吳前進(jìn)
(沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦, 山西 晉城 048205)
煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)門(mén)因通車(chē)、行人需要,經(jīng)常出現(xiàn)兩道風(fēng)門(mén)同時(shí)被打開(kāi)的情況,易發(fā)生風(fēng)流短路或瓦斯超限事故,一般采用風(fēng)門(mén)閉鎖裝置的辦法解決這一問(wèn)題。當(dāng)前煤礦井下風(fēng)門(mén)閉鎖裝置有電動(dòng)式、風(fēng)動(dòng)式和機(jī)械式三大類(lèi)。風(fēng)門(mén)機(jī)械式閉鎖裝置應(yīng)用范圍廣,具有生產(chǎn)成本低、性能可靠、故障率低等優(yōu)點(diǎn),在煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛[1-3]。沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦井下風(fēng)門(mén)采用的是重錘+限位鎖閉鎖裝置,應(yīng)用效果理想,但是當(dāng)巷道相對(duì)較矮時(shí),該重錘+限位鎖閉鎖裝置因重錘行程限制而無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)閉鎖。
永安煤礦井下巷道風(fēng)門(mén)采用的重錘+限位鎖風(fēng)門(mén)閉鎖系統(tǒng)如圖1 所示,主要由導(dǎo)向滑輪、閉鎖器、改向滑輪、聯(lián)鎖鋼絲繩、反向滑輪、柱狀重錘、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、底座、筒狀滑槽等部件組成。閉鎖器由支架、兩個(gè)滑道、兩個(gè)重錘、閉鎖板組成,為重錘+限位鎖風(fēng)門(mén)閉鎖系統(tǒng)核心部分;兩根聯(lián)鎖鋼絲繩分別連接閉鎖器左右重錘和左右風(fēng)門(mén)扇;導(dǎo)向滑輪、改向滑輪和反向滑輪主要是吊掛鋼絲繩并起到調(diào)整鋼絲繩受力方向的作用。
圖1 重錘+限位鎖風(fēng)門(mén)機(jī)械閉鎖系統(tǒng)示意圖
重錘+限位鎖風(fēng)門(mén)閉鎖系統(tǒng)在井下單扇風(fēng)門(mén)和雙扇風(fēng)門(mén)中均可以有效實(shí)現(xiàn)閉鎖,保障井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全。其工作原理為:當(dāng)打開(kāi)左側(cè)風(fēng)門(mén)時(shí),左側(cè)重錘隨即升起,進(jìn)而推動(dòng)閉鎖板向右傾斜,將右側(cè)重錘死死卡住,此時(shí)無(wú)法將右側(cè)風(fēng)門(mén)打開(kāi);當(dāng)關(guān)閉左側(cè)風(fēng)門(mén)時(shí),左側(cè)重錘隨即落下,閉鎖板沒(méi)有將右側(cè)重錘卡住,進(jìn)而可以打開(kāi)右側(cè)風(fēng)門(mén),此時(shí)右側(cè)重錘隨即升起,進(jìn)而推動(dòng)閉鎖板向左側(cè)傾斜,將左側(cè)重錘死死卡住,此時(shí)無(wú)法將左側(cè)風(fēng)門(mén)打開(kāi)。
永安煤礦井下巷道風(fēng)門(mén)采用的舊式重錘+限位鎖風(fēng)門(mén)閉鎖系統(tǒng)重錘行程分析情況如圖2 所示。
圖2 舊式閉鎖裝置重錘行程分析示意圖
圖2 中,h 為巷道高度;x 為重錘長(zhǎng)度;y 為滑槽長(zhǎng)度;z 為重錘行程;r 為改向滑輪下沿到巷道頂板高度,約為200 mm。根據(jù)閉鎖器的工作原理,基于重錘行程分析可知,y≥x>z,同時(shí)y+z+r≤h,那么位移為:
因此,根據(jù)上述計(jì)算可知,該舊式閉鎖裝置重錘行程約為巷道高度的1/2,其行程受到巷道高度的制約,因此舊式閉鎖裝置的應(yīng)用范圍有限。理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都表明:當(dāng)煤礦井下巷道高度低于3.5 m時(shí),基于最小無(wú)軌膠輪車(chē)行駛寬度2.4 m 條件下,設(shè)計(jì)單扇風(fēng)門(mén)或雙扇風(fēng)門(mén)都無(wú)法保障舊式重錘+限位鎖風(fēng)門(mén)閉鎖系統(tǒng)靈敏、可靠閉鎖。
永安煤礦對(duì)于高度低于3.5 m 的巷道,其風(fēng)門(mén)舊式重錘+限位鎖風(fēng)門(mén)閉鎖系統(tǒng)主要采用以下方式解決閉鎖系統(tǒng)的靈敏和可靠問(wèn)題:第一,在閉鎖裝置安裝處施工措施坑,可以有效增加閉鎖裝置重錘的最大行程,但是該方案額外增加了施工工程量,成本較大;第二,給連接鋼絲繩留一定余量,等風(fēng)門(mén)打開(kāi)部分后鋼絲繩才繃緊并帶動(dòng)重錘動(dòng)作,該方案有效降低了風(fēng)門(mén)閉鎖的靈敏性,閉鎖效果不佳。因此,必須考慮對(duì)舊式重錘+限位鎖風(fēng)門(mén)閉鎖系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),使其能適用于高度低于3.5 m 的巷道風(fēng)門(mén)。
舊式重錘+限位鎖閉鎖裝置的工作過(guò)程可分為三部分:一是閉鎖裝置的重錘是在滑槽內(nèi)進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng),無(wú)法脫離滑槽的限制區(qū)域;二是重錘升起后會(huì)對(duì)閉鎖板發(fā)生作用,進(jìn)而對(duì)另外一側(cè)重錘進(jìn)行卡阻,從而起到閉鎖作用;三是升起的重錘對(duì)于閉鎖板的作用具有連續(xù)不間斷性,進(jìn)而對(duì)另外一側(cè)重錘的卡阻保持連續(xù)不間斷,從而閉鎖作用會(huì)連續(xù)不間斷。
基于舊式重錘+限位鎖型閉鎖裝置的工作過(guò)程,在舊裝置的基礎(chǔ)上,經(jīng)多次試驗(yàn)研究,提供了一種新型的閉鎖裝置,其結(jié)構(gòu)與重錘行程分析如圖3 所示。
在分析閉鎖原理的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了思路拓展并經(jīng)多次研究試驗(yàn),完成了新型閉鎖裝置的設(shè)計(jì)。新型閉鎖裝置主要由移動(dòng)螺栓、閉鎖板、閉鎖板固定架、閉鎖板連桿、頂蓋、滑輪、鋼絲繩、重錘滑槽、重錘、滑錘開(kāi)口、底座等部件組成。裝置中多個(gè)閉鎖板實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng),完全能滿(mǎn)足重錘+限位鎖型閉鎖裝置的閉鎖三要素,可以實(shí)現(xiàn)安全、可靠閉鎖。
圖3 中,y 為閉鎖裝置整體高度;x 為柱狀重錘長(zhǎng)度;m 為閉鎖板間距。由圖3 可知,x-m=100 cm。假定裝置中閉鎖板數(shù)量為N,為保證閉鎖板聯(lián)動(dòng)的靈活可靠,一般取N≤4。各參數(shù)之間的關(guān)系為:
圖3 新型閉鎖裝置結(jié)構(gòu)及重錘行程分析示意圖
沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦位于山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮(zhèn),井田面積4.76 km2,地質(zhì)儲(chǔ)量255.4 萬(wàn)t,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60 萬(wàn)t/年,開(kāi)拓方式為斜井開(kāi)拓,開(kāi)采水平為+540 m,現(xiàn)主采山西組3 號(hào)煤層,綜采放頂煤采煤工藝。
永安煤礦輔助回風(fēng)下山下段四聯(lián)巷斷面為寬×高=5.5 m×2.9 m,為保障無(wú)軌膠輪車(chē)順利通行,設(shè)計(jì)安裝規(guī)格為2.4 m×2.6 m 的雙扇風(fēng)門(mén),門(mén)扇寬度為1.2 m。如安裝1.8 m 高的舊式閉鎖裝置,為保障閉鎖裝置的可靠性和靈敏度,根據(jù)式(1)計(jì)算可知,閉鎖裝置重錘行程至少應(yīng)該要大于1.69 m,此時(shí)必須要在閉鎖器所在巷道底板處下臥一深0.6 m 的措施坑,閉鎖裝置的安裝過(guò)程復(fù)雜,工程量較大。
采用優(yōu)化改進(jìn)后的新型閉鎖裝置,只需要將新型閉鎖裝置中的重錘長(zhǎng)度設(shè)置為500 mm、閉鎖板間距設(shè)置為400 mm、采用4 個(gè)閉鎖板、閉鎖裝置高度為2.1 m 時(shí),其參數(shù)均符合公式(2)要求。此時(shí),在新型閉鎖裝置的安裝中不需要增加工程,其閉鎖效果理想,可以實(shí)現(xiàn)輔助回風(fēng)下山下段四聯(lián)巷兩道風(fēng)門(mén)的靈敏、可靠閉鎖。