斜巷擋車欄的強度分析與改進

內蒙古白音華海州露天煤礦有限公司 內蒙古西烏珠穆沁旗 026200

目 前，我國煤礦井下輔助運輸仍以軌道運輸為主，采用斜巷絞車提升下放車輛的軌道運輸是煤礦輔助運輸中的重要環節[1-2]。斜巷系統的設備設施較多，不確定因素多、參數變化大，加之操作程序復雜、操作人員素質參差不齊等的影響，跑車事故時有發生，直接威脅礦井安全生產和職工生命安全，同時帶來較大的經濟損失。

為此，《煤礦安全規程》(2016 年版) 第八十條規定：“開鑿或者延深斜井、下山時，必須在斜井、下山的上口設置防止跑車裝置”[3]27；第三百八十七條要求，傾斜井巷內使用串車提升時，必須設置跑車防護裝置，在規定的各位置點安放阻車器[3]148。

礦井斜巷常用的跑車防護裝置為擋車欄 (擋車門)，它是安裝在上、下山，防止礦車跑車事故的安全裝置，是在傾斜井巷內安設的能夠將運行中斷繩或脫鉤的車輛阻止住的跑車防護裝置之一。其形式有：左右開啟的門式、上下起落的擋杠式、網式和地升式。按照原煤炭工業部 (〔1996〕第 615 號) 下發的《礦井斜巷防跑車和跑車防護裝置基本技術要求》：當車輛以正常速度運行時，必須能順利通過；當發生跑車時，必須能有效地攔住車輛。筆者以某煤礦 N2采區輔助運輸上山 (斜長 550 m，坡度為 12°) 為例，假定在 N2-335 甩車場和轉換道岔時，串車脫鉤跑車，對上、下擋車欄進行強度校核。

1 沖擊能量

絞車一次提升，串車在上部甩車道岔前自由跑下，撞擊擋車欄所產生的沖擊能量

式中：n為絞車一次提升最大拉車數量，臺；m為礦車載質量，kg；mz為礦車質量，kg；v0為礦車開始跑車時的速度，m/s；g為重力加速度，取 9.80 m/s2；L為礦車開始跑車到上部或下部擋車欄的距離，m；α為巷道傾角，(°)；f1為礦車運行阻力系數，一般取0.015～0.020。

2 對擋車欄的沖擊力

2.1 單臺礦車

單臺礦車脫鉤跑車時，對擋車欄產生的沖擊力

式中：vt為礦車在碰撞時的速度，m/s；W1為單臺礦車跑車時對擋車欄產生的沖擊能量，J；t為礦車與擋車欄碰撞的時間，柔性擋車欄一般取 0.25 s，剛性擋車欄一般取 0.20 s。

2.2 多臺礦車

串掛的多臺礦車[4]與擋車欄碰撞時，由于前后 2臺礦車間距離很小，當第 1 臺礦車的撞擊過程尚未完成時，又被第 2 臺礦車撞擊，因而出現撞擊重疊效應。因此，計算串掛車輛的總沖擊力時，每臺車都應考慮增加一個小于 1 的疊加系數ξi[4-5]。

串掛的多臺礦車跑車時，對擋車欄產生的總沖擊力

式中：i為串掛礦車的數量，臺；ξi為靠近尾車第i臺礦車的疊加系數，ξi=1.1 -0.2i。

通過上述分析，結合 N2 采區輔助運輸上山的相關數據進行計算，得出發生跑車時，礦車對上、下兩部擋杠式擋車欄所產生的沖擊能量和沖擊力，結果如表 1 所列。采用相同分析方法，若采用網式擋車欄，其所受到的沖擊能量和沖擊力如表 2 所列。

對比表 1、2 可知：在同一坡度時，載荷越大、跑車距離越長，沖擊時間越短，沖擊能力越大，爆發出的沖擊力越大，造成的破壞也越大。

3 擋杠式擋車欄的強度校核

為確保擋車欄對失控車輛的阻攔效果，對現用擋車欄進行校核[6]。擋車欄的擋杠上某點的抗彎極限沖力

式中：δb為擋杠的強度極限，12 號礦用工字鋼取 600 MPa，20b 普通工字鋼取 460 MPa；Wx為擋杠所用型材的抗彎模量，cm3；L為擋杠最下端到碰頭或最上端等某一位置的長度，m。

表1 跑車時擋杠式擋車欄所受沖擊力Tab.1 Impact of bar-typed tramcar stop at time of tramcar being out of control

表2 跑車時網式擋車欄所受沖擊力Tab.2 Impact of net-typed tramcar stop at time of tramcar being out of control

利用式 (4) 校核跑車時碰頭處的抗極限沖擊力F碰和擋車欄上端、固定座的抗極限沖擊力F頂，結果如表 3 所列。

表3 擋杠式擋車欄的強度校核結果Tab.3 Strength checking results of bar-typed tramcar stop

由表 3 可知，采用 12 號礦用工字鋼制作的擋杠在抗極限沖擊力方面，僅僅滿足 N2 采區輔助運輸上山上部擋車欄要求，最下端安裝的擋車欄無法有效阻擋失控車輛；在選用相同單重、抗彎模量較大的 20b普通工字鋼后，擋杠的抗極限沖擊力增大，擋車效果有所改善。

4 網式擋車欄強度校核

假定 N2 采區輔助運輸上山使用網式擋車欄，對其進行強度校核。網式擋車欄均采用 4 根φ24.5 mm鋼絲繩和板式繩卡及地腳螺栓緊固，受力均勻。

網式擋車欄所承受的最大剪切力

式中：n2為網式擋車欄地腳螺栓或固定鋼絲繩螺栓的總數量，個；Fτ為網式擋車欄每條地腳螺栓或固定鋼絲繩螺栓所受徑向剪切力，N。

網式擋車欄所產生的最大拉力

式中：N1為網式擋車欄每條地腳螺栓或固定鋼絲繩螺栓的軸向緊固力，N；μ為網式擋車欄固定鋼絲繩壓板與鋼絲繩之間摩擦因數，取 0.15。

經計算，網式擋車欄所受最大剪切力和產生的最大拉力如表 4 所列。

表4 網式擋車欄的強度校核結果Tab.4 Strength checking results of net-typed tramcar stop

由表 4 可知：在斜巷發生跑車過程中，網式擋車欄提供的抗極限沖擊力是固定的，主要受限于 M20螺栓的拉力，同樣不能有效阻止失去控制的車輛。

5 改進措施

5.1 擋杠式擋車欄的改進

(1) 用抗彎模量大的型鋼替代 12 號礦用工字鋼制作擋杠，增加其抗沖擊能力，并將擋杠的開啟機構改成拉力更大的電動或液壓驅動。

(2) 在擋杠的下端設置緩沖氣缸或緩沖液壓缸，延長脫鉤礦車與擋車欄碰撞時間，降低沖擊力。

(3) 將固定式擋杠改為滑動式，并設緩沖彈簧或緩沖鋼絲繩[7]，增加撞擊作用時間，減少沖擊力。

(4) 將擋杠加寬至軌道同寬，并與軌道有效搭接，失控車輛沿擋杠撞擊巷道頂板，使失控車輛掉道，終止跑車。

5.2 網式擋車欄的改進

(1) 在地錨壓板上加鑄襯墊，增大摩擦因數，失控車輛帶動鋼絲繩一同滑動，通過摩擦力消耗部分動能。

(2) 將地錨壓板改成緩沖氣缸或緩沖液壓缸，增加碰撞時間，減小礦車對擋車網的沖擊。

(3) 采用新型材料替代鋼絲繩，提高擋網的強度，增加網與緩沖裝置連接的可靠性。

6 結語

經對煤礦斜巷用擋桿式和網式擋車欄進行強度分析，可知某煤礦 N2 采區輔助運輸上山采用的 2 種擋車欄在強度方面均不能有效阻止失控車輛，特別是絞車道最下端安裝的擋車欄更是無法阻擋車輛。針對上述問題，筆者提出相應的改進措施，重新制作擋車欄并安裝在煤礦廢舊傾斜巷道內，進行跑車試驗，其阻擋效果明顯增加，能夠有效控制車輛繼續運動，將受波及區域控制在最小范圍，保證作業人員及大巷人員的安全，為煤礦輔助運輸的安全運行積累了經驗。