2016.4.15川南巖溶區(qū)域快速金屬錨壁法治理總回風(fēng)巷漏風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)匯編

瀘州市威鑫煤業(yè)有限公司科學(xué)技術(shù)報(bào)告

川南巖溶區(qū)域快速金屬錨壁法治理總回風(fēng)巷漏風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)

瀘州市威鑫煤業(yè)有限公司四川師范大學(xué)2016.04.15匯報(bào)內(nèi)容項(xiàng)目簡介1快速金屬錨壁法施工方法5效果檢驗(yàn)與效益分析6快速金屬錨壁法工藝技術(shù)4總回風(fēng)巷通風(fēng)數(shù)值模擬3研究內(nèi)容與技術(shù)路線2結(jié)論與創(chuàng)新71.項(xiàng)目簡介威鑫煤礦總回風(fēng)平硐布置在二疊紀(jì)茅口灰?guī)r中，該地層巖溶發(fā)育，井口標(biāo)高+1100m，井口以里平巷坡度為3‰，總回風(fēng)平硐井口向里320.5m段巖溶、裂隙發(fā)育，穿過巖溶漏斗、溶洞等有9個(gè)之多.礦井風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在該段形成負(fù)壓，導(dǎo)致嚴(yán)重漏風(fēng)，最大漏風(fēng)量約1100m3/min?？偦仫L(fēng)巷漏風(fēng)情況由來治理前的總回風(fēng)巷1.項(xiàng)目簡介根據(jù)調(diào)研情況，礦井總回風(fēng)量5462m3/min，但在總回風(fēng)巷的300余米風(fēng)量損失極大，據(jù)現(xiàn)場測(cè)定總回風(fēng)巷道以內(nèi)350米處風(fēng)量銳減至4426m3/min，巷道外部漏風(fēng)1163m3/min，外部漏風(fēng)率達(dá)20.8%。1.項(xiàng)目簡介總回風(fēng)巷漏風(fēng)對(duì)威鑫礦安全生產(chǎn)威脅包括：1）造成用風(fēng)點(diǎn)有效風(fēng)量大量減少，使礦井井下某區(qū)域可能形成瓦斯等有毒有害氣體的積聚，還會(huì)使作業(yè)場所出現(xiàn)不良?xì)夂驐l件。2）使通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜化，影響礦井通風(fēng)穩(wěn)定性和可靠性，增加風(fēng)量調(diào)節(jié)的困難。3）可能使采空區(qū)遺煤引起自然發(fā)火。4）大量漏風(fēng)必將降低礦井有效風(fēng)量率、增加礦井通風(fēng)的電耗成本。1）收集威鑫礦的基礎(chǔ)地質(zhì)資料、運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測(cè)調(diào)研，結(jié)合川南地區(qū)巖溶發(fā)育的特點(diǎn)，綜合分析+1100m回風(fēng)巷道的漏風(fēng)原因。2）針對(duì)該漏風(fēng)巷道的實(shí)際情況，提出漏風(fēng)治理備選方案，并通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬以及理論分析等手段來確定各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并最終確定技術(shù)方案，以及該方案的關(guān)鍵點(diǎn)和重點(diǎn)技術(shù)。3）利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)確定的方案進(jìn)行具體參數(shù)設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括工藝流程、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)、材料選擇、現(xiàn)場施工、壽命評(píng)估、后期保養(yǎng)與維護(hù)等一整套技術(shù)，并力求達(dá)到先進(jìn)、高效、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)水平。4）將漏風(fēng)治理具體方案在現(xiàn)場實(shí)施，并檢驗(yàn)實(shí)施效果，通過反饋效果對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行完善和修改，并最終形成先進(jìn)、高效、經(jīng)濟(jì)、安全的巖溶地區(qū)巷道漏風(fēng)治理技術(shù)。2.研究內(nèi)容及技術(shù)路線研究內(nèi)容2.研究內(nèi)容及技術(shù)路線基礎(chǔ)資料收集漏風(fēng)原因分析實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)理論分析FLUENT模擬方案確定/關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方案實(shí)施效果檢驗(yàn)最終技術(shù)方案完善通過理論分析、數(shù)值模擬、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、現(xiàn)場驗(yàn)證等方法研究總回風(fēng)巷的漏風(fēng)規(guī)律、選擇合理工程對(duì)策以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上確定工程技術(shù)具體參數(shù)，最后將該技術(shù)運(yùn)用到總回風(fēng)巷漏風(fēng)治理中，通過最終的堵漏效果再對(duì)以上技術(shù)進(jìn)行完善。

技術(shù)路線圖3.總回風(fēng)巷通風(fēng)數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型質(zhì)量守恒定律——連續(xù)方程動(dòng)量守恒定律——運(yùn)動(dòng)方程能量守恒——粘性流體的能量方程3.總回風(fēng)巷通風(fēng)數(shù)值模擬1.幾何模型與網(wǎng)格化

2.總回風(fēng)巷剖面圖3.總回風(fēng)巷通風(fēng)數(shù)值模擬空氣進(jìn)入巷道的云圖，可見巖層內(nèi)部的氣流速度總體較為均勻，大致為1.5e-2m/s，在靠近巷道表面處氣流速度出現(xiàn)了明顯的不均勻，巷道頂部風(fēng)速較大，兩幫及底面風(fēng)速減小。該處斷面空氣以0.137m3/s的流量從地面穿過裂隙地層進(jìn)入回風(fēng)巷道。

右圖為主回風(fēng)巷風(fēng)流參數(shù)云圖。依次展示了風(fēng)流壓力云圖，切應(yīng)力云圖，風(fēng)流沿X方向上的X方向加速度云圖。以第3圖為例，風(fēng)流在巷道拐彎處的右上角加速度最大。3.總回風(fēng)巷通風(fēng)數(shù)值模擬3.總回風(fēng)巷內(nèi)部通風(fēng)模擬上圖為主回風(fēng)巷風(fēng)流壓力云圖?；仫L(fēng)口向里風(fēng)流負(fù)壓逐漸降低。下圖為巷道內(nèi)部風(fēng)流速度矢量圖。3.總回風(fēng)巷內(nèi)部通風(fēng)模擬4.漏風(fēng)治理前后總回風(fēng)斷面云圖對(duì)比治理前治理后漏風(fēng)治理后現(xiàn)場實(shí)測(cè)風(fēng)流損失約159-186m3/min，在風(fēng)機(jī)功率不變的情況下，通風(fēng)量在進(jìn)口段提升至4093m3/min，比治理前的礦井通風(fēng)量提升了554m3/min，非常明顯的改善了礦井通風(fēng)條件。3.總回風(fēng)巷通風(fēng)數(shù)值模擬出風(fēng)口斷面風(fēng)流通量為4702m3/min，平均風(fēng)速大約為7.84m/s，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)流通量為3539m3/min，平均風(fēng)速大約為5.89m/s，風(fēng)量損失為1163m3/min，基本與實(shí)際情況較為符合。4.快速金屬錨壁法工藝技術(shù)

總體設(shè)計(jì)如圖所示，金屬錨壁由端蓋、金屬錨壁主體、轉(zhuǎn)彎緩沖體、錨桿等構(gòu)成，通過快速金屬錨壁法形成二次回風(fēng)巷，能夠快速有效地防止漏風(fēng)現(xiàn)象。其中端蓋由混凝土制作，與巖巷、金屬錨壁嵌合。金屬錨壁主體之間采用新型法蘭連接，而金屬錨壁與頂板采用間距750mm*750mm的特制錨桿聯(lián)接。巷道轉(zhuǎn)彎處、或者長距離巷道的中間處分別設(shè)轉(zhuǎn)彎緩沖體和端蓋緩沖體，由混凝土制作，中間填充柔性材料起到緩沖作用。1.總體設(shè)計(jì)2.裝配圖4.快速金屬錨壁法工藝技術(shù)端蓋組件側(cè)板組件蓋板組件（含錨桿組件）錨桿組件轉(zhuǎn)彎緩沖零件4.快速金屬錨壁法工藝技術(shù)3.零件圖4.快速金屬錨壁法工藝技術(shù)3.金屬錨壁變形圖表5-1設(shè)備、設(shè)施統(tǒng)計(jì)表序號(hào)設(shè)備材料名稱單位數(shù)量備注135mm2電纜m5002防爆開關(guān)臺(tái)23等離子切割機(jī)臺(tái)14打汽泵臺(tái)15滾板機(jī)臺(tái)16二氧化碳保護(hù)焊機(jī)臺(tái)27小焊機(jī)臺(tái)18平板車自制可移動(dòng)操作平臺(tái)座110000元9平板車自制可移動(dòng)手動(dòng)叉車臺(tái)113000元10平板車臺(tái)311攪拌機(jī)350型臺(tái)112鏟車臺(tái)15.快速金屬錨壁法施工方法1.施工設(shè)備按20m一個(gè)點(diǎn)實(shí)測(cè)漏風(fēng)數(shù)——掘進(jìn)起底至設(shè)計(jì)標(biāo)高并整平——裝運(yùn)矸石至地面卸矸點(diǎn)——φ42鉆頭打錨桿聯(lián)接眼——制安連接錨桿——制安金屬錨壁側(cè)板并錨桿聯(lián)接——使用法蘭聯(lián)接相鄰側(cè)板——搭設(shè)操作平臺(tái)（安裝金屬錨壁蓋板用）——制安金屬錨壁蓋板并錨桿聯(lián)接——使用法蘭聯(lián)接相鄰蓋板、側(cè)板——澆筑底板砼——清理巷道浮渣——實(shí)測(cè)檢查封堵漏風(fēng)數(shù)據(jù)（如達(dá)到要求）——竣工驗(yàn)收。5.快速金屬錨壁法施工方法

2.施工工藝施工后的巷道5.快速金屬錨壁法施工方法3.現(xiàn)場圖片6.效果檢驗(yàn)與效益分析地點(diǎn)斷面(㎡)風(fēng)量（m3/min)堵漏前堵漏后堵漏前堵漏后1#機(jī)+6°2#風(fēng)機(jī)+6°1#風(fēng)機(jī)+6°2#風(fēng)機(jī)+6°1#機(jī)0°1#風(fēng)機(jī)-3°2#風(fēng)機(jī)0°2#風(fēng)機(jī)-3°引風(fēng)硐12.412.455895466534252144375372441863584總風(fēng)外部未漏風(fēng)段11.111.154625342527750894282358440433436堵漏末端11.19.952445206521950644246356540283428堵漏80m10.89.5549144896521450784254357240363433堵漏150m11.610.147254644522150264261356240423424堵漏240m8.47.245614462527350444246354140543425堵漏始端7.66.644264106520350384216353940163416主平硐1500m101042644151503049764166344638693278主平硐600m10.410.438693816480047743894321236233064+1100m回風(fēng)平硐漏風(fēng)治理前后數(shù)據(jù)測(cè)試表——風(fēng)量1.效果檢驗(yàn)地點(diǎn)斷面(㎡)風(fēng)速(m/s)堵漏前堵漏后堵漏前堵漏后1#機(jī)+6°2#風(fēng)機(jī)+6°1#風(fēng)機(jī)+6°2#風(fēng)機(jī)+6°1#機(jī)0°1#風(fēng)機(jī)-3°2#風(fēng)機(jī)0°2#風(fēng)機(jī)-3°引風(fēng)硐12.412.47.517.357.187.015.884.925.634.82總風(fēng)外部未漏風(fēng)段11.111.18.208.027.927.646.435.386.075.16堵漏末端11.19.97.877.828.798.537.156.006.785.77堵漏80m10.89.557.587.569.108.867.426.237.045.99堵漏150m11.610.16.796.678.628.297.035.886.675.65堵漏240m8.47.29.058.8512.2111.689.838.209.387.93堵漏始端7.66.69.719.0013.1412.7210.658.9410.148.63主平硐1500m10107.116.928.488.296.945.826.455.46主平硐600m10.410.46.206.127.697.656.245.155.814.91+1100m回風(fēng)平硐漏風(fēng)治理前后數(shù)據(jù)測(cè)試表——風(fēng)速地點(diǎn)斷面(㎡)負(fù)壓（pa）堵漏前堵漏后堵漏前堵漏后1#機(jī)+6°2#風(fēng)機(jī)+6°1#風(fēng)機(jī)+6°2#風(fēng)機(jī)+6°1#機(jī)0°1#風(fēng)機(jī)-3°2#風(fēng)機(jī)0°2#風(fēng)機(jī)-3°引風(fēng)硐12.412.428982646244423181678122816231208總風(fēng)外部未漏風(fēng)段11.111.1堵漏末端11.19.9堵漏80m10.89.55堵漏150m11.610.1堵漏240m8.47.2堵漏始端7.66.6主平硐1500m1010主平硐600m10.410.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：漏風(fēng)治理前，+1100回風(fēng)平硐外部漏風(fēng)1163m3/min，外部漏風(fēng)率20.8%，漏風(fēng)治理后外部漏風(fēng)159~223m3/min，漏風(fēng)率小于5%。經(jīng)濟(jì)效益分析：總風(fēng)漏風(fēng)治理后，根據(jù)礦井實(shí)際需風(fēng)量，葉片角度降低了9°，主扇功率降低了97KW，月節(jié)約能耗7.12萬元，礦井通風(fēng)阻力由原來2898Pa降至1228Pa，通風(fēng)困難程度由原中等變?yōu)槿菀?。每年?jié)約費(fèi)用：7.12*12=85.4萬元，即每年節(jié)約費(fèi)用為85.4萬元之間。根據(jù)該礦現(xiàn)有礦井服務(wù)年限40年，可節(jié)約費(fèi)用：85.4*40=3416萬元，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。2.經(jīng)濟(jì)效益分析6.效果檢驗(yàn)與效益分析7.結(jié)論與創(chuàng)新1.分析總回風(fēng)巷的漏風(fēng)致因根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和風(fēng)量測(cè)量、文獻(xiàn)調(diào)研、現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，分析了引發(fā)總回風(fēng)巷漏風(fēng)的主要原因是巖溶發(fā)育，以及巖層裂隙。2.總回風(fēng)巷漏風(fēng)治理方案研究考慮了砌碹法、擴(kuò)巷+鋼筋混凝土支護(hù)法、注漿堵漏法等傳統(tǒng)漏風(fēng)治理方案，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、以及技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，提出采用新型快速金屬錨壁法方案治理漏風(fēng)。3.川南巖溶區(qū)域漏風(fēng)規(guī)律研究推導(dǎo)了滲流場的三個(gè)基本方程，即連續(xù)方程，運(yùn)動(dòng)方程和能量方程，以及上覆裂隙地層進(jìn)入巷道過程的多孔介質(zhì)基本方程；利用FLUENT研究了巷道漏風(fēng)滲流場規(guī)律和研究了巷道風(fēng)流場規(guī)律，為采用快速金屬錨壁法治理漏風(fēng)措施提供科研數(shù)據(jù)。1.主要結(jié)論4.提出了巖溶區(qū)域快速金屬錨壁法工藝技術(shù)提出金屬錨壁的基本設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了總裝圖、關(guān)鍵零部件的三維模型；2完成金屬錨壁關(guān)鍵部件的實(shí)驗(yàn)仿真、受力分析、可靠性分析和壽命評(píng)估等輔助分析工作；3）提出金屬錨壁法的施工設(shè)備、施工工藝和施工方法；4）提出保養(yǎng)和維護(hù)工藝和方法。5.巖溶區(qū)域快速金屬錨壁法現(xiàn)場效果評(píng)價(jià)從近三年生產(chǎn)表明，該方案基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。漏風(fēng)治理前+1100回風(fēng)平硐外部漏風(fēng)1163m3/min，外部漏風(fēng)率20.8%，漏風(fēng)治理后外部漏風(fēng)159~186m3/min，漏風(fēng)率小于3.5%.該技術(shù)可為各類巷道防漏風(fēng)治理提供可參考的技術(shù)措施，其技術(shù)對(duì)營造良好的通風(fēng)環(huán)境，提升安全生產(chǎn)水平有積極有效的促進(jìn)作用。7.結(jié)論與創(chuàng)新1、通過理論分析建立了巖溶區(qū)域的總回風(fēng)巷滲流基本方程，并數(shù)值模擬了風(fēng)流場規(guī)律。獲得了風(fēng)流在巷道流動(dòng)