礦用新型抗壓平衡式風門的應用研究

程 浩

（山西煤炭進出口集團左權(quán)宏遠煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032615）

風門是煤礦井下的主要通風設施，風門的設置和應用可以提高通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。但是隨著煤礦機械化和開采深度的增加，井下礦壓顯現(xiàn)強烈，開挖巷道存在大變形的問題，會導致井下通風風門及門框發(fā)生變形破壞，導致風門不能正常使用，因漏風問題而產(chǎn)生通風安全事故，因此必須進行優(yōu)化改進[1-6]。

1 宏遠煤業(yè)風門使用現(xiàn)狀

1.1 工程概況

山西煤炭進出口集團左權(quán)宏遠煤業(yè)位于山西省晉中市左權(quán)縣寒王鄉(xiāng)，礦井面積為9.33 km2，生產(chǎn)能力為90 萬t/a，主要開采15#煤層，開采水平為+1177 m，批采標高+1 349.99～ -559.99 m。煤礦開拓方式為斜井開拓，井筒數(shù)量3 個，綜采放頂煤開采工藝，屬于煤與瓦斯突出礦井。宏遠煤業(yè)主采太原組下段15#煤層，地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層平均厚度為3.56 m，煤層平均傾角為2°。宏遠煤業(yè)礦壓顯現(xiàn)明顯，開挖巷道存在大變形的問題，主要表現(xiàn)為巷道底鼓、兩幫變形、頂板下沉、煤壁片幫等。

1.2 風門的使用現(xiàn)狀分析

宏遠煤業(yè)采用機械抽出式通風方式，井下使用的是雙扇無壓平衡風門，保障風流不出現(xiàn)短路問題，進而保證通風系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。從多年的實踐應用效果來看，該雙扇無壓平衡風門存以下幾個缺點：（1）受巷道動壓的影響，巷道底板多處位置出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象，進而導致風門常常被壓壞而發(fā)生變形，如圖1。風門壓壞情況主要表現(xiàn)為：風門結(jié)構(gòu)彎曲、門體錯位、重疊、漏風、門體與門框卡死等。（2）該風門的機械閉鎖裝置依靠鋼絲繩來完成，閉鎖的可靠性和安全性較差。同時，該風門采用人工開啟，勞動強度大，存在嚴重的安全隱患。風門的管理和維護工作較為困難。

圖1 風門受巷道動壓變形示意圖（mm）

2 新型抗壓平衡式風門的設計

2.1 風門結(jié)構(gòu)分析

針對煤礦井下風門受巷道動壓的影響，設計了一種新型抗壓平衡式風門，風門及門框結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 新型抗壓平衡式風門及門框結(jié)構(gòu)圖（cm）

在新型抗壓平衡式風門門框的上、左、右位置設置有6 片可重合的鋼制結(jié)構(gòu)墻面，礦壓來臨時6片鋼墻可以自動地靈活調(diào)節(jié)鋼墻重合部分，在實現(xiàn)了卸壓目的的基礎(chǔ)上也保護了風門不會因礦壓導致變形破壞。門框重合鋼墻采用彈簧加螺絲設計，壓力式皮條密封，在兩片重合鋼墻之間是密實不漏風的，門框四個角位置由4 個彈簧的伸縮臂組成，合頁設置在門框異向兩側(cè)，密封條設置在門扇和門框之間位置，實現(xiàn)良好的密封效果。

設計有一種新型的網(wǎng)絲強悍閉鎖裝置，裝置結(jié)構(gòu)如圖3，主要包括定滑輪、鋼絲繩、配重錘、萬向輪等部件。通過裝置伸縮拉鋼絲繩，經(jīng)過滑輪使門扇進行轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)風門的打開和關(guān)閉。

圖3 風門新型閉鎖裝置示意圖

2.2 工作原理

該新型抗壓平衡式風門設計為異向同步開閉，采用壓力平衡原理，運用設計的平行四連機械連桿機構(gòu)把作用在風門上的壓力轉(zhuǎn)化成一種內(nèi)力，實現(xiàn)平衡，可有效保障風門開閉的靈活性。當壓力作用在門框外面的活動鋼墻上時，可推動鋼墻面向門框方向進行靈活的移動，進而可以調(diào)整鋼墻之間的重合區(qū)域，可以有效地卸壓，此時壓力無法作用在門框上，避免了門框發(fā)生變形破壞。

2.3 重合鋼墻改進及快速支架技術(shù)

2.3.1 風門槽型結(jié)構(gòu)設計

該新型抗壓平衡式風門在設計時采用了2 個互相重疊的槽型結(jié)構(gòu)，風門在巷道安裝完成后，如受到巷道壓力，就會在受壓后基于其槽型結(jié)構(gòu)進而相互重疊，如圖4。

圖4 風門安裝受壓變形前后變化示意圖（cm）

2.3.2 快速支架技術(shù)分析

新型抗壓平衡式風門框底部用水泥砂漿澆筑牢固；門框兩側(cè)采用可調(diào)節(jié)長度的鋼質(zhì)拉桿，其底部使用錨桿固定在底板上。

新型抗壓平衡式風門快速支架技術(shù)：（1）門框采用了2 組可抽插的槽型鋼墻進而實現(xiàn)重合鋼墻設計，該設計可以在受壓情況下進行自動伸縮動作，最大伸縮變形量可以達到46 cm；（2）門框安裝時，其底部及兩側(cè)全部都采用混凝土澆筑牢固，使用設計的可調(diào)拉桿連接澆筑件與風門框進行固定。

3 實踐應用及效果分析

3.1 實踐應用

宏遠煤業(yè)三五盤區(qū)連接巷道的服務年限較長，同時受礦壓影響較大，以往應用的雙扇無壓平衡風門常因變形而發(fā)生破壞，風門的管理和維護困難。根據(jù)三五盤區(qū)連接巷道的地質(zhì)情況及巷道礦壓擠壓風門變形的特點，將設計的新型抗壓平衡式風門完成研制后，于2020 年10 月在三五盤區(qū)連接巷道進行了安裝試驗，投入到實踐應用，并對其應用效果進行了觀測。

3.2 效果分析

新型抗壓平衡式風門在三五盤區(qū)連接巷道應用后，從2020 年10 月至今，連接巷道寬平均變形量達35 cm，高平均變形量達27.4 cm，在該情況下風門變形率仍然較小，能正常使用，風門的漏風率始終保持在3%以下，有效保障了三五盤區(qū)連接巷道的通風系統(tǒng)的可靠性和安全性。新型抗壓平衡式風門結(jié)構(gòu)簡單，其安裝和維護較為便利，使用壽命長。

3.3 效益分析

（1）安全效益

三五盤區(qū)連接巷道為工作人員和車輛的必經(jīng)之路，采用新型抗壓平衡式風門后，消除了因礦壓導致風門損壞而產(chǎn)生的安全隱患，給井下安全生產(chǎn)提供了保障。

（2）經(jīng)濟效益

新型抗壓平衡式風門的應用，可大幅度降低風門設施的維修率，風門維修率可降低至之前的20%，如在該礦全面推廣應用，每年可節(jié)約風門維修費用約6 萬元。新型抗壓平衡式風門的應用，風門的使用壽命大幅度提高，如在該礦全面推廣應用，綜合設備裝備購置費用和使用壽命，每年可為煤礦節(jié)約設備費用約35 萬元。

4 結(jié)語

巷道礦壓易對井下通風系統(tǒng)設施造成破壞，并產(chǎn)生通風安裝隱患，必須引起重視。本文對宏遠煤業(yè)井下風門的應用現(xiàn)狀和問題進行了分析，針對性地研制了一種新型抗壓平衡式風門。其關(guān)鍵技術(shù)在于風門門框兩側(cè)兩扇重疊的鋼墻面設計，在壓力來到時，可以通過調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)墻面的重合部分，實現(xiàn)卸壓效果，同時保障了風門的正常使用。實踐應用效果表明：新型抗壓平衡式風門在應用過程中能正常發(fā)揮其作用，在礦壓作用下風門變形量小，能正常使用，風門的漏風率始終保持在3%以下，其安全效益和經(jīng)濟效益顯著，為實現(xiàn)宏遠煤業(yè)高產(chǎn)高效安全開采的目標奠定了基礎(chǔ)。