緩坡斜巷無軌車輛失速保護系統的應用

楊福珍

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

防爆無軌膠輪車(含礦用人車、材料車等運輸車輛)目前已在許多大型礦井中大量使用，不過車輛在使用過程中，由于工人超速行駛、操作不當、掛檔失敗或者剎車制動失效等原因而發生安全事故，造成人員傷亡和財產損失。

近年來，煤礦井下無軌膠輪車引發的事故時有發生，國家煤礦安全生產監察局要求各煤礦企業要進一步加強井下無軌膠輪車使用的安全管理，采取有效的保護措施，保障人員運輸安全。

《煤礦安全規程》(2016版)第392條明確規定：“長坡段巷道內必須采取車輛失速安全措施”。因此，無論從安全生產實際需要方面，還是從國家政策層面，降低無軌膠輪車安全事故，實現無軌膠輪車速度失控后的主動防御和保護，是非常迫切和必要的。

1 問題的提出

杭來灣煤礦參照神府礦區大柳塔、榆家梁等礦井的建設經驗，采用斜井開拓。其中副斜井為緩坡斜井，傾角5.5°，采用折返式繞行設計，總長約3 130 m(中間設50 m水平緩沖段)，井筒凈寬5.6 m、墻高1.8 m，凈斷面積22.4 m2。礦井輔助運輸采用防爆無軌膠輪車連續運輸，從礦井工業場地直達工作面連續運輸。

2011年9月，該礦作業人員乘坐無軌膠輪人車從副斜井入井200 m后，發現車輛不能正常換檔、剎車失靈，滑行中撞在左側巷幫上，造成事故。

為避免類似事故的發生，造成人員傷亡和車輛損失，提高副斜井無軌膠輪車輔助運輸系統運行的安全性。有必要研發設計一種先進有效的車輛保護裝置或措施。

2 設計面臨的問題

目前，安全監察部門和車輛使用企業應對無軌膠輪車事故主要有以下3種措施。

2.1 從車輛生產源頭入手

進一步嚴格無軌膠輪車產品的準入條件，逐步提高生產企業的準入門檻，促進無軌膠輪車產品整體水平穩步提升，從根源上提高車輛安全性。

2.2 從管理方式入手

嚴禁非防爆機動車輛入井，嚴禁采用非專用人車運送井下作業人員。嚴格按照有關規定，加強日常維護保養、用前安全檢查、定期檢驗檢修和運行管理，不得擅自拆除車輛安全保護設施。井下駕駛無軌膠輪車的作業人員必須具有與駕駛車輛對應的機動車輛駕駛證和崗位操作資格，嚴禁不具備資格人員在井下駕駛車輛。

2.3 從運行環境入手

加強巷道管理，在事故多發地段，沿巷道壁兩側掛設廢舊輪胎，一旦發生跑車事故，由司機不斷調整駕駛方向，用車身和廢舊輪胎產生摩擦，使車輛降速；或者參考高速公路下坡避險車道設置方法，在巷道中設計一段向上斜巷，斜巷底板上堆積沙子等柔性材料，起到降速、停車的目的[1]。

以上防治措施中，第1種措施雖然可以降低無軌膠輪車發生失速的概率，但無法杜絕車輛安全事故的發生。車輛發生事故后，仍可能造成失控后發生車毀人亡的事故，風險源仍存在。第2種措施與礦井安全生產管理水平密切相關，但由于目前煤礦管理水平、工人的技術水平良莠不齊，若安全監察不到位，還是易發生車輛安全運行事故，且該措施也無自動保護功能。第3種措施主要是針對事故發生后的應對，是一種比較有效的防治方案，但其使用效果和司機的駕駛水平、應急反應密切相關。車輛失控后，一般車速比較快，若司機操作不當或反應滯后，就可能發生車輛撞擊、側翻等安全事故，達不到預期效果。且在巷道中設置斜巷，不易解決巷道通風問題。當車速過快時，車輛能否按照理想的狀態駛入避險巷道有待驗證，故在實際應用中，采用此類巷道作為車輛避險措施的礦井比較少。

上述幾種無軌膠輪車跑車事故的防治措施，存在可靠性不高，使用效果不理想等缺點。對此，經過仔細研究，實地走訪礦山設備企業，針對該礦副斜井輔助運輸線路特點，設計采用一種新型無軌膠輪車失速保護裝置，在無軌膠輪車發生速度失控時，可以給車輛提供一個外在的可靠而且平穩的拉力，使車輛逐漸減速制動，避免持續向下跑車。該系統相比其它的減速制動措施，制動效果好，對人員和車輛損傷小，實現了對無軌膠輪車速度失控的主動防御和保護，有效地降低了無軌膠輪車速度失控后發生事故風險的概率，極大地提高了無軌膠輪車運輸系統的安全性。

3 失速保護裝置設計方案

3.1 失速保護裝置系統組成及工作原理

3.1.1 系統組成

該系統主要由2個部分組成：其一為車載設備，全部安裝在無軌膠輪車車輛本體上；其二為巷道內設備，設置在運行線路巷道上。

車載設備：車載設備由本安電源、車載傳感器、車載無線基站、尾鉤釋放裝置、尾鉤等設備組成。這些設備與車輛本體均無直接聯系，有獨立的液壓、機械制動、電控等系統，安裝后不改變車輛原有的機械、電氣操控以及機械制動等性能。

巷道內設備：巷道內設備由巷道控制箱、本安型無線基站、阻攔繩索—吸能器系統、巷道LED報警顯示屏等設備組成。

3.1.2 工作原理

無軌膠輪車失速保護系統分為機械系統和電控系統。

機械系統采用尾鉤掛阻攔繩索的方式進行制動。在車輛因制動失靈，發生失速跑車后，司機緊急踩下尾鉤釋放裝置的踏板，釋放尾鉤。由于此時車速還處于上升階段，司機仍可以較易控制車輛行駛方向，保持車輛直道行駛，避免撞擊側巷。當車輛尾鉤行進到阻攔繩索所在位置時，連接兩吸能器的阻攔繩索就會被尾鉤捕捉，對車輛施加恒定的外力，使車輛減速制動，緩沖一定距離后，最終使車輛停下來。由于被捕捉車輛受到外力方向為向后、向下，并且吸能器提供的力較為均衡，故對車輛及其內人員沖擊較小。車輛尾鉤具備防脫功能，確保阻攔索進入尾鉤后不會脫出。阻攔繩索可在尾鉤內竄動調整，車輛無側翻危險[1]。

電控系統實時監測尾鉤的狀態，并將車輛信息及時上傳至基站。接收到機械制動系統釋放尾鉤的信號后，車載無線基站將發出車內聲光報警信號，提示車內人員尾鉤已經釋放，做好應對準備。同時，在巷道內通過LED顯示屏同步報警，提醒其他車輛有效避讓。該信息同時經過基站上傳至地面監控中心系統[2-4]。

車輛制動系統示意如圖1所示。

1-踏板;2-油壺;3-油管；4-尾鉤;5-阻攔繩索;6-吸能器

3.2 方案設計

3.2.1 設計依據

巷道參數：緩坡斜井，傾角5.5°，采用折返式繞行設計，總長約3 130 m(中間設置50 m水平緩沖段)。

運輸車輛參數：無軌膠輪車總質量(含載重)為2～13 t；運送人員車速≤15 km/h；運送材料車速≤18 km/h；車輛最大行駛速度≤38 km/h；需要安裝的車輛數為30輛。

3.2.2 方案

在副斜井巷道內共設計6組(12道)阻攔繩索-吸能器，設置位置均在直段巷道上。第1組設置在距井口約600 m處，之后每隔500 m設置一組。

每個吸能器輸出摩擦力標定以正常使用的最小質量2 t的車輛進行設計標定，滿足最小質量的車輛攔截使用，同時，在吸能器繩輪內儲備有足夠的鋼絲繩，滿足大質量13 t的車輛攔截使用。

每組制動單元設有兩道阻攔繩索，阻攔繩索所處地面需做局部處理，以保證尾鉤能順利掛住阻攔繩索。

每道捕捉系統由2組阻攔繩索-吸能器組成，一用一備，每組阻攔繩索布置原則是相鄰2組阻攔繩索之間間距為50 m。

阻攔繩索-吸能器硐室設計尺寸：斜井井筒砼底板以上凈高度為1.3 m，砼底板以下下挖1 m×1 m(長×寬)，水平凈深度為1.2 m。

底板以上開挖部分用水泥砂漿將裸露表面進行保護，副斜井巷道每個吸能器位置所掘硐室采用100 mm厚度水泥砂漿層進行保護。

3.3 失速保護裝置配置

副斜井無軌膠輪車失速保護系統配置見表1。

表1 副斜井無軌膠輪車失速保護系統配置

4 失速保護系統驗證及使用效果

4.1 失速保護系統驗證

2013年該礦根據設計進行施工，同年12月安裝完畢，由建設單位組織安全部門、設備廠家、設計、施工單位進行驗收，并對系統進行測試，測試數據均達到了預期效果，車輛和人員均得到安全保護，具體測試流程如下。

總質量約為15 t的無軌膠輪車以60 km/h的速度駛來(超載、超速)。

在距離阻攔索[5-6]約 30 m距離時，司機釋放尾鉤。尾鉤釋放后，在自身重力和拉簧的作用力下落向地面，并緊貼地面隨車輛前行。

尾鉤勾住阻攔索并鎖定。

尾鉤勾住阻攔索后，開始減速制動，緩沖制動減速度在0.5～2.5 g范圍內。

車輛被成功緩沖制動，人員無不良生理反應，并能安全下車。

4.2 使用效果分析

該礦無軌膠輪車速度失控保護系統[7]自2013年12月投用后，副斜井未發生過車輛運行傷亡事故。每年對系統進行失速測試[8-9]，系統測試攔截效果達100%。實際生產過程中，曾發生過2次保護裝置啟用，其中一次距副斜井井底約750 m處，由于超速駕駛，系統自動報警，司機緊急啟動裝置；另一次在副斜井中部距井口約1 680 m處，材料車下行過程中發生失速后，保護系統及時啟動，安全欄截。經事后分析，2次攔截均達到失速保護系統設置的預期效果[10-12]。

5 結論

無軌膠輪車速度失速保護系統整體結構設計合理，能夠有效阻攔速度失控的無軌膠輪車，吸能器能夠把無軌膠輪車的動能轉化為吸能器自身的熱能并消耗掉，起到良好的制動效果，大大降低了跑車事故的危害。

該系統可以確保在無軌膠輪車各種速度失控狀態下，對其實現有效制動，并確保司機和乘員的人身安全。實際應用表明，該系統具有可靠性較高、操作簡潔、實用性強的特點。該系統安裝簡單，不會造成原有車輛結構及性能的改變。安裝在無軌膠輪車上的無線車載報警器在膠輪車速度失控攔截時能及時發出報警信號，及時有效地提醒其他車輛進行避讓。該系統對解決當前煤礦井下無軌膠輪車跑車事故效果顯著，具有較大的安全效益和社會效益。