黄 超

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602）

0 引 言

矿井采掘衔接中，掘进进尺是重要考核指标，为了提高掘进进尺，各大煤炭集团开始采用长距离快速掘进技术，其中掘进工作面通风为通风管理中的重点环节[1-2]。根据每年的事故统计，因掘进工作面局部通风机发生非计划的停电停风、风筒被刮碎断开等，导致掘进工作面发生微风、无风，而引发瓦斯、煤尘爆炸事故占比达到78%以上[3-4]。近些年来随着科技发展，长距离快速掘进技术得到快速发展，大功率局部通风机[5]、变频局部通风机[6]得到了极大发展，很好的解决了长距离巷道的通风难题，但由于各煤田、各矿区的煤层赋存条件不同，对于长度3 500 m 以上的掘进工作面，长距离快速掘进工作面局部通风问题限制了掘进速度，本文提出风筒吊挂动态延伸技术以解决此难题[7]。

1 矿井概况

山西焦煤集团有限责任公司斜沟煤矿18106 材料巷掘进工作面属于单巷快速掘进巷道，材料巷设计长度为3 720.5 m，巷道高度为3.8 m，宽度为5.2 m，断面积为19.76 m2。快速掘进系统主要包括全断面掘进机、十臂锚杆机、迈步式自移机尾、转载机组成，具体如图1 所示。

图1 风筒吊挂技术方案示意

在试运行快速掘进系统时发现：由于十臂锚杆机到掘进工作面迎头这段巷道缺少有效支护，同时这段巷道距离随着掘进随时变化，加之锚杆机笨重、体积庞大，难以进行吊挂和前移除尘风筒，导致风筒末端到掘进工作面迎头15 m 距离内出现微风、无风，为了解决这一重大通风隐患，提出工作面风筒吊挂动态延伸技术。

2 风筒吊挂技术研究

2.1 设计方案

通过观察井下实际情况，决定利用恒力液压绞车钢丝绳预紧装置来吊挂风筒，动力来源为锚杆机液压系统，首先在掘进机和十臂锚杆机以及转载机和十臂锚杆机吊挂好钢丝绳，接着利用2 辆恒力液压绞车进行拉紧钢丝绳，借助恒力液压绞车达到自动伸缩前移风筒的目的，利用滑轮和风筒吊环将风筒悬挂在钢丝绳上，具体操作如图1 所示。此设计的好处是结构简易，制作安装便利。

2.2 选择恒力液压绞车

1）工作原理。在十臂锚杆机（风筒进风口上部）固定好恒力液压绞车，在掘进机后部固定好绞车的另一端钢丝绳，随着掘进进尺的不断增大，液压绞车根据掘进机与锚杆机之间的距离，自动收缩、放开钢丝绳，实现风筒随着掘进机而自动伸缩，将10 节长度5 m 的风筒悬挂在钢丝绳上，可达到400 kg 的重量，受力载荷平均分布，满足风筒长度随着掘进机与锚杆机距离的变化而同步变化。绞车固定如图2 所示。

图2 固定绞车

2）力学模型简化。钢丝绳上存在均布载荷q作用，主要由钢丝绳、风筒、滑轮的重力3 部分组成。图3 为力学模型简化后的情形。

图3 力学模型

3）参数计算。结合上述模型及载荷，由于自身重量和均布载荷的影响，水平放置的钢丝绳由水平状态变成抛物线，取垂向挠度与水平距离之比是1/100，跨度取50 m 进行计算，得到挠度是0.5 m，图4 为几何模型。

图4 简化几何模型

拟合得到抛物线公式：

式中：x为跨度，m；y为挠度，m。

根据公式（1），对x进行一阶导数计算，在右端x=50 位置得到切向角α=2.29°。结合材料力学理论，得到：

式中：Fs为钢丝绳所受向力，N；q为单位长度重力，N/m。

根据静力关系得到：

式中：T为切向力，N。联立公式（2）、（3）得到

式中：q=q1+q2。q1为风筒单位长度重力，则q1=78.4 N/m；q2为钢丝绳单位长度重力，取钢丝绳公称直径D=13 mm，q2=9.31 N/m。

计算得：T=55 kN。

钢丝绳最小破断拉力F0：

式中：R0为钢丝绳公称抗拉强度，取1 960 MPa；K'为某一类别钢丝绳最小破断拉力系数，取0.490。

由上述计算发现安全系数达到现场实际要求；根据液压绞车数据，因风筒进风端和出风端都连接在大型采掘机械上，自身将负担绝大多数自重而形成的拉力，因此决定使用IYJ2.5－15－55－13 型液压绞车，要求容绳量最少为55 m、钢丝绳直径最少为13 mm。

2.3 吊挂技术

结合斜沟煤矿18106 材料巷长距离掘进通风状况，为保证有效进尺、工作面风量充足，提高工作面的除尘效果，设计一种风筒吊挂工艺。

1）可伸缩风筒吊挂技术。在锚杆机两侧实施可伸缩风筒吊挂技术，具体如图5 所示。将2 台恒力液压绞车分别安设于锚杆机两端铁皮风筒正上方，绞车钢丝绳的另一端分别固定于掘进机后部和转载机上。要求锚杆机前方安设的绞车滚筒轴的中心高于铁皮风筒后部最上方400 mm，目的是绞车在牵引或者回收钢丝绳不会磨损破坏风筒，同时需要使用旧皮带保护铁皮风筒与柔性风筒接口处。为了避免液压绞车发生夹绳现象拉断钢丝绳，在液压绞车上安设导绳装置。

图5 风筒吊挂工艺

利用滑轮装置将风筒悬挂在锚杆机前部和后部伸缩区域的钢丝绳上。为充分避免负压风筒被吸瘪导致风量不足，在风筒上每距离1 个钢圈安装1 个滑轮，同时使用滑轮自带的挂钩与风筒的钢圈直接勾住相连，不采用风筒自身的吊环进行悬挂。

2）转载机上方固定段风筒吊挂。将吊挂风筒的支架安设在转载机上，每个支架相距约1.3 m，用横梁连接相邻2 个支架，要保证横梁长度超过支架间距0.5 m 以上，避免在移动转载机时由于巷道底板凹凸不平导致横梁发生脱落。在支架的横梁上悬挂除尘风机固定段风筒，要求悬挂风筒时，逢环必挂。

3）掘进机上方固定段风筒吊挂。若掘进机上部有足够的的距离，通过把直径0.8 m 的风筒连接延长到掘进机前头，需将风筒用钢丝绳悬挂在液压绞车上。若掘进机上部距离不够，直径0.8 m 的风筒无法延伸到掘进机前头，需要加工一个铁皮变径悬挂在掘进机上部，将直径0.8 m 风筒转换为直径0.6 m风筒，之后把直径0.6 m 风筒连接延长到掘进机前头。要求悬挂风筒时，要逢环必挂。

3 现场试验

结合设计方案，自主加工快速掘进系统的风筒吊挂成套装置，在工业广场调试运行成功后，于2020 年10 月1-30 日在斜沟煤矿 18106 材料巷掘进工作面开展现场应用。为考察除尘效果，制定风速、粉尘浓度2 个重要考核指标的现场测定方案。由于十臂锚杆机与掘进机这段区域有效空间较小，难以进行测风，选定压入式与抽出式风筒重叠区域作为测风地点。通过粉尘浓度变化情况来间接代表十臂锚杆机与掘进机这段区域的风速情况。

3.1 测定风速

快速掘进通风系统运行正常之后，指派专职测风员进行现场实测，对10 月1 日-10 日的风速数据开展分析，图6 为这10 d 的风速变化情况。

图6 风速变化

由图6 发现，压入式与抽出式风筒重叠地点的风速稳定在0.25～0.6 m/s，无微风、无风现象，符合规定要求。

3.2 测定粉尘浓度

快速掘进通风系统运行正常之后，指派专职测尘人员进行现场实测，现场实测粉尘浓度结果见表1。

表1 粉尘浓度测定

从表1 发现：实施风筒吊挂动态延伸技术后，18106 材料巷掘进工作面总尘浓度都低于4 mg/m3，呼尘浓度都小于2.5 mg/m3。根据《煤矿安全规程》（2016 版）第六百四十条“当煤尘中游离SiO2含量小于10 %时，总尘浓度不得超过4 mg/m3，呼尘浓度不得超过2.5 mg/m3”，因此18106 材料巷掘进工作面粉尘浓度都符合规定要求。

4 结 论

在18106 材料巷掘进工作面实施风筒吊挂动态延伸技术，通过现场实测发现：掘进工作面附近风量充足，有效降低粉尘浓度，解决工作面除尘效果差的难题。18106 材料巷长距离快速掘进风筒吊挂技术的成功应用，明显提高了掘进工作面的降尘效果，极大改善工作面的作业环境，具有良好的经济效益。