機械常開混合式跑車防護裝置的設計與應用

賈曉楠

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦， 山西 古交 030200）

引言

礦井運輸系統中，礦車主要負責井下施工所需材料的運入和矸石及其他廢棄物的運出，礦車運輸具有較強的適應性和承載性，且維護費用低[1]。但其受運輸條件惡劣、單車運量小、運輸頻繁等不不利因素的影響，易出現運行事故，特別是對于大角度傾斜巷道而言，如發生跑車情況，輕則造成設備損壞，重則導致人員傷亡，因此在斜巷運輸過程中必須安裝防跑車裝置進行有效攔截，減少事故損失[2-4]。為了對跑車進行有效攔截，某煤礦針對礦井斜巷運輸的實際情況，利用廢舊材料，通過反復試驗和改進，最終設計完成了一款斜巷跑車防護裝置，應用效果良好。

1 工程概況

某煤礦軌道運輸斜巷中缺少有效的防護裝置，不符合《煤礦安全規程》關于跑車防護的相關要求，為了保證礦井斜巷運輸安全，同時降低設備安裝和維護成本，決定利用礦井自有材料設計跑車防護裝置。該礦1采區軌道上山斜巷絞車坡長220 m，傾角25°，巷道斷面12 m2，負責向采區工作面運送材料和排出矸石廢料，同時巷道一側具有行人功能。絞車坡上變坡點處安裝了一套氣動式自動阻車器，上變坡點向下5 m處和下變坡點向上5 m處各安裝了一套擋車梯，該巷道采用的支護方式為錨網套棚支護。

2 防跑車裝置應用現狀及設計思路

目前煤礦斜巷擋車設施種類較多，按照其類型主要分為三種，即：剛性擋車器和柔性擋車器及組合擋車器。其優缺點如下：

1）剛性擋車器成形較好，易于設計和安裝，但發生跑車后礦車損壞嚴重，且擋車器難以復原；

2）柔性擋車器在擋車時對礦車的損壞較小，且擋車器易于復原，但其設計安裝復雜，成型難度較大；

3）混合擋車器利用鋼絲繩進行擋車，并以阻尼氣缸作為輔助緩沖，在擋車時對礦車和設備本身的損壞最小，易于恢復，使用效果較好。

基于以上分析，混合式擋車器在跑車防護過程中具有較大的優勢，因此，根據礦井斜巷實際情況進行分析，最終決定采用機械常開混合式跑車防護裝置。

3 跑車防護裝置設計原理

本次設計的跑車防護裝置為機械常開混合式，主要通過礦車對引導裝置撞擊打開防護欄。礦車在運行過程中如果出現跑車情況，礦車會不斷加速向下運動，并高速撞擊引導裝置撞桿，在受到極大撞擊力的情況下，撞桿急速向后運動并撞擊引導裝置的機關掛鉤，掛鉤旋轉使掛鉤另一端下降，脫開懸掛的鋼絲繩，放下防護欄，對高速礦車進行攔截。

上述常開混合式跑車防護裝置正常發揮作用要確保兩點，一是礦車具備較高的速度，保證引導裝置撞桿對掛鉤具有足夠的沖擊力，確保鋼絲繩脫落；二是失控礦車在撞擊跑車防護裝置時有可能具有極高的速度，而跑車防護裝置完全打開需要一定時間，因此撞桿和防護網之間要具有足夠的距離，確保礦車撞擊撞桿向下運動至防護網時，防護網已經完全打開。因此在上述跑車防護裝置的設計中需要對三個要素進行計算，一是巷道傾角。不同的巷道傾角使礦車平行于巷道的重力分力不同，則礦車的加速度不同，撞擊時的速度有較大差異；二是礦車失控位置與跑車防護裝置之間的距離，距離不同，撞擊速度也不同；三是撞桿與防護欄間的距離，距離過短無法保證防護欄全部展開。

4 機械常開混合式跑車防護裝置的設計

4.1 參數計算

本次機械常開混合式跑車防護裝置的設計和試驗對象為該礦1采區軌道上山絞車坡，根據巷道實際情況對跑車防護裝置的設計參數進行計算。該絞車坡長220 m，傾角25°，巷道斷面12 m2。絞車坡參數計算示意圖見圖1。

圖1 絞車坡參數計算示意圖

假設礦車正常運行速度v1，礦車自擋車梯處失控下落的最高速度v2，撞擊跑車防護裝置時速度為v3。擋車梯至引導裝置距離為120 m，達到v2速度至撞擊引導裝置的距離為52 m。本次利用自由加速度計算礦車失控自由下落的末速度和自由下落時間，然后根據實驗獲得引導裝置的反應時間，可反算出引導裝置撞桿距離跑車防護裝置的最短距離。

按照最極端情況，假定礦車通過擋車梯后就出現失控自由下落，則礦車自擋車梯處失控后的最高速度v2的計算如下：

式中，s為擋車梯至跑車防護裝置的距離，取120 m；礦車正常運行速度v1，取1.2 m/s。

將數值代入公式（2）得出：自由下落時間t=5.3 s。將s和t的數值代入式（1）可得v2=45 m/s。

通過試驗，礦車撞擊引導裝置撞桿至防護欄下落的時間約0.5 s，則撞擊跑車引導裝置撞桿時速度v3計算公式為：

將t=5.3 s代入式（4）計算可得擋車梯到引導裝置撞桿的距離s1=99.6 m，將s1和t代入式（3）計算可得v3=40.3 m/s。

引導裝置撞桿至防護欄的距離計算公式為：

將v3、v1數值代入公式（5）計算得出s2=21.3 m。

根據式（5）的計算，引導裝置撞桿至防護欄的最小距離應不超過21.3 m。該結果是針對1采區軌道上山實際情況進行計算得出，僅適用于該巷道，礦井其他巷道參數需另行計算。

4.2 結構的設計

本次設計的跑車防護裝置分為兩部分，具體如下：

1）防護欄，見圖2-1。防護欄為長方形框架，長、寬分別為2 m和1.5 m，框架有規格50的角鐵焊制，其上以200 mm為間距吹出直徑20 mm的圓孔，且上下左右對稱分布。在利用直徑18.5 mm的鋼絲繩自圓孔內穿入，編織為網格狀，其正交處互相錯壓，在錯壓位置使用同樣規格的鋼絲繩和卡扣固定。每段鋼絲繩穿過圓孔后截斷，使其相互獨立且利于維護，鋼絲繩穿過角鐵后使用同樣規格的鋼絲繩和卡扣固定。在框架一端焊接兩個鉸支座，間距800 mm，鉸支座厚度15 mm，且帶有兩個直徑35 mm的圓孔。在巷道頂梁上焊接兩個相同規格鉸支座，間距760 mm左右，防護欄和巷道頂梁上的鉸支座采用鋼制銷柱進行連接，長850 mm，銷柱兩端打開口銷。

2）撞擊引導裝置，見圖2-2。撞擊引導裝置底座為兩根1.8 m方鋼，兩端焊接長方形鋼板，方鋼間距30 mm。方鋼一端200 mm處施工一個通孔，其中鉸接一根長1.5 m的可自由轉動的撞桿，方鋼另一端200 m處也施工一個通孔，裝上機關掛鉤，在撞桿受到外力撞擊時能向后轉動，并碰撞機關掛鉤尾部。防護欄與機關撞鉤間采用6 mm直徑的鋼絲繩進行連接，在防護欄上安裝改變鋼絲繩方向的導向輪，見圖2-3。失控的礦車撞擊跑車防護裝置時速度可能較高，因此防護網與撞桿的距離必須大于計算的最小安全距離，確保礦車撞擊撞桿后到達防護網時，防護網能夠全部打開。

圖2 機械常開混合式跑車防護裝置結構圖

5 試驗分析

本次在1采區軌道上山絞車坡向下約40 m處安裝了上述機械常開混合式防跑車裝置，并進行了跑車試驗，試驗結果表明：該裝置能夠在跑車時進行有效地阻止，但由于巷道支護條件問題，未能在有效距離內完全阻止失控礦車。根據現場情況對該裝置前后2m處的巷道進行了加強支護，具體為巷道頂梁施工錨桿使其與頂板巖石緊密貼合，對該段巷道噴漿加固，并將受力頂梁進行聯鎖。巷道加強支護后再次進行了跑車試驗，試驗結果較好。