Practice and Application of a Air Duct Protection Device in Laoshidan Coal Mine
司建军 SI Jian-jun
（神华乌海能源有限责任公司路天煤矿，乌海 016033）
（Shenhua Wuhai Energy Co.，Ltd. Lutian Coal Mine，Wuhai 016033，China）
摘要：针对掘进工作面受到褶皱、褶曲等地质构造的影响导致掘进的巷道在纵剖面上发生一定程度的弯曲，在皮带输送机起动拉紧的一刹那将会引发皮带上跳从而打坏安设在其上部的风筒的实际情况研制出一种新型风筒保护装置，并阐述了新型风筒保护装置的工作原理和使用注意事项，在老石旦煤矿031604运输顺槽北翼掘进工作面进行了试验应用，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、高效生产。
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.
关键词：风筒保护；装置；实践与应用
Key words: air duct protection；device；practice and application
中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）34-0141-03
0 引言
随着煤矿地下开采广度跟深度的加大，出于安全方面的考虑，我国大部分矿山采用沿煤层底板进行巷道掘进，掘进工作面的通风方式主要采用局部通风机进行独头通风[1]。然而由于受到褶皱、褶曲等地质构造的影响导致采用综掘掘进的巷道在纵剖面上发生一定程度的弯曲，在皮带输送机起动拉紧的一刹那将会引发皮带上跳从而打坏安设在其上部的风筒，尤其在高瓦斯以及煤与瓦斯突出矿井，为了保证安全生产，降低瓦斯超限事故的发生，矿山管理者采取了一系列的通风安全防护措施来保证风筒的安全，但是在实际工作当中仍然出现了一些问题，就目前起动皮带运输机引发皮带上跳打坏风筒的问题仍然没有一个很好的解决办法[2]。例如，神华乌海能源公司老石旦煤矿，由于地质构造的影响使得皮带运输顺槽呈阶梯状延伸，皮带上跳打坏风筒的事故时有发生，尤其是在矿井技术改造的时段，通风安全显得至关重要，这对矿山管理者提出了严峻的挑战。高瓦斯矿井或者煤与瓦斯突出矿井掘进工作面瓦斯超限将会导致瓦斯事故，严重的甚至导致经济受损和人员伤亡，而低瓦斯矿井如果掘进工作面供风量不足也会导致工作人员由于缺氧引发的一系列严重的后果。风筒是保证掘进工作面独头通风的主要设备之一，由于独头通风方式的局限性跟特殊性，保证风筒的安全使用显得愈发重要，因此，非常有必要对皮带上跳打坏风筒这一面临的棘手问题进行解决，为矿井安全生产提供科学的依据和理论指导，同时也为类似情况的矿山安全生产提供技术支撑。
1 提出问题
一种风筒保护装置的研制主要应用通风安全研究领域。风筒是保证煤矿独头掘进过程中通风安全的主要设备之一，通风工作是保障煤矿安全生产的重中之重。在我国大多数煤矿，掘进巷道大都是沿着煤层底板进行掘进的，由于受褶皱、褶曲等地质构造的影响，从而导致掘进的巷道沿褶皱、褶曲的形态发生弯曲，严重弯曲的地方甚至会呈现“S”型，这常常会使皮带在起动张紧过程的一瞬间引发皮带上跳打坏风筒，从而导致供风不畅、供风量不足的情况，严重的时候将会使掘进工作面缺氧导致人员窒息死亡事故和引发瓦斯爆炸事故[3]。目前，采用局部通风机通过风筒进行供风仍然是独头掘进的主要供风方式，尤其是在综合机械化掘进工作面，风筒的保护显得愈发至关重要，然而在呈弯曲状的皮带巷，风筒的安全保护装置的研制目前仍然是个空白，没有一种很好的方法能够保证风筒不被弹起的皮带打坏[4]。如果经常更换风筒又会投入大量的人力物力，导致大量的不必要的经济投入和人力投入；如果不对打坏的风筒进行处理，又会导致掘进工作面供风不足，从而引起作业场地人员窒息死亡事故；尤其是在高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出的矿井，在某些区域又会出现瓦斯超限现象，给煤矿安全生产带来安全隐患。瓦斯是煤矿安全生产的天敌，瓦斯防治工作是煤矿安全生产的重中之重，这就对煤矿通风安全提出了更高的要求。一种风筒保护装置的研制属于矿山通风安全技术研究领域，该风筒保护装置的研制对皮带运输机在起动张进的一刹那引发皮带上跳打坏风筒起到了很好的效果，从而避免了风筒被弹起的皮带打坏的后果，保证了通风安全，最大限度的保障矿山安全生产活动的有序进行。
2 分析问题
由于皮带巷受到褶皱、褶曲等地质构造的影响导致采用综掘掘进的巷道在纵剖面上发生一定程度的弯曲，在皮带输送机起动拉紧的一刹那将会引发皮带上跳从而打坏安设在其上部的风筒。皮带上跳也是导致皮带跑偏的一个重要因素，皮带跑偏将会引发皮带运输运转不正常，从而严重影响煤矿安全生产的顺利进行。由于独头通风风筒的损坏将会导致掘进工作面供风不畅、供风量不足，严重的时候可能会引发掘进工作面缺氧导致人员窒息死亡事故，尤其是在有瓦斯涌出的矿井将会引发瓦斯爆炸事故；经常更换风筒又会投入大量的人力物力财力，导致大量的不必要的经济投入和人力投入，增加矿山运行的成本。
3 解决问题
3.1 矿井及工作面概况
老石旦煤矿隶属于神华集团乌海能源有限责任公司，核定生产能力150万吨/年，矿井采用斜井—立井混合式开拓方式，采用单一水平采区式开采，目前主采北三采区12#、16#煤层，在12#煤层布置一个综采工作面，16#煤层布置两个综放工作面。矿井采用中央分列式通风，全矿有4个井筒，主、副井、北三风井进风，回风立井回风。回风立井安装了两台主要通风机，一台运转，一台备用，双电源供电，型号均为FBCDZ№23，功率2*132kW。矿井4月份风量测定：总进风量为5021m3/min，总回风量为5191m3/min；矿井通风压力1950Pa，矿井通风等积孔为2.4m2。矿井有效风量率为87.3%。2016年矿井瓦斯等级鉴定，瓦斯绝对涌出量为6.19m3/min，相对涌出量2.48m3/t，属瓦斯矿井[3]。
该矿老石旦煤矿031604运输顺槽北翼段掘进工作面位于北三井口西南部，该工作面位于16#运输下山西南，16#煤层露头700m左右。16#煤层属稳定的中厚煤层，煤层结构复杂，煤层平均厚度8.8m，煤层走向北西，倾向北东。16#煤层的倾角为8°~18°，煤层顶板为页岩、砂页岩，底板为细砂岩。031604运输顺槽北翼段巷道断面形状为切圆拱形，净高为3.9m，净宽为5.0m，巷道墙高为2.2m，拱高为1.7m，巷道断面为13m2，已掘970m。巷道采用锚杆+金属网+锚索联合支护形式，综合机械化掘进方式。工作面采用压入式局部通风机进行通风，采用FBD-2×30kW的局部通风机，风筒直径为Φ1000mm，巷道需风量为580m3/min，实际供风量631m3/min。16#煤层瓦斯含量为4.54m3/t，煤层容重为1.55t/m3。
3.2 工作原理
该装置发明目的主要针对皮带输送机起动拉紧的一刹那引发皮带上蹿下跳致使其打坏安设在其上部的风筒，该风筒保护装置的研制通过在皮带运输机上安设一个焊有托辊装置的结构，使皮带在上弹的过程中对其产生一个阻挡的力，从而起到保护悬挂在其上部风筒的作用，在满足《煤矿安全规程》中对机械设备要求的同时，可以不影响皮带对煤炭的正常运输，也可以有效的防治皮带的跑偏。
3.2.1 该风筒保护装置研制的设计理论基础和依据
由于皮带不平自然状态下存在一定量的挠度，在皮带起动张紧的过程中会向上弹起，从而打在风筒上。由于皮带受到一个向前的驱动力F3跟一个向上的弹力F2，在混合力F1的作用下，风筒跟运动弹起的皮带接触受到一个拍击力跟一个摩擦力，如果合力足够大，风筒就会发生损坏从而导致漏风，进而引发通风安全事故。如果在皮带的上方风筒的下方一定位置安装一个托辊，使其在皮带弹起的时候对其产生一个阻挡作用，从而防止皮带跟悬挂在其上方的风筒直接接触，起到保护风筒的作用。图1中三个力的关系如下：
2F1=（F2/cosβ）+（F3/cosα）（1）
由于α+β=90°，上面（1）式可以化简为如下：
2F1=（F2/sinα）+（F3/cosα） （2）
托辊在受到运动弹起时的皮带受力分析如图1所示，由于托辊在受到混合力F1作用时会产生转动，从而使滑动摩擦转化为滚动摩擦，减小了摩擦；另一方面由于受到托辊对运动弹起的皮带有一个反作用力，在托辊反作用力的作用下会促使弹起的皮带返回其正常运行的轨道，对皮带的跑偏纠偏也能起到较好的效果。
3.2.2 该风筒保护装置研制的设计与研究的工作原理
风筒保护装置的设计：
如图2所示，在皮带机支架外缘的圆形横梁上设置一对尺寸配套的卡环，在上半卡环的顶部焊上一高度适宜的支架，在支架的顶部安装上一个托辊。这里需要注意几个比较关键的问题如下：
①卡环的尺寸必须要与皮带机支架外缘的圆形横梁配套，可以选择稍大一些的卡环，在卡环与横梁之间垫上皮子等充填物以防松动。
②支架的高度必须以皮带不打到风筒为宜，但是支架设置也不能过低，太低的话会对皮带上煤炭的运输产生影响，比如皮带上有大块煤运输时可能导致阻卡，从而导致安全事故的发生。
③托辊的选择也至关重要，要选择滚动性能较好的托辊，以防在强大的皮带张紧时产生巨大的冲击力的作用下，能够有效的保证对皮带产生滚动，以减小摩擦阻力。
通过以上力学分析跟研究设计，结合现场实际情况，在平常生产工作中容易发生弹起的部位上方设置一套风筒保护装置，从而保护风筒不再被打坏。皮带运输顺槽巷道剖面示意图详见图3。
3.3 一种风筒保护装置制作时需要注意的事项
①卡环要和皮带支架连接牢固，螺丝要拧紧上牢，加上弹簧垫防止螺丝松动，造成风筒保护装置脱落。
②支架的高度要适宜，不宜太低，太低容易堵住煤块，造成运输不畅；也不宜太高，太高可能对风筒起不到有效的保护作用。
③选择的托辊性能良好，自转灵活，使其保护效果更好。
④加强对风筒保护装置的托辊的检查和维护，及时上油，保持其良好的滚动性能。
⑤对于损坏的风筒保护装置要及时进行更换，排除潜在的安全隐患。
4 应用实例及效果分析
老石旦煤矿2016年9月份在031604运输顺槽北翼掘进工作面掘进过程中遇到了三个向斜构造，由于掘进是沿煤层底板进行的，在向斜部位很容产生皮带上扬，掘进巷道的风筒经常被打坏，结合现场实际问题，神华乌海能源公司老石旦煤矿跟中煤科工集团工程科技有限公司联合进行问题分析与技术攻关，与当年10月1日开始进行风筒保护装置的研发，截止当年12月17日在老石旦煤矿处于向斜的皮带安设了3组风筒保护装置，每组3个，按图3中所示情况进行安设。通过现场实际应用效果证明：该掘进巷道自2016年12月25日开始掘进以来再也没有发生过皮带打坏风筒的事故，保证了掘进工作面的安全生产，使用效果非常明显，该风筒保护装置的研制具有非常好的现实意义和推广应用前景。
5 结语
①结构紧凑，制作简单，成本低。
②使用可靠，效果明显，具有良好的互换性，对于损坏的装置可以进行及时更换。
③有效的保护了风筒的安全运行。
④防止了皮带的跑偏，有着良好的皮带纠偏性能。
⑤减小了皮带磨损，增加了皮带的使用寿命。
⑥填补了该领域的空白，促进了矿井的安全生产。
参考文献：
[1]张宁.对煤矿开采机械设备及自动化技术的分析[J]．内蒙古煤炭经济，2015（4）：35-37.
[2]付强.苏北地方煤矿采煤机械化的现状与展望[J]．能源技术与管理，1984（3）：41-44.
[3]唐健.全面推进煤矿开采机械智能信息化建设的研究[J]. 煤矿机械，2013（7）：83-86.
[4]李峰.煤矿采煤方法和采煤技术的选择浅谈[J].能源与节能，2014（1）：96-98. |
