煤礦斜巷運輸行車安全防護系統概述及設計

謝永利，楊 征，李戰海，黃永安，張慧峰，鄭 昕，李盟潔，李茂慶

(1.陜西小保當礦業有限公司，陜西 榆林 719302；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710000；3.陜西陜煤榆北煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤炭是我國的主體能源。在我國的能源工業中，煤炭占我國一次能源生產和消費結構中的70%左右，預計到2050年還將占到50%以上[1]。在煤礦生產過程中，井下作業一旦發生安全事故，就會對井下工作人員造成極大的安全隱患，當前我國經濟的快速增長，對煤炭行業安全健康發展提出了更高的要求，要不斷加強和完善煤炭安全管理系統，促進我國煤炭行業健康、持續的發展[2]。

礦井輔助運輸是煤礦運輸系統的重要組成部分，也是礦井安全生產的重要環節，主要擔負煤礦生產中的材料、人員、設備等運輸任務，輔助工作條件的優劣將直接影響礦井的生產和安全，近年來，關于如何提升礦井輔助運輸安全也進行了相關的研究和探討[3-7]。其中，煤礦斜巷運輸環節多、戰線長、分布面廣，應用的地理環境復雜多變，一些急彎銜接和洞內視線環境影響，對行車安全操作和安全防護手段要求較高。尤其是隨著無軌輔助運輸技術的不斷發展[8]，載重汽車、無軌膠輪車等由于其較高的運輸效率、優異的性能，在井下使用頻率愈加頻繁[9-10]，其中有的小絞車流動性強，這容易導致各種運輸事故。在這些事故中，斜井巷跑車事故是危險性最大，也是較易發生的一類事故[11-12]。

鋼絲繩牽引礦車組在傾斜井巷中運行時，可能因斷繩或連接裝置斷開或脫鉤，礦車向下墜落；也有因在傾斜井巷上口的摘掛鉤操作失誤，造成礦車向下飛車，無軌膠輪車發生剎車失靈出現失速，這種現象通稱為斜井跑車，極易造成人身傷亡。傾斜井巷發生跑車的多為重車或超重車，除可能造成車輛、軌道、巷道的損壞外，還可能撞壞電源主線路和風、水干管等重要設施，可導致礦井生產中斷，造成重大經濟損失。因此，探索提升煤礦輔助運輸安全的有效途徑，尤其是對斜井巷道行車安全防護，具有非常重要的現實意義。

1 行車安全防護設施的設計方案

斜巷運輸一旦有失速事故發生就會造成嚴重的經濟損失，更為嚴重的甚至可能造成人員傷亡。目前的防跑車系統大多是針對于軌道運輸車輛，是一種被動的阻攔機構，并不適用于井下無軌膠輪車的失速阻攔。以陜北榆神礦區小保當礦井為例，根據礦區實際，設計了一套行車安全防護設施系統，該防護系統能多方位對失速車輛進行攔截，實現柔性阻車，進一步提高礦井輔助運輸斜巷行車安全性。

1.1 整體設計

行車安全防護設施系統主要有3個部分，新型礦用阻車器、礦井安全防護裝置和行車安全緩沖裝置。小保當一礦副斜井全長約3 800 m，坡度6°，設2處彎道，彎道半徑50 m，從經濟性、事故發生概率和頻率等方面考慮，在礦道直行路段分別布置阻車器和行車安全緩沖裝置，在行車方向急轉彎路段布置納米吸能安全防護裝置，整體防護設施系統設計如圖1所示。

圖1 小保當行車安全防護系統示意Fig.1 Schematic diagram of driving safety protection system

1.2 新型阻車器

煤礦副斜井阻車裝置主要包含了3個子系統，分別是阻車裝置、測速及遙控裝置、控制系統。其中阻車裝置包含解鎖機構、阻車泡沫和吸能結構，控制系統包含控制器、下位機、聲光信號等。阻車裝置如圖2所示。阻車裝置安裝在煤礦巷道硐室。當車輛速度超過限速時，測速及遙控系統做出響應，控制系統對速度信號和遙控信號進行分析判斷，阻車裝置從巷道硐室滑出，對失速車輛進行柔性阻車。當發生車輛脫檔、剎車失靈、司機操作失誤等現象時，除了限速裝置會及時動作外，硐室工作人員亦可手動啟動阻車裝置，防止車輛損壞和人員傷亡等重大安全事故。

圖2 阻車器阻車裝置結構示意Fig.2 Structure diagram of vehicle arresting device

1.3 納米吸能安全防護裝置

由于礦井實際情況復雜，失速原因多樣，為了保護礦道附屬設施，減少人員傷亡，在煤礦斜巷道路兩側壁安裝納米吸能安全防護裝置，目前礦井大多數采用墻壁懸掛橡膠輪胎進行防護，吸能效果較差，且極易發生大變形回彈。納米吸能安全防護裝置是一款應用于特殊路段的行車安全防護設施，該防護設施可設置在隧道、彎道、懸崖路段、長大下坡等高危路段。為了符合煤礦巷道運輸實際需求及滿足相關礦用標準要求，設計了一款礦用納米吸能安全防護護欄，用于巷道急轉彎路段。該安全防護設施主要由防撞標準塊和錨固緊固組件組成，防撞標準塊包括立柱、箱體、轉珠、彈簧和納米流體耗能體組成。當車輛失速后時，納米吸能安全防護裝置受到沖擊時，依次發生導向輪旋轉，耗能核壓縮，吸能體壓縮，導向輪壓縮，多級耗能，效果顯著，可以使失速車輛平穩停車，如圖3所示。

圖3 納米吸能安全防護裝置結構示意Fig.3 Structure of nano energy absorbing safety protection device

1.4 行車安全緩沖裝置

行車緩沖裝置是專用于礦道行車安全設計的一款礦用防撞墊，如圖4所示。該結構主要由導向板、磨阻塊，防撞端游、伸縮支架以及動力裝置組成。目前煤礦大多采用簡易砂桶進行防護，剛性較強，一旦發生碰撞對車輛人員傷害較大。當車輛失速時，車輛駕駛員可以主動選擇碰撞行車緩沖裝置，避讓其他重要附屬設施，行車緩沖裝置采用了納米吸能新材料，防護效果良好，是行車安全防護系統的一個重要組成部分。

圖4 行車安全緩沖裝置示意Fig.4 Schematic diagram of driving safety buffer device

根據小保當一號井副斜井巷道實際，對礦道斜井運輸行車安全防護進行了系統研究和設計，整套設計充分考慮了不同失速情況，對煤礦斜井運輸及井下工作人員實現多重、全方位防護，各部分防護設施相互配合，相互補充，有效減少碰撞對巷道附屬設施破壞的概率，降低了對煤礦井下工作人員的傷害。此研究設計也對煤礦附屬運輸安全，尤其是對煤礦斜巷運輸行車安全防護研究提供了參考，可以根據煤礦實際地質及位置情況進行設計。

2 存在的問題及發展趨勢

2.1 礦道行車安全防護存在的問題

目前，在煤礦生產運輸中，為了預防斜巷跑車事故的發生，設計了多種形式的斜巷跑車防護裝置，主要有彈簧緩沖、鋼帶變形能緩沖、摩擦盤緩沖以及鋼絲繩變形能緩沖等，均為部分防護。針對煤礦副斜井輔助運輸，尤其是對行車安全防護設施系統的研究較少。

2.1.1 煤礦地質情況復雜，難以建立統一防護標準

由于技術和地理條件的限制，煤礦運輸巷道斷面小，運輸路線長，暗斜井多，拐彎半徑小，且不同地區煤礦地質差異較大，副斜井運輸情況復雜，難以建立統一的防護標準。

2.1.2 運輸管理體制落后，行車安全防護重視不足

由于很多煤礦建設時期較早，沒有統一規劃，對運輸物料、人員布局不合理，經常出現超重、超拉、超寬、超高，造成巷道擁擠，次序混亂。煤礦事故中瓦斯爆炸、地面塌陷、煤礦透水等事故多發，因此關于煤礦安全的研究主要集中在生產安全方面，對運輸安全系統研究較少，因而對煤礦斜巷運輸行車安全防護重視不足，而行車安全具有極大的不確定性、偶然性，需要引起重視。

2.1.3 工作人員操作不規范，運輸車輛維護不足

在煤礦實際生產運輸過程中，部分司機無證開車，或者開車制動行為不規范，應對故障技術能力不足，應對突發事件能力不足。同時，由于井下運輸車輛復雜，且車輛維護不足，不能及時發現車輛故障，存在極大的運輸安全隱患。

2.2 礦道行車安全防護發展趨勢

煤礦輔助運輸安全越來越得到相關部門及管理者的重視，設計新型的無軌膠輪車安全防護裝置是煤礦井下斜巷運輸必不可少的安全措施之一，也是未來井下安全的一個發展趨勢。

2.2.1 推進煤礦斜巷運輸安全防護標準化改革

標準化、制度化是指導和規范煤礦輔助運輸安全設計的重要基礎。相關管理部門和領域專家要加快煤礦輔助行車運輸行業及防護產品標準的建立。同時，創建先進、合理的防護典范工程，積極推進斜井運輸安全防護新技術、新裝備在生產中的應用。

2.2.2 做好煤礦安全教育培訓工作常態化

人是所有業務的核心要素。要加強對管理人員、技術人員、操作人員的培訓。加強學習和安全宣傳教育，增強員工的安全意識，提高員工業務水平，經常開展規章制度、事故案例以及業務技能培訓教育。

2.2.3 提高煤礦綜合管理水平，嚴格落實追責制度

安全工作重在落實。煤礦經營和管理者，要提高煤礦綜合管理水平。相關管理部門要嚴格落實各項法律法規制度，做到有法可依，對存在隱患拒不處理，對重大事件及隱患要追究有關領導的責任。

2.2.4 積極推進安全防護新技術、新裝備的應用

科學技術的發展也為煤礦輔助運輸安全提供了新的可能，安全防護是運輸設備所必須的，斜井防護裝置尤為重要，齊全、性能優越的各種安全防護裝置的應用為斜井行車安全運輸提供了保障，無人駕駛等技術也為運輸安全提供了新的可能。

3 結語

介紹了我國煤礦斜巷運輸行車安全防護系統的研究及應用現狀，并以陜北榆神礦區小保當礦井實際為例，設計了一套礦井斜巷行車安全防護設施系統，該防護系統能多重全方位對斜巷運輸安全進行防護，減小井下車輛和人員損傷概率。通過對我國煤礦斜巷運輸行車安全防護現狀的分析，指出目前我國煤礦行車安全防護系統存在的問題，并對未來的發展趨勢進行了展望。