帶式輸送機回程托輥卡死故障摩擦升溫實驗研究

摘要：回程托輥卡死是導致帶式輸送機火災的主要原因之一。為研究帶式輸送機回程托輥卡死故障摩擦升溫特性，采用平臺實驗與數值模擬相結合的方法，研究了輸送帶速度、巷道風速和環境溫度對卡死回程托輥溫度的影響，結果表明：卡死回程托輥溫度隨環境溫度和輸送帶速度的增加而顯著升高，溫度達到穩態的時間延長；巷道風速的提高有效降低了卡死回程托輥溫度并縮短了溫度達到穩態的時間。考慮到輸送帶磨穿卡死的回程托輥導致托輥內部煤粉積聚并引發火災的情況，進一步研究了輸送帶速度、巷道風速、環境溫度及卡死回程托輥內煤粉積存比例（煤粉在托輥內部積存體積與托輥可容納煤粉最大體積之比）對煤粉最高溫度的影響，結果表明：輸送帶速度、巷道風速和環境溫度對卡死回程托輥內煤粉最高溫度的影響，與對卡死回程托輥溫度的影響規律一致；卡死回程托輥內煤粉積存比例的增加會加劇煤粉溫度的升高；在環境溫度為20 ℃、輸送帶速度為3.5 m/s、巷道風速為1 m/s、100% 煤粉積存比例的工況下，煤粉最高溫度達87.5 ℃，較25% 煤粉積存比例時升高了43.2 ℃，高于中低階煤的自燃臨界溫度，火災風險顯著增加。

關鍵詞：帶式輸送機；回程托輥；托輥卡死故障；摩擦升溫；外因火災

中圖分類號：TD752/634 文獻標志碼：A

0 引言

隨著煤炭行業的蓬勃發展和生產規模的持續擴大，井下運煤方式經歷了從人力運輸到機械運輸的演變[1-2]。在現有的多種機械運輸工具中，帶式輸送機憑借其運輸能力大、運輸距離長、適用性強、工作平穩、動力消耗低、使用維護方便等優點，在現代化高產高效礦井中得到廣泛應用[3-4]。然而，由于井下環境的復雜性，帶式輸送機的安全運行面臨諸多挑戰。事故調查顯示，回程托輥卡死是導致帶式輸送機火災的主要原因之一。卡死的回程托輥與輸送帶之間的持續摩擦會引發局部溫度迅速升高，特別是在回程托輥附近的浮煤堆積層和內部煤粉層中，熱量積聚可能引發嚴重火災事故[5]，不僅會造成設備損壞，還威脅礦工生命安全，影響礦井正常生產。因此，對卡死的回程托輥引起的摩擦升溫及其致災機理的研究具有重要意義。

J. Wachowicz 等[6]在對輸送帶火災現象進行詳細分析的基礎上，建立了輸送帶火災數學模型。李士戎等[7]搭建了模擬輸送機滾筒與輸送帶打滑時非正常工作狀態的實驗系統，并對溫度場分布和不同點的溫升規律進行了分析。郭軍等[8]通過自主搭建的礦井外因煙氣蔓延相似模擬實驗平臺，發現對輸送帶燃燒的促進作用最明顯的巷道風速為0.4 m/s。郝海清等[9]分析了通風與熱動力交互作用下運輸巷火災近災源場煙流逆退的臨界條件、煙流溫度和能見度的分布規律，揭示了運輸巷火災的時空演化特性和風煙流紊亂致災機制。Pan Rongkun 等[10]、Zhang Duo 等[11]利用熱重紅外聯用儀與量熱儀，研究了煤礦井下輸送帶火災過程中的燃燒階段和氣相產物，并進一步分析了阻燃輸送帶火災的燃燒特性。Wang Weifeng 等[12]通過熱重紅外聯用儀確定了輸送帶燃燒過程中的7 個特征溫度及其閾值，并將燃燒過程分為3 個階段。在數值模擬領域，I. S. Lowndes等[13]借助CFD 軟件，提出了一種新的基于離散粒子模型的建模方法來表示火焰沿輸送帶表面的蔓延。張洪亮[14]利用Maya、Unity3D 等軟件，直觀顯示了煤礦井下輸送帶火災發生、發展過程。H. C. Verakis等[15]、Zhou Gang 等[16]、王偉峰等[17]利用Fluent 與FDS 模擬軟件，發現當輸送帶發生火災時，適當增大風速，雖會造成輸送帶延燃距離增長，巷道溫度升高，但可以有效抑制火煙滾退，減少有毒氣體CO 的產生及蔓延。A. I. Kin 等[18]利用FDS 軟件發現，當風速保持在1.5～3.0 m/s 時，輸送帶火勢傳播的最大速度為?0.017 m/s。馬礪等[19]利用FDS 模擬軟件研究傾斜角度對巷道中輸送帶火災的影響，發現在相同火源功率下，傾斜角度越大，輸送帶燃燒距離越長，煙氣逆流長度越小。上述研究在輸送帶火災的蔓延規律、溫度場分布和煙氣運移特性方面取得了重要成果，但多集中于輸送帶材料的燃燒特性及巷道環境對火災的影響。隨著阻燃輸送帶性能的提升，由輸送帶自身燃燒引發的火災事故有所減少，而托輥故障導致的摩擦升溫逐漸成為火災的主要誘因。尤其是在回程托輥卡死狀態下，煤粉積存比例（煤粉在托輥內部積存體積與托輥可容納煤粉最大體積之比）、巷道風速、環境溫度等因素會顯著影響溫度場分布和火災風險。然而，國內外對托輥故障引發火災的系統研究仍較少，特別是在卡死回程托輥的摩擦升溫特性方面存在一定的研究空白。

本文采用平臺實驗與數值模擬相結合的方法，系統分析環境溫度、巷道風速、輸送帶速度對卡死回程托輥溫度場的影響。在此基礎上，針對卡死回程托輥被輸送帶磨穿后其內部落入煤粉的情況，進一步探討環境溫度、巷道風速、輸送帶速度與煤粉積存比例對卡死回程托輥內部煤粉溫度的影響。研究結果旨在揭示回程托輥卡死故障摩擦升溫與熱量積聚的規律，為煤礦井下帶式輸送機火災的預防與控制提供理論依據和技術支持。