò)硐室內(nèi)的逃生通道逃離井下。因此避難硐室的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下主要原則:

1)逃生為主,避險(xiǎn)為輔:避難硐室作為一個(gè)人員短暫避險(xiǎn)的區(qū)域,最終目的是讓所有進(jìn)入硐室的人員通過(guò)逃生通道逃離到地面。

2)具備安全防護(hù)能力:在等待逃生的時(shí)間內(nèi),須保證避難硐室內(nèi)人員的基本生存條件。

3)滿(mǎn)足服務(wù)區(qū)域的最多人數(shù)需求:避難硐室應(yīng)能保證所服務(wù)區(qū)域的最多人數(shù)的避險(xiǎn)和逃生需求,并能保證一定的富余系數(shù)。

2.2 功能設(shè)計(jì)

由于避險(xiǎn)人數(shù)較多,避險(xiǎn)人員必須分組依次逃離,不可能同時(shí)逃離井下,因此避險(xiǎn)人員需要一個(gè)能夠提供生命保障的安全空間,在等待時(shí)間內(nèi)能夠?yàn)楸茈U(xiǎn)人員提供生命所必需的物質(zhì)及設(shè)施。

避難硐室內(nèi)部分為防爆緩沖區(qū)、過(guò)渡室、生存室、逃生室,如圖1所示。

圖1 避難硐室平面布置圖

防爆緩沖區(qū)的目的是減弱煤塵或者瓦斯爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波對(duì)硐室的沖擊。

過(guò)渡室的功能是防止有毒有害氣體伴隨避難人員的進(jìn)入而污染硐室內(nèi)部的空氣,過(guò)渡室內(nèi)設(shè)有氣幕噴淋系統(tǒng)。

生存室的功能是為避險(xiǎn)逃生人員提供一個(gè)安全的停留區(qū)域,保證避險(xiǎn)人員在等待逃生過(guò)程中的安全,里面設(shè)有壓風(fēng)、供水、食物等維持生存所必須的物質(zhì)及配套系統(tǒng),以及環(huán)境監(jiān)測(cè)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。上述系統(tǒng)應(yīng)分別從井下和逃生通道獨(dú)立的接入硐室,形成井下整體性的安全避險(xiǎn)系統(tǒng),提高了避難硐室安全防護(hù)的可靠性。根據(jù)相關(guān)文件[7]要求,采用專(zhuān)用鉆孔或?qū)S霉苈窞楸茈y硐室供氧(風(fēng))的,在滿(mǎn)足人員避險(xiǎn)需求的前提下,可以簡(jiǎn)化或不再配置避難硐室高壓氧氣瓶、有毒有害氣體去除和溫濕度調(diào)節(jié)裝置,因此在滿(mǎn)足人員一定時(shí)間生存的條件下可大大減少硐室內(nèi)設(shè)備的配置。

3 小通道應(yīng)急逃生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

小通道應(yīng)急逃生系統(tǒng)主要包括:提升艙、應(yīng)急逃生通道、提升系統(tǒng)等三大部分。礦難發(fā)生后,井下不能直接升井的工作人員,可進(jìn)入避難硐室緊急避險(xiǎn),經(jīng)過(guò)與地面指揮聯(lián)系后,硐室內(nèi)人員可進(jìn)入提升艙,再通過(guò)提升系統(tǒng)提升到地面。

3.1 提升艙

3.1.1 基本功能及內(nèi)部設(shè)備配置

安全提升功能:為了保證人員能快速升井,設(shè)置上下兩層結(jié)構(gòu),每層可容納2人,如圖2所示。

圖2 提升艙結(jié)構(gòu)示意圖(mm)

通訊功能:提升艙內(nèi)配備有通訊設(shè)備,當(dāng)避險(xiǎn)人員在提升過(guò)程中可與地面營(yíng)救人員保持聯(lián)絡(luò)。

應(yīng)急供氧功能:提升艙內(nèi)配置有4臺(tái)120min自救器,確保提升艙內(nèi)避險(xiǎn)人員在緊急狀態(tài)下的供氧需求。

應(yīng)急逃生功能:當(dāng)提升艙在提升過(guò)程中因意外卡在逃生通道內(nèi)時(shí),艙內(nèi)避險(xiǎn)人員可通過(guò)設(shè)置提升艙頂部的應(yīng)急逃生門(mén)撤出提升艙,然后再通過(guò)逃生通道內(nèi)的安全梯爬至地面。

3.1.2 基本參數(shù)的確定

根據(jù)有關(guān)資料[8],99%的18~25歲成年男子滿(mǎn)足最大肩寬482mm,胸厚241mm,身高1830mm,按照額定每層提升兩人設(shè)計(jì),考慮提升艙內(nèi)部設(shè)備尺寸,人員的活動(dòng)空間,提升艙內(nèi)徑取780mm,外徑取800mm,單層空間高2000mm,提升艙兩層總高約5440mm,重量約700kg。

3.2 應(yīng)急逃生通道

3.2.1 通道內(nèi)部尺寸確定

為保證硐室內(nèi)生存保障系統(tǒng)的可靠性,在逃生通道內(nèi)設(shè)置從地面接入硐室的壓風(fēng)管路、供水管路、通訊及供電線(xiàn)纜,艙內(nèi)還設(shè)有安全梯和提升艙的罐道(罐道設(shè)置在安全梯兩側(cè),對(duì)提升艙進(jìn)行限位,防止提升過(guò)程中提升艙旋轉(zhuǎn),以增加提升的安全性與穩(wěn)定性),為保證通道能容納提升艙且考慮一定的富余量,逃生通道凈直徑取1m,通道平面布置如圖3所示。

1—壁后水泥固結(jié);2—鋼筒壁;3—提升艙;4—罐道;5—人梯;6—供水管;7—壓風(fēng)管;8—供電電纜;9—通信電纜;10—光纖;11—逃生人員;12—自救器圖3 逃生通道平面布置圖(mm)

3.2.2 通道底部布置

通道底部布置如圖4所示,在底部設(shè)有緩沖裝置,可有效緩解提升艙在下降到底時(shí)對(duì)地面的撞擊;為了使逃生人員快速進(jìn)入提升艙上層,在逃生室設(shè)置臺(tái)階,這樣上下兩層的避險(xiǎn)人員可同時(shí)進(jìn)入提升艙,縮短了逃生的時(shí)間。

3.2.3 通道頂部布置

在逃生通道地面處設(shè)置活動(dòng)板房保護(hù)通道,在通道口設(shè)置蓋板,入口處采用喇叭形,方便提升艙下放時(shí)進(jìn)入通道。出口旁設(shè)置臺(tái)階,方便提升艙上部人員出來(lái)。使用提升艙時(shí),活動(dòng)板房房頂可開(kāi)孔打開(kāi)。

圖4 逃生通道立面布置圖

3.3 提升系統(tǒng)及配套設(shè)備研究

3.3.1 提升系統(tǒng)確定

目前適用于小通道鉆孔提升的提升系統(tǒng)主要有兩種:一種是傳統(tǒng)的絞車(chē)提升,主要配套設(shè)備為絞車(chē)、井架及天輪,該系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)、設(shè)備成熟,單臺(tái)成本較低,但是地面設(shè)備占地面積大、平時(shí)維護(hù)成本高;另一種是車(chē)載式可移動(dòng)式救援絞車(chē),它將提升設(shè)備安裝在移動(dòng)平臺(tái)上改裝成,有電力、柴油兩種發(fā)動(dòng)機(jī),環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),井口設(shè)備占地面積少,可服務(wù)于礦區(qū)內(nèi)多個(gè)礦井,平時(shí)可以放置在室內(nèi)進(jìn)行維護(hù),一旦其所服務(wù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生事故,該救援設(shè)備可直接開(kāi)至逃生通道地面出口處,實(shí)施快速救援,但是其系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,單臺(tái)設(shè)備造價(jià)較高??紤]到神東礦區(qū)煤礦分布特點(diǎn),設(shè)備平時(shí)維護(hù)的便捷性、綜合成本以及逃生通道上方配置設(shè)備占地面積等因素,選用車(chē)載式可移動(dòng)式救援絞車(chē),如圖5所示。

1—天輪;2—臂架;3—鋼絲繩;4—支撐座;5—電動(dòng)推桿;6—電動(dòng)推桿底座;7—臂架底座;8—卷筒;9—控制室;10—手搖螺旋千斤頂;11—拖鉤;12—窗口;13—提升艙;14—房子;15—地面;16—人梯;17—罐道;18—吊鉤;19—救援平臺(tái)圖5 車(chē)載式可移動(dòng)式救援絞車(chē)提升圖

3.3.2 鋼絲繩確定

鋼絲繩懸掛時(shí)的安全系數(shù)必須符合《煤礦安全規(guī)程》第400條表七規(guī)定,按單繩纏繞式提升裝置,專(zhuān)為升降人員時(shí),安全系數(shù)的最低值取9。

1)鋼絲繩最大懸垂高度367m。

2)鋼絲繩終端荷重:

Q0=Q1+QT=9.81×4×80+

700×9.81=10006.2N

式 中,Q1為提升人員重量,每人重80kg,按4人計(jì)算;QT為提升容器自重700kg。

3)鋼絲繩單位長(zhǎng)度重量為:

/9.81

=0.6kg/m

式中,σB為鋼絲繩鋼絲的極限抗拉強(qiáng)度,取1670MPa;ma為鋼絲繩安全系數(shù),取9。

選擇14NAT18×7+FC1670型鋼絲繩,每米鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)重量為0.764>0.6kg/m,其最小鋼絲破斷力總和Qd為137281N。

4)鋼絲繩安全系數(shù)驗(yàn)算:

m=Qd/(Q0+9.81PSBH0)=137281/(10006.2+

9.81×0.764×367)=10.76>9

故選用14NAT18×7+FC1670鋼絲繩符合要求。

3.3.3 提升速度的確定

參考《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,立井中用罐籠升降人員時(shí)的加速度和減速度,都不得超過(guò)0.75m/s2,逃生通道深度為367m,在有罐道時(shí),其最大速度為ν=0.25H1/2=4.7m/s,考慮到艙體運(yùn)行狀況以及人員避險(xiǎn)、逃生時(shí)的心理因素,選擇提升速度為2m/s,單次升井所需時(shí)間為184s,上人及下人時(shí)間及加速度時(shí)間總和t總=140s,則提升1次(4人)平均所需時(shí)間為t2=(184+140)×2=648s,約11min。

3.3.4 滾筒的選擇

1)滾筒直徑。為了保證鋼絲繩的壽命,根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求[9],滾筒直徑應(yīng)大于16~20倍的鋼絲繩直徑。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,井上提升裝置的卷筒和包圍角大于90°的天輪,卷筒和天輪的最小直徑與鋼絲直徑之比不得小于80;圍包角小于90°的天輪,不得小于60。但溫毅等[10]指出,礦用提升機(jī)卷筒在設(shè)計(jì)時(shí),往往要求鋼絲繩的使用壽命越長(zhǎng)越好,并不優(yōu)先考慮提升機(jī)體積的大小,因而其繩徑比Dg/d要求達(dá)到80以上。而在緊急救援系統(tǒng)中,則要求:①在保證安全的前提下,提升機(jī)體積要盡可能小,即鋼絲繩直徑一定時(shí),繩徑比盡可能??;②鋼絲繩完成一次救援任務(wù)就可更換,或者中途也可以停機(jī)更換??梢猿踹x繩徑比Dg/d為45。

因此,Dg=45d=45×14=630mm

式中,Dg為滾筒直徑,mm;d為鋼絲繩直徑,mm。

2)滾筒寬度。根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》收集的礦用絞車(chē)參數(shù),在單滾筒提升絞車(chē)中,滾筒直徑在500~800mm時(shí),滾筒寬度選用600mm。

3)滾筒外徑。滾筒每一層纏繞的圈數(shù)n:n=600/14=42;每一圈所纏繞的長(zhǎng)度l:l=π×Dg=3.14×630=1978mm。因此,鋼絲繩的纏繞層數(shù)為:367÷(1.98×42)=4.4。即鋼絲繩的纏繞層數(shù)為5層。

則滾筒的外徑D1:

D1≥Dg+2×5×d

式中,d為鋼絲繩直徑,d=14mm 。

D1≥Dg+2×5×d=630+2×5×14=770mm

4)驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)煤礦實(shí)際條件,礦區(qū)電力系統(tǒng)相對(duì)完善,即使電纜無(wú)法到達(dá)的地方,也可以及時(shí)地配備大功率發(fā)電機(jī),因此,絞車(chē)驅(qū)動(dòng)方式選用電力驅(qū)動(dòng)。

4 結(jié) 論

1)煤礦井下事故發(fā)生后,避險(xiǎn)人員首先進(jìn)入避難硐室,經(jīng)過(guò)短暫停留,等待地面設(shè)備準(zhǔn)備到位后可通過(guò)逃生通道逃離到地面。避難硐室生存室設(shè)有壓風(fēng)、供水、食物等維持生存所需的物質(zhì)及配套系統(tǒng),可保證硐室服務(wù)區(qū)域內(nèi)所有人員有足夠的等待時(shí)間逃生至地面。

2)提升艙內(nèi)徑取780mm,外徑取800mm,單層空間高2000mm,兩層總高5440mm,總重700kg,每層可容納2人,艙內(nèi)配有通訊系統(tǒng)、自救器等應(yīng)急設(shè)施,在艙體頂部設(shè)有安全出口。

3)逃生通道凈直徑取1m,通道內(nèi)設(shè)置從地面接入硐室的壓風(fēng)管路、供水管路、通訊及供電線(xiàn)纜,同時(shí)還備有安全梯和提升艙罐道可增加提升的安全性與穩(wěn)定性。

4)提升系統(tǒng)選用車(chē)載式可移動(dòng)式救援絞車(chē),一臺(tái)設(shè)備可同時(shí)服務(wù)于多個(gè)礦井,平均成本低。鋼絲繩型號(hào)為14NAT18×7+FC1670,提升速度為2m/s,單趟提升時(shí)間約11min。

5)移動(dòng)絞車(chē)滾筒直徑為630mm,寬度為600mm,滾筒外徑為770mm,鋼絲繩纏繞層數(shù)為5層,采用電力驅(qū)動(dòng)。

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