梁慶榮

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司補(bǔ)連塔煤礦，陜西 榆林 719300)

0 引言

智能礦山建設(shè)實(shí)施的具體措施，可以通過(guò)對(duì)礦井主運(yùn)、生產(chǎn)、通風(fēng)、安全、監(jiān)測(cè)、調(diào)度以及管理系統(tǒng)不斷優(yōu)化升級(jí)，來(lái)提高礦井智能化水平。隨著礦井采掘深度和廣度的延伸，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定供給通風(fēng)量對(duì)于礦井安全高效生產(chǎn)的作用愈發(fā)明顯，風(fēng)門在井下的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。風(fēng)門是煤礦主要通風(fēng)設(shè)施，井下通過(guò)設(shè)置風(fēng)門來(lái)控制通風(fēng)流量以達(dá)到預(yù)期的風(fēng)量分配，風(fēng)門設(shè)置不達(dá)標(biāo)，輕者造成礦井風(fēng)流紊亂，采掘工作面風(fēng)量不足，局扇吸循環(huán)風(fēng)；重者可能造成瓦斯異常涌出，引起瓦斯爆炸事故[1]。在日常的風(fēng)門施工過(guò)程中，施工人員在施工方法和步驟上存在問(wèn)題，施工過(guò)程僅憑感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)，而不利用水平和垂直工具安裝風(fēng)門的做法，經(jīng)常出現(xiàn)重復(fù)翻工的現(xiàn)象，風(fēng)門施工地點(diǎn)及風(fēng)門設(shè)置一般要求巷道成形、支護(hù)良好，無(wú)片幫、冒頂、裂隙現(xiàn)象，避免建在雙道、彎道、道岔、斜坡(大于10°經(jīng)驗(yàn)判斷)上；一組風(fēng)門不少于2道，行車風(fēng)門間距不少于一列車長(zhǎng)度，一般不少于12 m，行人風(fēng)門間距不少于5 m；滿足上述條件后，盡量選擇在能支起框的較小斷面處，這樣可以節(jié)省人力物力。此外，門框固定先將巷道底部掏槽砌平，將門框與門梁組裝起來(lái)，使門框與門梁互成直角；為保證風(fēng)門能自動(dòng)關(guān)閉，門框安裝必須有一定傾斜度，正向門扇啟開(kāi)方向與風(fēng)流方向相反，反向門扇啟開(kāi)方向與風(fēng)流方向一致，防止反向安裝，門軸與門框要向關(guān)門方向(順風(fēng)方向)傾斜15°。

隨著井下采掘布置向深部延伸，井下通風(fēng)設(shè)施構(gòu)筑較為頻繁，通風(fēng)設(shè)施增多，維護(hù)難度增加[2]。風(fēng)門用于對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的通風(fēng)量進(jìn)行控制，當(dāng)出現(xiàn)瓦斯?jié)舛壬邥r(shí)就加大通風(fēng)量，確保瓦斯含量在安全范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)則會(huì)關(guān)閉風(fēng)門，停止火災(zāi)區(qū)域內(nèi)的空氣流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滅火[3]。目前風(fēng)門的遠(yuǎn)程控制有氣控、電控液壓、多控式等多種方式[4]。為保證礦井安全生產(chǎn)，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，減少無(wú)效漏風(fēng)，防止通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，為適應(yīng)各種工作環(huán)境的生產(chǎn)需要，風(fēng)門需要在結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布局進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。合理選擇和配置風(fēng)門，是有效提高礦井抗災(zāi)、避災(zāi)能力的一項(xiàng)必不可少的重要工作措施[5]。通過(guò)調(diào)研最近5 a關(guān)于礦井風(fēng)門研究發(fā)展現(xiàn)狀和引用下載量前10的期刊論文，針對(duì)礦井大小風(fēng)門結(jié)構(gòu)及開(kāi)啟裝置進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程背景

井下靠近總回撤通道安設(shè)的行人風(fēng)門內(nèi)外壓差較大，作業(yè)人員打開(kāi)困難，通過(guò)時(shí)極不方便[6]。同時(shí)，當(dāng)作業(yè)人員通過(guò)后，由于風(fēng)門內(nèi)外壓差較大，在關(guān)閉風(fēng)門時(shí)門扇會(huì)猛烈地撞擊門框，容易導(dǎo)致行人風(fēng)門損壞[7]。為方便行人、行車，在確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，井下兩巷道之間通常設(shè)置有行車風(fēng)門，行車風(fēng)門一般設(shè)置兩道，為了防止兩道風(fēng)門同時(shí)打開(kāi)導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，行車風(fēng)門間必須安設(shè)閉鎖裝置[8]。礦井風(fēng)門安裝如圖1所示。

圖1 礦井風(fēng)門安裝示意

鋼絲繩聯(lián)動(dòng)閉鎖裝置控制的行車風(fēng)門，無(wú)人值守行車風(fēng)門，司機(jī)需要熄火停車開(kāi)第一道門，開(kāi)過(guò)第一道風(fēng)門后停車熄火關(guān)第一道門開(kāi)第二道門，開(kāi)過(guò)第二道風(fēng)門后停車熄火關(guān)第二道門，耗時(shí)費(fèi)力，且停車及上下車存在較大安全隱患；有人值守行車風(fēng)門人力資源投入甚高[9]。風(fēng)門開(kāi)啟后需要上掛鉤，掛鉤在長(zhǎng)時(shí)間的使用中可靠性降低，容易造成機(jī)械傷害事故。作業(yè)人員駕駛車輛通過(guò)后，一旦忘記關(guān)風(fēng)門，使風(fēng)門長(zhǎng)時(shí)間處于開(kāi)啟狀態(tài)，將會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)短路引發(fā)重大安全事故。

平衡式自動(dòng)行車風(fēng)門需要在門框兩側(cè)的巷幫上挖掘硐室，人工成本高，耗時(shí)費(fèi)力，并存在一定的安全隱患，且當(dāng)負(fù)壓較大時(shí)，平衡式自動(dòng)行車風(fēng)門在關(guān)閉后經(jīng)常無(wú)法自動(dòng)開(kāi)啟，需要借助外力，使用起來(lái)極不方便[10-11]。當(dāng)遇到突然斷電事故，車輛將徹底無(wú)法通行，給井下正常生產(chǎn)帶來(lái)很大不便，降低工作效率；傳統(tǒng)自動(dòng)風(fēng)門在開(kāi)啟時(shí)承受最大的負(fù)壓；由于風(fēng)門開(kāi)啟時(shí)每道風(fēng)門的兩扇門體向相反方向開(kāi)啟，當(dāng)風(fēng)壓較大時(shí)，兩扇風(fēng)門無(wú)法關(guān)閉嚴(yán)密，門扇之間存在縫隙，造成巷道漏風(fēng)，長(zhǎng)時(shí)間在風(fēng)壓作用下會(huì)導(dǎo)致風(fēng)門推拉桿斷裂、門體變形，存在重大安全隱患[12-14]。

基于以上分析，為方便行人、行車通行，風(fēng)門安全便捷開(kāi)閉，提出一種行人風(fēng)門輔助開(kāi)啟裝置，以及對(duì)平面式和鈍角式改進(jìn)的半圓弧式人車同行風(fēng)門，通行效率高，使用電氣設(shè)備少，以此化解部分安全隱患，保證通風(fēng)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，降低礦井安全生產(chǎn)人力資源成本、提高風(fēng)門安全系數(shù)和工作效率。

2 優(yōu)化原理

在確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，為方便行人、行車風(fēng)門便捷開(kāi)閉，對(duì)大小風(fēng)門結(jié)構(gòu)及開(kāi)啟裝置分別作以下優(yōu)化。

2.1 行人風(fēng)門輔助開(kāi)啟裝置

小風(fēng)門輔助開(kāi)啟裝置主要由開(kāi)門拉桿、固定裝置、支點(diǎn)、滾輪組成。如圖2所示，行人風(fēng)門輔助開(kāi)啟裝置原理所示，利用杠桿原理來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)門把手到支點(diǎn)和支點(diǎn)到滾輪之間的距離，即開(kāi)門把手到支點(diǎn)的距離為50 cm，支點(diǎn)到滾輪的距離為10 cm。根據(jù)杠桿原理可知，通過(guò)風(fēng)門把手來(lái)開(kāi)門與直接用手推門的方式相比，作業(yè)人員使用同樣大小的力經(jīng)過(guò)輔助開(kāi)啟裝置可以傳遞5倍力量到風(fēng)門門扇。通過(guò)在支點(diǎn)與滾輪間打眼增加螺栓數(shù)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)支點(diǎn)到滾輪之間距離的可調(diào)節(jié)性，以應(yīng)對(duì)各種條件下風(fēng)門內(nèi)外不同的壓差值。當(dāng)風(fēng)門內(nèi)外壓力差較小時(shí)，將支點(diǎn)到滾輪之間的距離調(diào)節(jié)到最大，以避免滾輪作用力過(guò)大可能對(duì)風(fēng)門造成的損壞；當(dāng)風(fēng)門內(nèi)外壓力差極大時(shí)，將支點(diǎn)到滾輪之間的距離調(diào)節(jié)到最小，以獲得最大的力確保順利打開(kāi)風(fēng)門。作業(yè)人員在通過(guò)風(fēng)門時(shí)，將開(kāi)門把手向上拉起，支點(diǎn)另一側(cè)滾輪向下滾動(dòng)，將風(fēng)門打開(kāi)，此時(shí)風(fēng)門內(nèi)外壓差迅速減小(起到泄壓的作用)，作業(yè)人員用手就可以輕松推開(kāi)行人風(fēng)門。

圖2 行人風(fēng)門輔助開(kāi)啟裝置原理

2.2 半圓弧式人車同行風(fēng)門

半圓弧式人車同行風(fēng)門是基于鈍角式自動(dòng)行車風(fēng)門的進(jìn)一步創(chuàng)新，主要由小風(fēng)門卸壓驅(qū)動(dòng)裝置、大風(fēng)門氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置、門框、門扇等機(jī)械部件和E3Z-TA型紅外傳感器、氣控箱、手動(dòng)開(kāi)關(guān)、語(yǔ)音報(bào)警器等電氣設(shè)備組成。氣控箱內(nèi)有電磁閥，分別與紅外傳感器和壓風(fēng)管路相連接，共同作用完成自動(dòng)閉鎖功能[15-16]。氣動(dòng)風(fēng)門主要安裝在大巷、進(jìn)回風(fēng)巷，先用施工用磚在煤壁旁砌筑風(fēng)門墻體，墻體里有風(fēng)門預(yù)埋件，用于固定風(fēng)門門框[17]。

半圓弧式高負(fù)壓氣動(dòng)同向開(kāi)啟式風(fēng)門結(jié)構(gòu)包括一對(duì)門框，每個(gè)門框固定在巷道墻壁，門框內(nèi)在豎直方向鉸接有一對(duì)同向開(kāi)啟的門扇，一個(gè)門扇上設(shè)有行人窗口，另一個(gè)門扇中部設(shè)有泄壓口，泄壓門扇頂部與泄壓門驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)端鉸接，泄壓門驅(qū)動(dòng)裝置的固定端與門扇鉸接，門扇上方靠近鉸接邊的一側(cè)均設(shè)有氣缸固定座，氣缸固定座與氣缸的活塞端鉸接，氣缸的缸筒底部與門框上橫梁鉸接，泄壓口驅(qū)動(dòng)裝置和氣缸的進(jìn)氣端與氣控箱內(nèi)的電磁閥出氣端連接，電磁閥的進(jìn)氣端與風(fēng)壓系統(tǒng)連接，門框內(nèi)、外兩側(cè)分別設(shè)有紅外傳感裝置和手動(dòng)按鈕，門框內(nèi)側(cè)的兩側(cè)所述巷道壁分別設(shè)置防擠傷裝置，手動(dòng)按鈕、紅外傳感器均與電控箱連接，電控箱與電磁閥連接，當(dāng)風(fēng)門開(kāi)啟時(shí)，氣動(dòng)報(bào)警裝置發(fā)出警告提醒工作人員注意[18-19]。

半圓弧式人車同行風(fēng)門最大的特點(diǎn)是，門框內(nèi)鉸接的一對(duì)迎風(fēng)流方向成半圓弧式門扇，相比門扇鈍角式和平面式設(shè)計(jì)，風(fēng)門的門扇中間部位為半圓弧式，半圓弧式門扇迎風(fēng)面與風(fēng)流方向夾角變大，開(kāi)啟行車風(fēng)門承受的風(fēng)力力矩在門扇的中間部位最大，半圓弧式的門扇設(shè)計(jì)使得門扇開(kāi)啟風(fēng)力力矩被極大程度降低，開(kāi)啟風(fēng)門所受風(fēng)阻減小，行車風(fēng)門開(kāi)啟更加便捷。風(fēng)門門扇迎風(fēng)受力分析如圖3所示。

圖3 風(fēng)門門扇迎風(fēng)受力分析

3 優(yōu)化效果

行人風(fēng)門開(kāi)啟輔助裝置和半圓弧式人車同行風(fēng)門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了風(fēng)門的開(kāi)啟方式，提高了礦井機(jī)械化和自動(dòng)化的程度，減少了人工開(kāi)啟風(fēng)門造成的傷害事故，降低了人工開(kāi)啟風(fēng)門的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了礦井的智能化安全管理水平。

3.1 行人風(fēng)門開(kāi)啟輔助裝置

通過(guò)利用杠桿原理所設(shè)計(jì)的行人風(fēng)門開(kāi)啟輔助裝置，作業(yè)人員通過(guò)操作機(jī)械設(shè)備來(lái)減小風(fēng)門內(nèi)外壓力差，確保人員能夠在行人風(fēng)門內(nèi)外壓差較大的情況下輕松打開(kāi)行人風(fēng)門，同時(shí)也能緩解因內(nèi)外壓差大導(dǎo)致門框容易變形的問(wèn)題。自投入使用以來(lái)，極大地方便了作業(yè)人員的通行，提高了人員流動(dòng)效率，間接提高了礦井生產(chǎn)效率。行人風(fēng)門輔助開(kāi)啟裝置在礦井實(shí)際應(yīng)用如圖4所示。

圖4 風(fēng)門輔助開(kāi)啟裝置實(shí)際應(yīng)用

3.2 半圓弧式人車同行風(fēng)門

半圓弧式人車同行風(fēng)門無(wú)需挖掘硐室，通過(guò)氣動(dòng)代替電動(dòng)控制，減少人力資源投入，降低電能損耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本；為確保礦井安全生產(chǎn)，通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，減少無(wú)效的漏風(fēng)，半圓弧式風(fēng)門設(shè)計(jì)進(jìn)一步減少了風(fēng)流負(fù)壓帶來(lái)的阻力，鈍角式風(fēng)門在補(bǔ)連塔煤礦自投入使用以來(lái)，安全穩(wěn)定工作了5年，半圓弧式是基于鈍角式風(fēng)門設(shè)計(jì)的進(jìn)一步創(chuàng)新。改善了風(fēng)門的開(kāi)啟方式，全面提高了礦井機(jī)械化和自動(dòng)化的程度，減少了人工開(kāi)啟風(fēng)門造成的傷害事故，降低了人工開(kāi)啟風(fēng)門的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了礦井的安全管理水平[20]。鈍角式氣動(dòng)風(fēng)門實(shí)際應(yīng)用如圖5所示，半圓弧式氣動(dòng)風(fēng)門設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 鈍角式氣動(dòng)風(fēng)門實(shí)際應(yīng)用

圖6 半圓弧式氣動(dòng)風(fēng)門設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

(1)針對(duì)風(fēng)門內(nèi)外壓差較大的情況，通過(guò)杠桿原理所設(shè)計(jì)的行人風(fēng)門開(kāi)啟輔助裝置，作業(yè)人員通過(guò)操作機(jī)械設(shè)備來(lái)減小風(fēng)門內(nèi)外壓力差，確保作業(yè)人員能夠在行人風(fēng)門內(nèi)外壓差較大的情況下輕松打開(kāi)行人風(fēng)門，同時(shí)也能緩解因內(nèi)外壓差大導(dǎo)致門框容易變形的問(wèn)題。

(2)相比門扇鈍角式和平面式設(shè)計(jì)，半圓弧式風(fēng)門迎風(fēng)面與風(fēng)流方向夾角變大，開(kāi)啟行車風(fēng)門承受的風(fēng)力力矩極大程度降低，開(kāi)啟風(fēng)門所受風(fēng)阻減小，減少人力資源投入，降低電能損耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本，行車風(fēng)門開(kāi)啟更加便捷。半圓弧式人車同行風(fēng)門設(shè)計(jì)，可保證礦井安全生產(chǎn)，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)減少無(wú)效漏風(fēng)做進(jìn)一步的保障。

(3)為防止兩道風(fēng)門同時(shí)打開(kāi)導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，在兩道行車風(fēng)門間安設(shè)自動(dòng)閉鎖裝置，在減少井下作業(yè)人員數(shù)量和降低生產(chǎn)成本等方面得到改善。