基于帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸巷快速密閉裝置

丁維國(guó)

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

在采空區(qū)或破裂煤柱內(nèi)，當(dāng)滿足一定發(fā)火條件時(shí)，煤會(huì)發(fā)生自燃，當(dāng)煤礦井下發(fā)生瓦斯超限、煤塵爆炸等事故時(shí)，也可能發(fā)生火災(zāi)。如果當(dāng)直接滅火不能及時(shí)、有效地控制火勢(shì)時(shí)，可能會(huì)再次引發(fā)瓦斯爆炸的其它事故。另外，很多時(shí)候煤自燃火災(zāi)通常不易確定具體發(fā)火位置的區(qū)域，同時(shí)也難以接近并進(jìn)行滅火處理，這種情況下一般需要采取構(gòu)筑密閉系統(tǒng)對(duì)火區(qū)進(jìn)行封閉。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的密閉方法有板閉、磚閉、聚氨酯噴涂密閉、噴膠及輕質(zhì)混凝土砌塊、降落傘式密閉和氣囊式密閉等。在實(shí)際運(yùn)用中，磚閉、混凝土密閉等材料因運(yùn)輸、施工工藝等因素的影響，無(wú)法做到快速進(jìn)行密閉處理，易造成火勢(shì)控制的延誤；板閉漏風(fēng)大、封閉效果差；降落傘式密閉方式因其設(shè)計(jì)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等原因，一般承受風(fēng)壓能力有限，穩(wěn)定性差，易失效。這些輕質(zhì)密閉，雖然能夠迅速簡(jiǎn)便地隔絕危險(xiǎn)區(qū)域，暫時(shí)起到很好的密閉作用，但一旦發(fā)生瓦斯爆炸，這些密閉根本無(wú)法抵抗高至十幾兆帕的沖擊波作用[1-3]。因此，研究隔爆、快速隔離密閉系統(tǒng)對(duì)于礦井火災(zāi)、水災(zāi)治理、防止瓦斯爆炸具有重要的意義。

基于帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸巷道密閉裝置解決了傳統(tǒng)密閉方式的缺陷，針對(duì)運(yùn)輸巷的特點(diǎn)[4]，設(shè)計(jì)了一種新型巷道隔爆、快速隔離密閉裝置，在煤礦井下發(fā)生災(zāi)害性事故時(shí)，能夠抵抗在運(yùn)輸巷內(nèi)造成的瞬時(shí)高溫以及爆炸沖擊波對(duì)密閉裝置的破壞，迅速封閉帶式輸送機(jī)上方的運(yùn)輸通道孔隙，快速封堵運(yùn)輸巷道,切斷巷道風(fēng)流，隔絕空氣進(jìn)入火區(qū)，使火區(qū)缺氧而迅速熄滅，另外可迅速阻斷瓦斯竄入安全區(qū)域，防止因瓦斯逆流和擴(kuò)散危害井下工人的生命安全，杜絕災(zāi)害繼續(xù)蔓延。

1 整體結(jié)構(gòu)

基于帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸巷道密閉裝置由上密閉門(mén)板、下支撐基座、滑動(dòng)軌道槽、導(dǎo)向輪、電磁閥、氣缸、氣動(dòng)管路、鎖緊機(jī)構(gòu)、密封層、密閉門(mén)框體等部分組成。支撐基座的兩側(cè)均設(shè)置有密閉門(mén)框體，且密閉門(mén)框體上均開(kāi)設(shè)有滑動(dòng)軌道槽，滑動(dòng)軌道槽的內(nèi)部設(shè)置有密閉門(mén)，在支撐基座上設(shè)置有抗沖擊部，抗沖擊部的高度高于支撐基座，起到抗沖擊防護(hù)及密封的作用，且在正常狀態(tài)時(shí)，密閉門(mén)受到限位卡桿卡入限位槽的限位作用，使得密閉門(mén)保持位置，不影響正常作業(yè)，而當(dāng)井下突發(fā)災(zāi)害需要關(guān)閉帶式輸送機(jī)密閉門(mén)時(shí)，切斷預(yù)設(shè)位置的帶式輸送機(jī)橫梁,通過(guò)推桿電機(jī)推出推桿，進(jìn)而控制桿帶動(dòng)主控板及限位卡桿沿調(diào)節(jié)槽上移，限位卡桿脫離限位槽，而后可通過(guò)氣缸推動(dòng)密閉門(mén)進(jìn)行密閉。基于帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸巷道密閉裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 基于帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸巷道密閉裝置結(jié)構(gòu)示意圖

密閉裝置采用上下閉合密封形式，下支撐基座固定，通過(guò)上密閉門(mén)板的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)密閉裝置的開(kāi)閉；動(dòng)力系統(tǒng)采用氣動(dòng)方式，可通過(guò)礦井空壓站提供的壓縮空氣作為密閉門(mén)的驅(qū)動(dòng)力，也可連接制氮管路為密閉門(mén)提供動(dòng)力；帶式輸送機(jī)密閉門(mén)設(shè)有鎖緊機(jī)構(gòu)，密閉門(mén)在開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)下，均可通過(guò)楔形鎖緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)密閉門(mén)的限位與密封，保證了密閉門(mén)的安全性、可靠性。

在帶式輸送機(jī)正常運(yùn)輸時(shí)，密閉門(mén)板升起通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，氣缸處于收縮狀態(tài)；當(dāng)井下突發(fā)災(zāi)害需要關(guān)閉帶式輸送機(jī)密閉門(mén)時(shí)，可通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)向電磁閥發(fā)出指令，電磁閥運(yùn)轉(zhuǎn)閥塊，轉(zhuǎn)換氣壓流向，使氣缸桿伸出，將密閉門(mén)關(guān)閉。達(dá)到限定位置后，通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖緊密封。考慮到突發(fā)災(zāi)害實(shí)施密閉時(shí)，膠帶上有煤體的情況，所以上下門(mén)體采用楔形結(jié)構(gòu)方式連接，下支撐基座一端高于與上門(mén)板連接位置，起到抗沖擊防護(hù)及密封的作用。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 外部結(jié)構(gòu)

基于帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸巷道密閉裝置外部結(jié)構(gòu)主要包括支撐基座、密閉門(mén)框體及密閉門(mén)3部分，支撐基座的兩側(cè)均設(shè)置有密閉門(mén)框體，且密閉門(mén)框體上均開(kāi)設(shè)有滑動(dòng)軌道槽，滑動(dòng)軌道槽的內(nèi)部設(shè)置有密閉門(mén)[5]。

在選擇門(mén)板外形的過(guò)程中充分考慮了平面和弧形結(jié)構(gòu)力學(xué)性能原理，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合比較選出抗沖擊性能更好的密閉裝置門(mén)體結(jié)構(gòu)。門(mén)板最外面的抗沖擊層是主要抵抗爆炸沖擊波作用的結(jié)構(gòu)。爆炸沖擊波沿巷道的傳播作用到密閉門(mén)上，密閉門(mén)主要受到垂直方向的作用力。

平面門(mén)板受到其他方向上的爆炸沖擊力時(shí)，可分解為2個(gè)力，1個(gè)是垂直于平面門(mén)板的分力，另1個(gè)是平行于平面門(mén)板的分力。平面門(mén)板所承受的爆炸沖擊應(yīng)力可由式（1）和式（2）計(jì)算：

式中：α為爆炸沖擊波與門(mén)板夾角；p為平板承受沖擊波平均壓強(qiáng)，Pa；S為防護(hù)門(mén)表面積，m2；px為沖擊波方向反向作用力，N；py為與沖擊波垂直方向反向作用力，N；pR為總反向作用力，N；pD為防護(hù)門(mén)所承受的當(dāng)量應(yīng)力，Pa。

計(jì)算可得，當(dāng)α取最大值π/2時(shí)，總反向作用力pR為pS，當(dāng)量應(yīng)力pD為2p；門(mén)體所受到的應(yīng)力隨α的增大而增大[6]。

弧形殼板在受到爆炸沖擊力時(shí)，可將沖擊力分解為2個(gè)分力，1個(gè)是垂直于弧形殼板的分力，另1個(gè)是平行于弧形殼板切線的分力。平行于弧形切線的分力由于對(duì)稱，互相抵消，最終作用于弧形殼板的力就分解為垂直作用于門(mén)體的力小于原來(lái)的作用力，因此使用弧形結(jié)構(gòu)可以削弱爆炸沖擊力[7]。在門(mén)扇內(nèi)部設(shè)計(jì)橫向支撐板與縱向支撐板形成梁格與固定板組合焊接的結(jié)構(gòu)，內(nèi)外板面材料均選低合金高強(qiáng)度鋼，起支撐加固的作用，保證有較高的強(qiáng)度，整體結(jié)構(gòu)剛性好，具有較強(qiáng)的抵抗爆炸沖擊的能力。

通過(guò)平面與弧形結(jié)構(gòu)受力分析可以得出結(jié)論弧形結(jié)構(gòu)將力分解后，力變得更小，更適合應(yīng)用與外部受力面，密閉裝置外部采用單扇弧形的結(jié)構(gòu)。

2.2 密封形式

在密閉裝置的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，選用矩形截面氟橡膠密封膠條進(jìn)行密封。在密封槽內(nèi)使用橡膠專用膠黏貼住矩形的密封膠條，在對(duì)應(yīng)的部位焊接金屬壓條。當(dāng)密閉裝置緊急關(guān)閉時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉鎖，焊接好的金屬壓條擠壓黏貼好的密封膠條，在密閉槽部位就能起到很好的密封效果[8-10]。密封結(jié)構(gòu)局部示意圖如圖2。

圖2 密封結(jié)構(gòu)局部示意圖

為提高密閉裝置的密封性能，在進(jìn)行機(jī)械焊接過(guò)程中，嚴(yán)格控制焊接工藝，借鑒振動(dòng)時(shí)效法消除焊接應(yīng)力，控制焊接變形，增強(qiáng)密封效果[11]。機(jī)械制造中存在平面度加工誤差，門(mén)扇與門(mén)框端面難以完全貼合，門(mén)扇與門(mén)框之間存在不規(guī)則的間隙，設(shè)門(mén)扇與門(mén)框之間的最大間隙為t,密封槽深尺寸為H，從最佳壓縮率范圍中，選擇密封膠條的壓縮率為15%，則金屬壓條的厚度L計(jì)算公式為：

式中：H為槽深，mm；h為矩形密封膠條厚度，mm；t為門(mén)扇和門(mén)框的最大間隙。

巷道密閉裝置的密閉門(mén)工作狀態(tài)下，矩形截面的密封膠條的靜密封性能優(yōu)于圓形截面的密封膠條，并通過(guò)試驗(yàn)獲取矩形截面橡膠的最佳壓縮率范圍取15%～25%比較合適，此時(shí)氣體密封行良好無(wú)泄漏。設(shè)計(jì)金屬壓條擠壓橡膠膠條的密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)橡膠膠條最佳壓縮率計(jì)算出金屬壓條的厚度[12-13]。

2.3 鎖緊機(jī)構(gòu)

密閉裝置密閉門(mén)控制機(jī)構(gòu)結(jié)合了電動(dòng)、氣動(dòng)、手動(dòng)控制系統(tǒng)，3項(xiàng)控制功能之間可互相轉(zhuǎn)換，更加安全、可靠。在巷道停電或氣動(dòng)控制裝置維護(hù)期的情況下，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪實(shí)現(xiàn)密閉門(mén)的啟閉[14]。

密閉門(mén)框上設(shè)有楔形塊斜面配合鎖緊轉(zhuǎn)動(dòng)塊實(shí)現(xiàn)密閉門(mén)的密封。需要打開(kāi)密閉裝置時(shí)，按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)手輪，打開(kāi)密閉裝置鎖緊裝置，同時(shí)推拉門(mén)扇，即可打開(kāi)密閉門(mén)。按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)手輪，將密閉門(mén)鎖緊裝置鎖緊，確保密閉門(mén)密封可靠。

密閉門(mén)關(guān)閉到達(dá)限定位置后，旋轉(zhuǎn)手輪，通過(guò)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)大小齒輪和連桿的運(yùn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)塊逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，留個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)塊同時(shí)沿著楔形塊的斜面滾動(dòng)至平面，鎖緊力逐漸增大，密封膠條的壓縮量也逐漸增大，最終達(dá)到最佳壓縮量區(qū)間，從而起到鎖緊密閉門(mén)，隔絕外界氣體的目的。

由于門(mén)體尺寸較大，為了使密封膠條各處受力相對(duì)均勻，采用6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)塊分布的鎖緊點(diǎn)。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由主動(dòng)小齒輪和從動(dòng)的大齒輪組成,主動(dòng)小齒輪與從動(dòng)大齒輪相互嚙合，傳遞運(yùn)動(dòng)的同時(shí)傳遞動(dòng)力。大齒輪、短連桿、左、右連桿焊接組、6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)塊依次通過(guò)銷軸鉸接，并用開(kāi)口銷固定。轉(zhuǎn)動(dòng)塊的轉(zhuǎn)點(diǎn)通過(guò)螺栓與焊接門(mén)扇上的螺柱連接[6,15]。同時(shí)密閉門(mén)的鎖緊和解鎖可依靠氣動(dòng)系統(tǒng)，安裝在門(mén)體上的氣缸伸出或收縮活塞桿，通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，使鎖緊塊轉(zhuǎn)動(dòng)縮小門(mén)體與門(mén)框之間的相對(duì)距離來(lái)完成。

通過(guò)齒輪傳動(dòng)受力分析可以得出，采用手輪與小齒輪通過(guò)連接轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方式連接，然后小齒輪帶動(dòng)大齒輪的傳動(dòng)方式較為合理，確定密閉門(mén)齒輪傳動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸巷道密閉裝置,介紹了關(guān)鍵技術(shù)。密閉裝置外部門(mén)體選擇弧形結(jié)構(gòu)，抗沖擊性能更好;框體選用分體結(jié)構(gòu)，便于分段運(yùn)輸與安裝;軸承采用專業(yè)推力球軸承，耐高溫高壓、密封、穩(wěn)定性好;采用手輪與小齒輪通過(guò)連接轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方式連接，然后小齒輪帶動(dòng)大齒輪的傳動(dòng)方式的密閉裝置密閉門(mén)齒輪傳動(dòng)鎖緊更加合理。