礦井防爆自動(dòng)封堵裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用

劉 平

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

中國是煤炭開采大國，開采量占世界總開采量的37%，同時(shí)，煤炭開采也是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要力量。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界對(duì)于資源的需求也越來越大，煤炭開采行業(yè)日益繁榮。但是，我國的煤炭開采存在地質(zhì)復(fù)雜、分布不均、結(jié)構(gòu)多樣等不利條件，使得礦難事故頻繁發(fā)生，人員傷亡巨大。在對(duì)過往的安全事故進(jìn)行分析研究后發(fā)現(xiàn)，很多事故都可通過自主逃生或采取一定的技術(shù)手段予以避免[1]。本文通過對(duì)煤炭礦井開采危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出一套有效的礦井防爆自動(dòng)封堵裝置，使瓦斯爆炸事故發(fā)生后依舊可以保持較好持續(xù)的通風(fēng)，降低災(zāi)后損失，減少人員傷亡，從而更好地保護(hù)企業(yè)人員的財(cái)產(chǎn)安全。

1 自動(dòng)封堵裝置總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的防爆門、蓋系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)形式。第一種形式為用防爆門做封堵裝置主體，事故發(fā)生后通過限位等裝置將其恢復(fù)原狀，但該方式不穩(wěn)定、防爆門易被破壞，無法恢復(fù)的可能性大；第二種形式為運(yùn)用備用封堵裝置做封堵主體，使用備用封堵裝置對(duì)通風(fēng)井口進(jìn)行封堵，該方式雖可避免第一種方式的弊端，但過程中需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且機(jī)械部件長期暴露在環(huán)境中，也可能因腐蝕、暴曬而喪失其功能；第三種形式拋棄了原有方式，使用新型封堵主體進(jìn)行封堵。通過大量研究，決定采用第三種封堵方式進(jìn)行封堵，同時(shí)結(jié)合汽車安全氣囊的工作原理，設(shè)計(jì)出新型的自動(dòng)封堵裝置，如圖1 所示。該裝置通風(fēng)良好，可在保證安全的前提下，保證通風(fēng)井口內(nèi)外人員完成動(dòng)作，增加事故人員自救與外界人員施救的成功率[2]。

圖1 自動(dòng)封堵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 封堵氣囊設(shè)計(jì)

2.1 封堵形式設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段的新型封堵主體的封堵形式主要有剛性結(jié)構(gòu)封堵與柔性結(jié)構(gòu)封堵兩種形式。剛性結(jié)構(gòu)封堵主體質(zhì)量過大，氣密性保持困難；柔性封堵結(jié)構(gòu)需提供底部支撐，以此來平衡風(fēng)機(jī)負(fù)壓。上述兩種方式都不符合本文封堵裝置設(shè)計(jì)。

受汽車安全氣囊自動(dòng)彈出可保護(hù)汽車內(nèi)部人員啟發(fā)，采用安全氣囊設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)出了新型的封堵主體封堵形式。安全氣囊系統(tǒng)由傳感器、氣體感應(yīng)器、安全氣囊和微處理器四部分組成（見圖2），在接收到汽車碰撞信號(hào)之后，系統(tǒng)立即會(huì)彈出氣囊，在人員與汽車之間形成緩沖區(qū)，防止人員受到二次傷害，保障人身安全。

圖2 安全氣囊工作原理圖

將安全氣囊系統(tǒng)放置在通風(fēng)井側(cè)壁，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，氣囊可立即彈出，充滿通風(fēng)井口，對(duì)通風(fēng)井口進(jìn)行封堵，解決了上述封堵形式中質(zhì)量大、氣密性保持困難、難折疊、需底部支撐等一系列問題。

2.2 氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)分析研究，決定選用餅型氣囊作為封堵主體，此形狀可以有效避免因壓力集中、膨脹震顫而導(dǎo)致氣囊進(jìn)氣口偏折等問題，降低氣囊縫紉要求，減少配套設(shè)備限制，使布料更加平整易折疊，方便使用。

氣囊封堵主體需滿足質(zhì)量輕便、制作簡單、易折疊等要求，因此在氣囊進(jìn)氣口處應(yīng)設(shè)計(jì)多條動(dòng)力氣柱，將氣流導(dǎo)向入口，使外界空氣直接進(jìn)入氣柱，加快充氣速度。同時(shí)，動(dòng)力氣柱應(yīng)呈發(fā)散狀，端頭不進(jìn)行封堵，使氣流可通過氣柱流向囊題空腔，動(dòng)力氣柱的基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 動(dòng)力氣柱示意圖

2.3 氣囊材料選擇

氣囊材料作為封堵氣囊的基本組成部分，是氣囊封堵裝置發(fā)揮作用的關(guān)鍵要素。材料需具備抗壓強(qiáng)、耐高溫、耐老化、抗撕扯的特性。聚酰胺纖維彈性好、抗沖擊，具有良好的耐熱性，同時(shí)聚酰胺纖維密度小，可以制作成緊密度較高的織物，擁有較好的氣密性，符合氣囊材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)聚酰胺纖維軋光及涂覆整理后，還可以降低透氣率，增加布料氣密性。

3 自動(dòng)封堵輔助裝置設(shè)計(jì)

3.1 表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

餅狀氣囊要實(shí)現(xiàn)封堵，除了需要自身結(jié)構(gòu)合理外，下方輔助裝置的合理設(shè)計(jì)也必不可少。良好的輔助裝置設(shè)計(jì)可以使氣囊延展更加順暢，并有更好的密封性和氣密性[3]。表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需注意以下幾點(diǎn)：

1）為了減少?zèng)_擊波對(duì)裝置整體結(jié)構(gòu)造成的沖擊，支撐裝置采用彈性網(wǎng)格的表面結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格空隙應(yīng)適中。空隙過大會(huì)使折疊氣囊陷入延展阻力，空隙過小則會(huì)增加沖擊接觸面積。

2）支撐結(jié)構(gòu)的表面設(shè)計(jì)必須光滑。封堵體氣囊在氣動(dòng)力的推動(dòng)下進(jìn)行延展，氣囊延展動(dòng)力小，而滾動(dòng)展開后氣囊初始狀態(tài)下的質(zhì)量較大，有凹凸點(diǎn)設(shè)計(jì)的表面則會(huì)阻礙氣囊延展，加大延展時(shí)間，因此應(yīng)保持支撐結(jié)構(gòu)的表面光滑，盡量減少延展時(shí)的阻力，縮短延展時(shí)間。

3.2 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐結(jié)構(gòu)的連接必須可靠，以承受巨大的瞬時(shí)沖擊力。同時(shí)，由于通風(fēng)井口需運(yùn)料運(yùn)人，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)便于安裝和拆卸[4]。本設(shè)計(jì)采用永久性嵌入式連接，該方式可有效抵抗爆炸余波，穩(wěn)固整體結(jié)構(gòu)。但若四周皆采用永久性嵌入式連接，雖然可以較好地抵抗余波沖擊，但安裝拆卸困難，故最終設(shè)計(jì)左側(cè)采用支撐連接，右側(cè)采用角鋼連接。支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況如圖4 所示。

圖4 支撐結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電路系統(tǒng)是整個(gè)封堵裝置的核心結(jié)構(gòu)，主要有以下幾個(gè)功能：感應(yīng)防爆門、蓋工作狀態(tài)，傳遞沖擊信號(hào)；控制電控彈簧鎖，彈開彈力封門與電控門，啟動(dòng)充氣設(shè)備，對(duì)氣囊進(jìn)行充氣；當(dāng)氣囊充滿后，及時(shí)反饋氣囊狀態(tài)，改變充氣狀態(tài)，使氣囊保持在充盈狀態(tài)；通過外部開關(guān)控制系統(tǒng)啟閉，停止設(shè)備運(yùn)行[5]。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電路控制方案如圖5 所示。電路控制方案原理：當(dāng)防爆門、蓋受到?jīng)_擊力被掀開后，會(huì)觸發(fā)物理傳感器，傳感器發(fā)送信號(hào)至邏輯門，邏輯門對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，向變頻控制器發(fā)出信號(hào)；變頻控制器收到信號(hào)后啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)向氣囊充氣，使氣囊延展并快速封堵井口；當(dāng)封堵氣囊達(dá)到壓力最大值時(shí)，變頻控制器內(nèi)的閥值判斷器將進(jìn)行壓力判斷，從而調(diào)校外接電源頻率，改變風(fēng)機(jī)狀態(tài)；當(dāng)氣囊內(nèi)壓力降低至氣囊壓力維穩(wěn)最小值時(shí)，閥值判斷器將再次改變觸發(fā)信號(hào)，重新啟動(dòng)大風(fēng)量供風(fēng)模式，保持氣囊內(nèi)氣壓穩(wěn)定。

圖5 電路控制方案原理圖

電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，觸發(fā)裝置因主要監(jiān)測防爆門、蓋的工作狀態(tài)，故選用物理傳感器，該裝置具有抗沖擊能力強(qiáng)、密封好、防潮防濕、使用電壓低等特點(diǎn)，較為適合該使用場景；壓力傳感器選擇電容式空氣壓力傳感器，本設(shè)計(jì)中主要測量氣囊內(nèi)氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，電容式空氣壓力傳感器較為適合；為了方便工作人員對(duì)通風(fēng)井口的密封檢查以及定期維護(hù)，在通風(fēng)井口外需安裝外部強(qiáng)制控制開關(guān)，可有效避免因?yàn)槿藶榈恼`操作而導(dǎo)致的封堵系統(tǒng)誤啟動(dòng)。

4 結(jié)論

1）通過研究相關(guān)領(lǐng)域信息，完成了防爆自動(dòng)封堵裝置工作模式、原理和結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)；

2）對(duì)封堵主體要素進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，完成了封堵形式、氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣囊材料的設(shè)計(jì)；

3）為保證裝置可靠運(yùn)行，完成了表面結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。