智能礦山人車同行自動閉鎖風門優化設計

梁慶榮

(國能神東煤炭集團有限責任公司補連塔煤礦，陜西 榆林 719300)

0 引言

智能礦山建設實施的具體措施，可以通過對礦井主運、生產、通風、安全、監測、調度以及管理系統不斷優化升級，來提高礦井智能化水平。隨著礦井采掘深度和廣度的延伸，通風系統穩定供給通風量對于礦井安全高效生產的作用愈發明顯，風門在井下的應用越來越廣泛。風門是煤礦主要通風設施，井下通過設置風門來控制通風流量以達到預期的風量分配，風門設置不達標，輕者造成礦井風流紊亂，采掘工作面風量不足，局扇吸循環風；重者可能造成瓦斯異常涌出，引起瓦斯爆炸事故[1]。在日常的風門施工過程中，施工人員在施工方法和步驟上存在問題，施工過程僅憑感覺和經驗，而不利用水平和垂直工具安裝風門的做法，經常出現重復翻工的現象，風門施工地點及風門設置一般要求巷道成形、支護良好，無片幫、冒頂、裂隙現象，避免建在雙道、彎道、道岔、斜坡(大于10°經驗判斷)上；一組風門不少于2道，行車風門間距不少于一列車長度，一般不少于12 m，行人風門間距不少于5 m；滿足上述條件后，盡量選擇在能支起框的較小斷面處，這樣可以節省人力物力。此外，門框固定先將巷道底部掏槽砌平，將門框與門梁組裝起來，使門框與門梁互成直角；為保證風門能自動關閉，門框安裝必須有一定傾斜度，正向門扇啟開方向與風流方向相反，反向門扇啟開方向與風流方向一致，防止反向安裝，門軸與門框要向關門方向(順風方向)傾斜15°。

隨著井下采掘布置向深部延伸，井下通風設施構筑較為頻繁，通風設施增多，維護難度增加[2]。風門用于對一定區域內的通風量進行控制，當出現瓦斯濃度升高時就加大通風量，確保瓦斯含量在安全范圍內。當發生火災時則會關閉風門，停止火災區域內的空氣流動，實現滅火[3]。目前風門的遠程控制有氣控、電控液壓、多控式等多種方式[4]。為保證礦井安全生產，通風系統穩定，減少無效漏風，防止通風系統紊亂，為適應各種工作環境的生產需要，風門需要在結構和系統布局進行優化升級。合理選擇和配置風門，是有效提高礦井抗災、避災能力的一項必不可少的重要工作措施[5]。通過調研最近5 a關于礦井風門研究發展現狀和引用下載量前10的期刊論文，針對礦井大小風門結構及開啟裝置進行優化。

1 工程背景

井下靠近總回撤通道安設的行人風門內外壓差較大，作業人員打開困難，通過時極不方便[6]。同時，當作業人員通過后，由于風門內外壓差較大，在關閉風門時門扇會猛烈地撞擊門框，容易導致行人風門損壞[7]。為方便行人、行車，在確保礦井通風系統穩定的前提下，井下兩巷道之間通常設置有行車風門，行車風門一般設置兩道，為了防止兩道風門同時打開導致通風系統紊亂，行車風門間必須安設閉鎖裝置[8]。礦井風門安裝如圖1所示。

圖1 礦井風門安裝示意

鋼絲繩聯動閉鎖裝置控制的行車風門，無人值守行車風門，司機需要熄火停車開第一道門，開過第一道風門后停車熄火關第一道門開第二道門，開過第二道風門后停車熄火關第二道門，耗時費力，且停車及上下車存在較大安全隱患；有人值守行車風門人力資源投入甚高[9]。風門開啟后需要上掛鉤，掛鉤在長時間的使用中可靠性降低，容易造成機械傷害事故。作業人員駕駛車輛通過后，一旦忘記關風門，使風門長時間處于開啟狀態，將會導致通風系統短路引發重大安全事故。

平衡式自動行車風門需要在門框兩側的巷幫上挖掘硐室，人工成本高，耗時費力，并存在一定的安全隱患，且當負壓較大時，平衡式自動行車風門在關閉后經常無法自動開啟，需要借助外力，使用起來極不方便[10-11]。當遇到突然斷電事故，車輛將徹底無法通行，給井下正常生產帶來很大不便，降低工作效率；傳統自動風門在開啟時承受最大的負壓；由于風門開啟時每道風門的兩扇門體向相反方向開啟，當風壓較大時，兩扇風門無法關閉嚴密，門扇之間存在縫隙，造成巷道漏風，長時間在風壓作用下會導致風門推拉桿斷裂、門體變形，存在重大安全隱患[12-14]。

基于以上分析，為方便行人、行車通行，風門安全便捷開閉，提出一種行人風門輔助開啟裝置，以及對平面式和鈍角式改進的半圓弧式人車同行風門，通行效率高，使用電氣設備少，以此化解部分安全隱患，保證通風系統正常穩定運行，降低礦井安全生產人力資源成本、提高風門安全系數和工作效率。

2 優化原理

在確保礦井通風系統穩定的前提下，為方便行人、行車風門便捷開閉，對大小風門結構及開啟裝置分別作以下優化。

2.1 行人風門輔助開啟裝置

小風門輔助開啟裝置主要由開門拉桿、固定裝置、支點、滾輪組成。如圖2所示，行人風門輔助開啟裝置原理所示，利用杠桿原理來設計開門把手到支點和支點到滾輪之間的距離，即開門把手到支點的距離為50 cm，支點到滾輪的距離為10 cm。根據杠桿原理可知，通過風門把手來開門與直接用手推門的方式相比，作業人員使用同樣大小的力經過輔助開啟裝置可以傳遞5倍力量到風門門扇。通過在支點與滾輪間打眼增加螺栓數量，進而實現支點到滾輪之間距離的可調節性，以應對各種條件下風門內外不同的壓差值。當風門內外壓力差較小時，將支點到滾輪之間的距離調節到最大，以避免滾輪作用力過大可能對風門造成的損壞；當風門內外壓力差極大時，將支點到滾輪之間的距離調節到最小，以獲得最大的力確保順利打開風門。作業人員在通過風門時，將開門把手向上拉起，支點另一側滾輪向下滾動，將風門打開，此時風門內外壓差迅速減小(起到泄壓的作用)，作業人員用手就可以輕松推開行人風門。

圖2 行人風門輔助開啟裝置原理

2.2 半圓弧式人車同行風門

半圓弧式人車同行風門是基于鈍角式自動行車風門的進一步創新，主要由小風門卸壓驅動裝置、大風門氣動驅動裝置、門框、門扇等機械部件和E3Z-TA型紅外傳感器、氣控箱、手動開關、語音報警器等電氣設備組成。氣控箱內有電磁閥，分別與紅外傳感器和壓風管路相連接，共同作用完成自動閉鎖功能[15-16]。氣動風門主要安裝在大巷、進回風巷，先用施工用磚在煤壁旁砌筑風門墻體，墻體里有風門預埋件，用于固定風門門框[17]。

半圓弧式高負壓氣動同向開啟式風門結構包括一對門框，每個門框固定在巷道墻壁，門框內在豎直方向鉸接有一對同向開啟的門扇，一個門扇上設有行人窗口，另一個門扇中部設有泄壓口，泄壓門扇頂部與泄壓門驅動裝置的驅動端鉸接，泄壓門驅動裝置的固定端與門扇鉸接，門扇上方靠近鉸接邊的一側均設有氣缸固定座，氣缸固定座與氣缸的活塞端鉸接，氣缸的缸筒底部與門框上橫梁鉸接，泄壓口驅動裝置和氣缸的進氣端與氣控箱內的電磁閥出氣端連接，電磁閥的進氣端與風壓系統連接，門框內、外兩側分別設有紅外傳感裝置和手動按鈕，門框內側的兩側所述巷道壁分別設置防擠傷裝置，手動按鈕、紅外傳感器均與電控箱連接，電控箱與電磁閥連接，當風門開啟時，氣動報警裝置發出警告提醒工作人員注意[18-19]。

半圓弧式人車同行風門最大的特點是，門框內鉸接的一對迎風流方向成半圓弧式門扇，相比門扇鈍角式和平面式設計，風門的門扇中間部位為半圓弧式，半圓弧式門扇迎風面與風流方向夾角變大，開啟行車風門承受的風力力矩在門扇的中間部位最大，半圓弧式的門扇設計使得門扇開啟風力力矩被極大程度降低，開啟風門所受風阻減小，行車風門開啟更加便捷。風門門扇迎風受力分析如圖3所示。

圖3 風門門扇迎風受力分析

3 優化效果

行人風門開啟輔助裝置和半圓弧式人車同行風門結構優化設計，改善了風門的開啟方式，提高了礦井機械化和自動化的程度，減少了人工開啟風門造成的傷害事故，降低了人工開啟風門的勞動強度，提高了礦井的智能化安全管理水平。

3.1 行人風門開啟輔助裝置

通過利用杠桿原理所設計的行人風門開啟輔助裝置，作業人員通過操作機械設備來減小風門內外壓力差，確保人員能夠在行人風門內外壓差較大的情況下輕松打開行人風門，同時也能緩解因內外壓差大導致門框容易變形的問題。自投入使用以來，極大地方便了作業人員的通行，提高了人員流動效率，間接提高了礦井生產效率。行人風門輔助開啟裝置在礦井實際應用如圖4所示。

圖4 風門輔助開啟裝置實際應用

3.2 半圓弧式人車同行風門

半圓弧式人車同行風門無需挖掘硐室，通過氣動代替電動控制，減少人力資源投入，降低電能損耗，節約了生產成本；為確保礦井安全生產，通風系統的穩定，減少無效的漏風，半圓弧式風門設計進一步減少了風流負壓帶來的阻力，鈍角式風門在補連塔煤礦自投入使用以來，安全穩定工作了5年，半圓弧式是基于鈍角式風門設計的進一步創新。改善了風門的開啟方式，全面提高了礦井機械化和自動化的程度，減少了人工開啟風門造成的傷害事故，降低了人工開啟風門的勞動強度，提高了礦井的安全管理水平[20]。鈍角式氣動風門實際應用如圖5所示，半圓弧式氣動風門設計如圖6所示。

圖5 鈍角式氣動風門實際應用

圖6 半圓弧式氣動風門設計

4 結論

(1)針對風門內外壓差較大的情況，通過杠桿原理所設計的行人風門開啟輔助裝置，作業人員通過操作機械設備來減小風門內外壓力差，確保作業人員能夠在行人風門內外壓差較大的情況下輕松打開行人風門，同時也能緩解因內外壓差大導致門框容易變形的問題。

(2)相比門扇鈍角式和平面式設計，半圓弧式風門迎風面與風流方向夾角變大，開啟行車風門承受的風力力矩極大程度降低，開啟風門所受風阻減小，減少人力資源投入，降低電能損耗，節約了生產成本，行車風門開啟更加便捷。半圓弧式人車同行風門設計，可保證礦井安全生產，通風系統穩定，對減少無效漏風做進一步的保障。

(3)為防止兩道風門同時打開導致通風系統紊亂，在兩道行車風門間安設自動閉鎖裝置，在減少井下作業人員數量和降低生產成本等方面得到改善。