煤矿用悬挂式隔爆水袋架的设计与应用

李祖国

(黑龙江煤矿安全监察局,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

根据《煤矿安全规程》第一百五十五条规定，开采有煤尘爆炸危险煤层，必须有预防和隔绝煤尘爆炸的措施；第一百六十一条规定，开采有煤尘爆炸危险煤层矿井，在矿井的两翼、相邻的采区、相邻的煤层和相邻的工作面，都必须用岩粉棚或水棚隔开，即在煤巷或回采工作面两巷相关的岩巷，安装一定数量的隔爆水袋，作为隔爆水棚，以控制矿井瓦斯，煤尘爆炸后灾害扩大的一种措施[1]。

隔爆措施分为两种形式，一种是被动式隔爆，一种是自动式隔爆。隔爆水袋类型的隔爆方式是一种被动式隔爆，因其成本较低，使用方便，因此得到了开发和应用[2]。为保证隔爆水袋的悬挂质量、水量充足，经过探索实践，我们研制出一种悬挂式水袋架，主要有两种型式：锚喷支护巷道悬挂式水袋架、架棚巷道简易悬挂式水袋架，已在井下应用取得实际效果。以下以锚喷巷道支护悬挂水袋架为例说明。

1 隔爆原理

隔爆指限制瓦斯煤尘爆炸的传播，将已发生的瓦斯煤尘爆炸限制在一定的区域，尽量减少爆炸造成的损失。隔爆技术主要是采取被动隔爆技术和自动隔爆技术。国内煤矿隔爆的方式最早采用撒布岩粉法和设置普通岩粉棚，但是岩粉极易受潮影响而降低消焰剂功效，而且更换岩粉需要大量时间和力气，因此国内大部分煤矿已不采用这两种方法，改用隔爆水袋的方式。

隔爆水袋属于被动隔爆，被动隔爆是指以来瓦斯煤尘爆炸中产生的冲击波使隔爆装置产生动作，从而形成爆炸抑制带，扑灭滞后于冲击波传播的爆炸火焰，以达到阻止爆炸传播的技术。隔爆水袋是依靠爆炸产生的冲击波使水袋脱钩，形成水雾，再依靠水的吸热效应，扑灭并阻断火焰的传播以达到隔爆目的。隔爆水袋可适用于煤矿井下辅助隔爆棚和主要隔爆棚[35]。

2 悬挂式水袋架

2.1 主要用途

安装于矿井巷道顶部，用于吊挂隔爆水袋，安装地点不受坡度限制，无论安装在矿井内某个地方，都能保证托架保持水平状态，而且保证水袋灌满水。

2.2 结构组成

1)托架

以标准40升水袋，上口长500mm宽400mm为依据，用Φ16螺纹钢，切割1300mm长两根、400mm长两根。如图1所示，焊一个托架，每个托架按悬挂两个隔爆水袋设计，要求螺纹钢的螺纹侧必须上下摆好再焊，便于水袋挂钩能卡住螺纹起到止滑作用。

图1 托架示意图

2)悬挂链

如图2所示，每组悬挂链由一个Φ24螺母，两个Φ6螺母，Φ24平垫两个，四个链在一起的皮带扣链两挂组成。把Φ24螺母平放，两边各平焊上一个Φ6螺母，用四个链在一起的皮带扣链两挂，分别把Φ24平垫与Φ6螺母连在一起，即组成一组悬挂链。

图2 悬挂链示意图

3)悬挂杆

如图3所示，由一根800～1200mm长的Φ16的螺纹钢，一端配一个Φ16锚杆螺丝组成。

图3 悬挂杆参数示意图

4)组装

如图4所示，每个锚喷巷道支护悬挂式水袋架，由托架一个，悬挂链两组、两根悬挂杆组成。

2.3 准备工作

1)根据井下需要安装隔爆水袋的地点，所在巷道支护型式，确定悬挂式水袋架的种类以及需用水袋架的数量。

图4 悬挂式水袋架整体组装示意图

2)如采区机电班按水袋架的各部件设计要求进行制作。其中有的部件焊接处必须牢靠，悬挂杆上的Φ16锚杆螺丝要求上下拧动自如，悬挂链的皮带扣链认真链好。

3)水袋架配套做好后，集中运到井下现场。

4)使用锚索钻机打眼，需提前接好风、水管。

2.4 工作原理及安装方法

以锚喷巷道为例说明，(如图4所示)。在井下巷道需要挂水袋的地方，选择巷道顶板围岩完整处，巷道净高在2.4 m以上最佳，确定挂水袋巷道的距离，以悬挂40个水袋为例，每米悬挂一对水袋，悬挂水袋巷道距离19 m。施工顺序：

1)第一组测量人员，在所确定的19 m巷道内顶板，以巷道中心线为基准，用20 m皮尺每隔一米画一对横向悬挂杆眼位置，每对悬挂杆眼距中心线450 mm，即每对悬挂眼横向间距900 mm。

2)第二组人员，使用锚索钻机打立眼，先把两端第一对和最后一对的悬挂眼打出，然后用木楔将两端头的两对悬挂杆临时固定，悬挂杆外露部分300～500 mm左右。

3)第一组测量人员，用坡度规，分别在两端头的两对悬挂杆距顶板200 mm左右挂好水平线，然后沿巷道方向在两端头靠帮侧悬挂杆水平线处，各挂一根长线并扯紧。如果巷道有凸起部分刮线，可适当的调整两根长线，以不刮道巷道为准。

4)第二组人员，再使用锚索钻机，按画好的钻眼位置及拉好两根长线，打铅垂方向悬挂眼，打眼掌握眼深不能小于500 mm，以及悬挂杆外露部分必须低于挂好的长线绳100 mm为宜。

5)第三组人员，随后用锚杆机，在打好的立眼处，用一个树脂药卷，固定悬挂杆，最后再用树脂药卷固定两端头临时用木楔固定的悬挂杆。

6)第四组人员在已固定好的每对悬挂杆上，逐对安装悬挂链→托架→挂水袋→灌水。

(1)安装悬挂链：先把两组悬挂链Φ24螺丝分别穿在每对悬挂杆上，再拧上Φ16锚杆螺丝，以所挂的两根长线为基准，锚杆螺丝均拧到靠线绳处停止。

(2)安装托架：把托架两头分别套在悬挂链末端的Φ24平垫上并把托架居中调正。

(3)挂水袋：在安装好的托架上各挂两个40升的隔爆水袋，由于托架螺纹钢的螺纹侧上下设计，挂水袋时尽量把水袋外侧挂钩向两边拽紧，即把水袋拽平无褶皱为止，水袋钩挂在螺纹钢凹纹上自然止滑。

(4)用水管把所有水袋灌满水。

2.5 水袋调整

由于水袋注满水后，因水重及水袋挂钩不一致等原因，造成每对水袋左右不水平、前后高低不一致，巷道纵向每对水袋边缘里出外进等小问题，还需细致调整，以求平直，整齐。

1)横向每对水袋左右调平

以所挂长线为基准，用12寸活板手，旋拧水袋一侧的悬挂杆锚杆螺丝，即可调平。

2)每对水袋前后调整

每对水袋前后高低不平，可同时用12寸活板手，旋拧水袋架的两根悬挂杆上的锚杆螺丝即可，使托架下的每对水袋整体上下移动，达到前后大体一致。

3)纵向水袋边缘调整

水袋在巷道中纵向出现前后边缘里出外进时，可在托架上左右移动水袋挂钩，使水袋在托架上左右移动。或在托架上左右挪动悬挂链的Φ24平垫，使托架左右移动，都能使前后水袋边缘侧达到整齐上线。

2.6 悬挂式水袋架四种型式区别

锚喷支护巷道悬挂式水袋架、U型铁棚支护巷道悬挂式水袋架、梯型工字钢支护巷道悬挂式水袋架、架棚巷道简易悬挂式水袋架之间区别，在于后三种型式的悬挂杆制作不同，安装方式不同，其它部件基本一致。下面分别说明其悬挂杆的制作和安装，其它部件安装略。

1)U型铁棚支护巷道悬挂式水袋架—悬挂杆(图5)

图5 U型铁棚支护巷道悬挂式水袋架—悬挂杆

(1)悬挂杆结构

把Φ16螺纹钢切成80 mm(横杆)、500 mm(立杆)两根。把Φ1680 mm(横杆)，螺纹钢一端经淬火煅打成尖状，尖状部分长30 mm,尾部略凸粗于Φ16螺纹钢，另一端在20 mm处与500 mm(立杆)螺纹钢垂直焊在一起，拐角处再焊一个Φ10螺母，立杆末端拧一个Φ16锚杆螺丝。

(2)悬挂杆安装

把每对悬挂杆的横杆尖状端挂在事先在U型棚梁确定好的位置上，如果所确定的悬挂杆位置棚梁上有刹杆背板碍事，则把横杆尖状端沿棚梁与刹杆背板缝间钉入，尖状端尾部凸出部分卡在U型梁上，然后用10号线双丝穿过横杆拐角处的Φ10螺母与棚梁捆在一起，即把悬挂杆安装固定好。其它部件安装与锚喷支护巷道悬挂式水袋架相同。

2)梯型工字钢支护巷道悬挂式水袋架—悬挂杆(图6)

图6 梯型工字钢支护巷道悬挂式水袋架—悬挂杆

(1)悬挂杆结构

把Φ16螺纹钢切成160 mm、500 mm两根，160 mm的螺纹钢一端加火弯成约30 mm长的倒弯钩，另一端打成垂直的20 mm的直钩，并在上面焊一个Φ16螺母，然后拧上一根Φ16×60螺丝做为顶丝，即制成卡钩。再把500 mm(立杆)长的螺纹钢与卡钩垂直焊接即可，立杆末端拧一个Φ16锚杆螺丝。

(2)悬挂杆安装

先把悬挂杆卡钩的倒弯钩卡住工字钢梁底面的一侧，然后上紧用Φ16 ×60螺丝做的顶丝，卡住棚梁底面另一侧，即安装固定好悬挂杆。其它部件安装与锚喷支护巷道悬挂式水袋架相同[6]。

3)架棚巷道简易悬挂式水袋架—悬挂链(图7)

图7 架棚巷道简易悬挂式水袋架—悬挂链

(1)悬挂链结构

其与锚喷支护巷道悬挂式水袋架、U型铁棚支护巷道悬挂式水袋架、梯型工字钢支护悬挂式水袋架不同之处，在于省略悬挂杆制作，即用四个联在一起的两挂皮带扣链，把三个Φ24平垫连在一起，制成悬挂链。

(2)悬挂链安装

安装时用10号铁线双丝穿过悬挂链的中间Φ24平垫，捆在棚梁上即可。其它部件安装，托架两端套在每组悬挂链末端的Φ24平垫上，然后挂水袋、灌水。

(3)架棚简易悬挂式水袋架优缺点

优点：省略了悬挂杆制作，利用悬挂链中间的Φ24平垫与铁线捆在梁上，代替悬挂杆，可用在不主要的地点以及施工期不长的巷道。

缺点：悬挂链因用铁线捆在棚梁上固定后，不方便水袋架的调整，尤其是水袋灌满水后，更增加调整难度，必要时需要把水袋水放掉，重新捆绑铁线。不象其它三种型式，直接旋拧悬挂杆上的Φ16锚杆螺丝即可。

2.7 技术指标

各部件制作、连接简单，除去托架需要焊接处理外，其它各部件都只用普通螺帽与皮带扣链连接，所用材料取材方便，便于操作，都只需要用螺帽旋紧即可，安装和拆卸都十分简便。

2.8 技术创新点

普通的隔爆水袋架基本采用固定式安装，只能安装于煤矿井下特定的位置，固定后便不可调节其角度，一旦出现角度差，便会使隔爆水袋不稳定，造成隔爆水袋倾斜；悬挂式隔爆水袋架的悬挂链采用皮带扣链与Φ24平垫连接等长设计，不论在平巷或上、下山巷道安装，都能够始终保持托架处于水平状态，在只受重力作用和调节下，使水袋口四周边缘保持水平，不会出现倾斜的状态，水袋能够灌满水，达到规定的水量。

2.9 特点

(1)工作面搬家时，除锚喷巷道支护巷道悬挂杆不能拆卸外，其余部件都可拆卸、保存、长期使用，并且轻便利于搬运[7]。

(2)利用悬挂杆上设置锚杆螺丝和悬挂链通过平垫套在托架两端上，可以实现横向、左右、水平、前后、高低可以细化调整，使水袋整体达到平直、整齐、美观、标准。

(3)适用性强，可安装在锚喷、架棚巷道，任何平巷、斜巷。不受巷道支护、坡度限制[8]。

3 结语

随着煤矿机械化水平的不断提高，开采的强度也在日益加大，工作面产生的大量煤尘和瓦斯也成为了煤矿安全生产的一个重要问题，隔爆水袋的使用能有效的抑制爆炸产生的危害[9]，而承载隔爆水袋的支架的质量也凸显出其重要性。悬挂式隔爆水袋架投资少，成本低，避免了人为因素造成的误差，克服了某些安全隐患，该装置现在黑龙江龙煤股份公司鹤岗分公司井下安装使用，取得实际效果。该装置实用性强，符合《煤矿安全规程》第一百五十五条相关规定，具有一定的经济效益和社会效益，为高产高效地安全生产创造良好条件。

[1] 煤矿安全规程[S],煤炭工业出版社,2011.

[2] 周英.采煤概论[M].北京：煤炭工业出版社,1986.

[3] 陈星,王凤英,吴玉平. 煤矿隔爆技术发展现状及其应用[J]. 煤矿安全,2012,05:5355

[4] 牛德文. 煤矿主动抑爆系统的关键技术及其适用性探讨[J]. 煤炭科学技术,2013,08:74-76，80.

[5] 樊小涛,李润之,薛少谦. 煤矿瓦斯爆炸水幕隔爆效果实验研究[J]. 矿业安全与环保,2011,02:17-19.

[6] 蔡东红，杜贤流.矿井隔爆水袋棚实用安装方法探讨[J].煤矿安全.2002(03):55-58.

[7] 秦文贯.隔爆水袋棚实用安装法[J].煤矿安全.1992(09)：27-32.

[8] 梁建玲. 浅谈矿井隔爆水袋棚实用安装方法[J].太原科技.2008(10)：225-229.

[9] 冯杰.用隔爆水袋棚阻止瓦斯爆炸事故蔓延[J].煤矿安全.1997(05):102-106.