煤矿永久避难硐室气幕喷淋装置设计研究

王林冲

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

山西煤炭进出口集团长治经坊煤业有限公司煤矿位于山西省长治市长治县，井田范围无特殊的地质构造，只有部分断层发育，绝大部分煤岩层为缓倾斜走向。矿井八采区3-807工作面顶板富水性较好，易成为本矿3#煤层开采的安全隐患。八采区内永久避险硐室主体结构已经完工，准备完善配套系统的建设与施工。本文对八采区内永久避险硐室的气幕喷淋装置进行设计研究，以达到过渡室有效隔绝净化外部有毒有害气体、减少粉尘进入的目的。

1 永久避难硐室概况

根据本矿井的服务年限设计，八采区永久避难硐室的设计服务年限为5年，硐室位于该水平水文地质条件较好，煤岩层较稳定的地层中，硐室前后顶板均完整，无矿压显现现象，硐室结构采用“双入口式”的设计方式，硐室的大小按容纳100人的生存需要计，其内部配套设施也按此容量计，气幕喷淋装置在两个过渡室各设置一套，紧急避难硐室结构形式如图1所示。

图1 紧急避险硐室结构形式图

2 气幕喷淋装置及风量计算

紧急避难硐室的过渡室中安装气幕喷淋装置，其作用就是在过渡室内将硐室内外的空气用一道气幕将对流空气阻隔，将生存室内空气维持在一个相对封闭的环境中，不至于使硐室外的有害气体随着避难人员一起进入硐室，对硐室内新鲜空气造成污染，因为硐室外的气体一般含有害气体比较多，且矿难发生时往往伴随着有害气体更多，所以合理设置气幕喷淋装置很有必要。气幕喷淋系统除包括气幕装置将有害气体阻隔外，还应该包括可以净化有害气体的喷淋装置，喷淋装置通过置换原理，将有害气体的浓度降低，保证随避难人员进入硐室的气流新鲜。

喷淋系统使用过程中的供气方式有两路,一路为矿井压风，另一路为自备的空气压缩瓶供气，硐室内必须保持不大于100MPa的正压，且压力不能过高，而且应该有泄压措施，进入硐室的空气为喷淋系统供气前一般经分流后压力降为0.3～0.6MPa。经过分流的气流在经过共用球阀控制后风路再次汇流，即两路供气同时由一个球阀控制，当优先采用的压风系统动力不足或者风路系统损坏时，可采用自备的压缩空气控制阀供气。

气幕喷淋系统原理如图2所示。

图2 气幕喷淋系统原理图

气幕喷淋系统自备压缩空气存储瓶的数量应根据过渡室的空间大小、额定避险人数、每人使用气幕系统和喷淋系统时间、压缩空气的流量以及每瓶气的容量来确定。

过渡室的面积为58.24m2，扣除存储瓶和其他设施占的面积，有效使用面积按52m2计，紧急避险人员分组进入硐室内，每组人员数量定为10位。

气幕喷淋系统消耗气体的量以及需要储气瓶的数量由下式确定：

式中：

n-额定避险人数，个；

t1-每人使用气幕时间，一般为10～15s，按最大值15s计；

t2-喷淋系统每人使用时间，一般为20～30s，按最大值30s计；

V流-压缩空气单位时间流量，L/S；

V瓶-压缩空气瓶容量，L。

此硐室采用60L、15MPa的钢瓶，根据波义尔定律可确定每瓶气体容量为7500L。由此可计算得到：额定人数为100人的避险硐室满足喷淋系统及应急需求时要求每个过渡室存放60L的储气瓶8瓶，总量为16瓶。

3 气幕喷淋装置管路设计

3.1 管路布置方式

根据管路布置位置的不同，可将其布置方式分为三类：上送、下送以及侧送。这三种方式主要是根据和门的相对位置关系来划分。管路安装在门的上方为上送式，同理，安装在门下部时为下送式，在门的侧面安装时为侧送式，侧送式又有单侧和双侧送两种。因单侧式管路较双侧式短，可在一定程度上节约成本，又因安装简便，阻碍外界冷空气效果比较明显，且缓倾斜煤层开始时出风口不容易被杂物堵塞，通风卫生条件比较好，故本喷淋装置采用单侧式管路布置在门轴的门框上。

3.2 管路结构设计

为了保证气幕喷淋装置的密闭性，本工程拟采用可均匀送风的变风口等截面管路，由于此处对通风系统的出风速度要求不高，故采用进风口风速相同而出风口因截面变化而出风速度不同的管路结构形式。变风口等截面均匀送风管道的计算模型如图3所示。

图3 变风口等截面管道模型图

模型设定管道采用圆形截面，各孔口等间距布置，第i+1孔孔口截面计算如下式所示：

式中：

Q0-系统最小供风量，L；

n-孔口数，个；

υi+1-孔口风速，m/s。

而孔口风速 可由下式计算得到：

其中：

μ-孔口流量系数，假设为常量；

ρ-空气密度，kg/m3；

Pi+1-第 孔空气静压，Pa。

将相邻孔间能量方程带入式（3）、（4），可得到如下方程：

式中：

λ-阻力系数，此处假设为常量；

d-管路直径，m；

l-管路长度，m；

A-管路断面积，m2。

4 工程应用及结论

该紧急避难硐室的气幕喷淋装置管路采用Φ18mm的钢管，由硐室门高确定管长为1.2m，各孔口间距取900mm，由以上计算得出第2～13孔的孔径如下表1所示。

气幕喷淋装置采用进风口风速相同而出风口因截面变化而出风速度不同的管路结构形式，管路采用 18mm的钢管，孔口间距取900mm，选取合适的孔径，管路布置示意图如图4所示。

在人员通过过渡室进出紧急避难硐室后硐室内各气体含量稳定，未发生急剧变化，紧急避难硐室可满足正常使用的功能需求。

表1 孔径计算结果表

图4 管路布置示意图