雙閉鎖式風動防撞風門設計與應用

郭海軍

（潞安集團慈林山煤業夏店煤礦，山西 長治 046000）

風門是礦井主要的通風設施，是通風系統重要的組成部分。 礦井巷道通過設置風門來控制風流方向和風量，風門的運行狀態對礦井通風安全具有重要意義[1-2]。 為了保證風門的運行效率，通風系統一般采用風動或電動風門[3-4]； 由于井下作業環境復雜，同時還要求風門具有防撞功能[5]。潞安集團夏店煤礦井下所使用風門采用電磁閉鎖，使用過程中需要接通電源，能耗較高，且不具備防撞功能，在生產過程中經常出現推車操作不當等原因導致風門損壞，不但增加維修量和維修成本，同時對礦井通風安全產生影響。 為了解決這個問題，通過對該風門的研究， 在其基礎上設計了雙閉鎖式風動防撞風門，并在該礦3118 工作面進行了試驗，取得了良好的應用效果。

1 雙閉鎖式電磁風門存在問題

1.1 雙閉鎖電磁風門工作原理

雙閉鎖電磁風門采用電磁原理設計，當風門開啟時，風門開閉狀態傳感器產生信號并傳遞給控制器，控制器給另一道風門的電磁閉鎖供電，另一道風門閉鎖，同時報警器發出語音報警。 風門關閉后，電磁閉鎖斷電另一道風門解鎖，語音報警停止。 行人也可按動按鈕來解鎖風門，行人經過后風門會自動閉鎖[6]。

圖1 雙閉鎖電磁風門安裝

1.2 存在問題

（1）電能的浪費。 雙閉鎖電磁風門在使用過程中持續耗電，造成用電量的增加。

（2）材料費用的浪費。 雙閉鎖電磁風門經常因風門的頻繁開關閉鎖造成電磁閉鎖保護線圈燒壞，材料消耗較大。

（3）設備費用的浪費。 原雙閉鎖電磁風門不具有防撞功能，職工在運輸車輛的過程中，因誤操作導致風門被撞壞，而產生的設備維護費用或更換新風門的費用。

（4）人力資源的浪費。 每班安排2～3 名專職機電工對井下風門進行巡查、檢修、維護，而產生的工時費。

（5）風門被撞壞或損壞以后，造成風門開啟困難、風流短路等安全隱患。

2 雙閉鎖式風動防撞風門設計原理與運行流程

2.1 設計原理與運行流程

（1）設計原理

雙閉鎖式風動防撞風門，采用風動式閉鎖+ 機械式閉鎖+ 防撞風門，當風動閉鎖失效時，可利用機械閉鎖進行閉鎖。 該風門以壓縮空氣為動力，手動操作控制閥，實現風門的整體自動控制及卡軌器的聯動控制； 全套設備由兩道風門及其控制系統、四臺卡軌器、兩只導繩輪，以及聲光傳感系統組成，符合《煤礦安全規程》規定，且保證行人和運輸的正常通行；兩道風門自動閉鎖，同一時間內只能夠開啟一道，并且關門優先，防止風流短路；與風門開關同步自動起落的卡軌器，在風門關閉狀態下，阻止礦車前行，具有防撞門功能；導繩輪可以控制和疏導鋼絲繩在局部范圍內沿導軌中心運行；聲光警示系統可自動監測風門開閉狀態，以聲光形式發出警示。 風門開啟角度≥90°。

（2）控制系統

雙閉鎖式風動防撞風門的控制系統由2 個風缸、2 個兩位二通閥、風管、滑輪和鋼絲繩等組成。通過風閥手柄可以控制風門和卡軌器的狀態，即通過1#風門外側的風閥手柄可控制1#風門和1#、2#卡軌器打開，在礦車進入兩道風門中間時，可利用風閥手柄控制1#風門和1#、2#卡軌器關閉， 同時打開2#風門和3#、4#卡軌器， 當礦車通過2#風門后可利用風閥手柄關閉2#風門和3#、4#卡軌器，反之亦然。

（3）運行流程

該風門運行流程以安裝在回巷運輸繞道為例。在風門前后2 m 處各安裝一套氣動卡軌器，氣路與風門串聯，在風門關閉狀態下，該裝置出于卡死道軌的狀態。 當1#風門開啟（關閉）時，1#、2#卡軌器自動開啟（關閉）；礦車進入風門中間，停在3#卡軌器前；當2#風門開啟（關閉）時，3#、4#卡軌器自動開啟（關閉），礦車順利通過。1#、2#風門不能同時開啟，所以1#、2#組成的第一組和3#、4#組成的第二組卡軌器不會同時解除閉鎖狀態。 這樣就避免了風門在未開啟狀態下， 運輸過程中因誤操作而撞壞風門，導致風流短路等情況的發生。

圖2 雙閉鎖式風動防撞風門結構

2.2 與原風門比較

雙閉鎖式風動防撞風門相比較于普通電磁閉鎖風門，具有成本低，安裝簡單，使用方便，功能齊全，以壓縮空氣為動力，是通過氣管把氣送到閉鎖器中從而實現風門互鎖的；氣動卡軌器能有效避免風門被撞造成損壞。 該風門安裝簡單，運輸方便，體積小，功能全，能夠避免風流短路、風門被撞等不必要的安全隱患風險，同時節約企業電費、材料費用、維修維護費用、人力資源費用等。

3 使用效果分析

3.1 經濟效益

經在夏店煤礦井下3118 綜采工作面回風巷運輸繞道風門試裝完成試驗后，效果良好。 設備運行穩定可靠， 后期逐步對井下十余道風門進行改造，目前已全面完成改造工作，取得良好安全效益及經濟效益；設備安裝完成后，未出現一起因礦車撞擊風門及風門雙開現象。 具體產生經濟效益計算見式（1）：

式中：Em為經濟效益， 元；Q1為項目實施后節約費用，元；Q0為項目實施后產生的費用，元；r 為使用時間，年；Ca為施工費用， 元；I 為非本成果產生的效益，元；F 為施工損失，元。 該實施項目以一年為期限、10 組風門為例計算。

據統計項目實施前后單個風門的耗電量分別為85 kW/h 和20 kW/h， 則項目實施后節約的電能費用： 單價×單個風門平均年用電量×風門數=0.47×85×10=399.5 元；節約的材料費用：項目實施前材料費用為電磁保護單價×全年更換數量=520（元）×40（個）=20 800 元，項目實施后10 個風門預計材料費用為8 000 元/年， 節省12 800 元/年；平均3 名機電工×月平均工資額×12=3×5 000×12=180 000 元； 項目實施前風門的維護或更換費用： 風門單價×風門更換頻次=18 000×15=270 000；項目實施后產生的人力資源費用：平均用人工數×平均工資×12=1.5×5 000×12=90 000 元。

則代入式（1）得Em=267 305.5 元。

3.2 其他效益

（1）減少礦井電能的浪費。 因雙閉鎖電磁風門采用電磁閉鎖， 在使用過程中造成礦井用電量增加，使用雙閉鎖式風動防撞風門后，因取消連接電磁器開關，使用原有礦井壓風系統，電力消耗降低76.5%，實現了綠色開采。

（2）減少材料浪費。 原雙閉鎖電磁風門采用電磁閉鎖，在使用過程中，因風門的經常開關閉鎖造成電磁閉鎖保護線圈燒壞， 從而產生材料消耗，而雙閉鎖式風動防撞風門，因結構簡單、穩定可靠，且造價低廉，材料費用降低61.5%。

（3）減少通風設備損耗。 原雙閉鎖電磁風門不具有防撞功能，職工在運輸車輛的過程中，因誤操作導致風門被撞壞，而產生的設備維護費用或更換新風門的費用。 雙閉鎖式風動防撞風門其本身重要目的之一就是防止運輸過程中意外撞擊風門。 因此，保護了風門通風設施的安全。

（4）減少人力資源的浪費。 雙閉鎖電磁風門每班需安排2～3 名專職機電工對井下風門進行巡查、檢修、維護，而產生的工時費，雙閉鎖式風動防撞風門因不帶有電氣設備，且維護簡便，僅需一人定期維護保養就可實現風門閉鎖裝置的持續穩定運行（行人或礦車通過風門時可按照開關操作提示自行操作風門的開閉，不必另增看守人員）。

（5）實現持續穩定安全可靠的安全效益。 推行該項目后，可以防止風門因運輸原因被撞壞，造成井下通風設施損壞產生漏風、風流短路等情況。

4 結語

雙閉鎖式電磁風門不具有防撞功能，且材料損耗大、電能消耗多，本次的設計在其基礎上進行了改進，利用壓縮空氣實現了自動開閉，利用氣動卡軌器實現了風門的防撞功能， 在3118 工作面進行了試驗，應用效果良好，具有較高的經濟效益和社會效益。