基于帶式輸送機的運輸巷快速密閉裝置

丁維國

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016）

在采空區(qū)或破裂煤柱內(nèi)，當滿足一定發(fā)火條件時，煤會發(fā)生自燃，當煤礦井下發(fā)生瓦斯超限、煤塵爆炸等事故時，也可能發(fā)生火災。如果當直接滅火不能及時、有效地控制火勢時，可能會再次引發(fā)瓦斯爆炸的其它事故。另外，很多時候煤自燃火災通常不易確定具體發(fā)火位置的區(qū)域，同時也難以接近并進行滅火處理，這種情況下一般需要采取構(gòu)筑密閉系統(tǒng)對火區(qū)進行封閉。目前國內(nèi)外普遍采用的密閉方法有板閉、磚閉、聚氨酯噴涂密閉、噴膠及輕質(zhì)混凝土砌塊、降落傘式密閉和氣囊式密閉等。在實際運用中，磚閉、混凝土密閉等材料因運輸、施工工藝等因素的影響，無法做到快速進行密閉處理，易造成火勢控制的延誤；板閉漏風大、封閉效果差；降落傘式密閉方式因其設計材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等原因，一般承受風壓能力有限，穩(wěn)定性差，易失效。這些輕質(zhì)密閉，雖然能夠迅速簡便地隔絕危險區(qū)域，暫時起到很好的密閉作用，但一旦發(fā)生瓦斯爆炸，這些密閉根本無法抵抗高至十幾兆帕的沖擊波作用[1-3]。因此，研究隔爆、快速隔離密閉系統(tǒng)對于礦井火災、水災治理、防止瓦斯爆炸具有重要的意義。

基于帶式輸送機的運輸巷道密閉裝置解決了傳統(tǒng)密閉方式的缺陷，針對運輸巷的特點[4]，設計了一種新型巷道隔爆、快速隔離密閉裝置，在煤礦井下發(fā)生災害性事故時，能夠抵抗在運輸巷內(nèi)造成的瞬時高溫以及爆炸沖擊波對密閉裝置的破壞，迅速封閉帶式輸送機上方的運輸通道孔隙，快速封堵運輸巷道,切斷巷道風流，隔絕空氣進入火區(qū)，使火區(qū)缺氧而迅速熄滅，另外可迅速阻斷瓦斯竄入安全區(qū)域，防止因瓦斯逆流和擴散危害井下工人的生命安全，杜絕災害繼續(xù)蔓延。

1 整體結(jié)構(gòu)

基于帶式輸送機的運輸巷道密閉裝置由上密閉門板、下支撐基座、滑動軌道槽、導向輪、電磁閥、氣缸、氣動管路、鎖緊機構(gòu)、密封層、密閉門框體等部分組成。支撐基座的兩側(cè)均設置有密閉門框體，且密閉門框體上均開設有滑動軌道槽，滑動軌道槽的內(nèi)部設置有密閉門，在支撐基座上設置有抗沖擊部，抗沖擊部的高度高于支撐基座，起到抗沖擊防護及密封的作用，且在正常狀態(tài)時，密閉門受到限位卡桿卡入限位槽的限位作用，使得密閉門保持位置，不影響正常作業(yè)，而當井下突發(fā)災害需要關閉帶式輸送機密閉門時，切斷預設位置的帶式輸送機橫梁,通過推桿電機推出推桿，進而控制桿帶動主控板及限位卡桿沿調(diào)節(jié)槽上移，限位卡桿脫離限位槽，而后可通過氣缸推動密閉門進行密閉。基于帶式輸送機的運輸巷道密閉裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 基于帶式輸送機的運輸巷道密閉裝置結(jié)構(gòu)示意圖

密閉裝置采用上下閉合密封形式，下支撐基座固定，通過上密閉門板的運動實現(xiàn)密閉裝置的開閉；動力系統(tǒng)采用氣動方式，可通過礦井空壓站提供的壓縮空氣作為密閉門的驅(qū)動力，也可連接制氮管路為密閉門提供動力；帶式輸送機密閉門設有鎖緊機構(gòu)，密閉門在開啟或關閉狀態(tài)下，均可通過楔形鎖緊機構(gòu)的運動實現(xiàn)密閉門的限位與密封，保證了密閉門的安全性、可靠性。

在帶式輸送機正常運輸時，密閉門板升起通過鎖緊機構(gòu)鎖緊，氣缸處于收縮狀態(tài)；當井下突發(fā)災害需要關閉帶式輸送機密閉門時，可通過遠程控制系統(tǒng)向電磁閥發(fā)出指令，電磁閥運轉(zhuǎn)閥塊，轉(zhuǎn)換氣壓流向，使氣缸桿伸出，將密閉門關閉。達到限定位置后，通過鎖緊機構(gòu)進行鎖緊密封?？紤]到突發(fā)災害實施密閉時，膠帶上有煤體的情況，所以上下門體采用楔形結(jié)構(gòu)方式連接，下支撐基座一端高于與上門板連接位置，起到抗沖擊防護及密封的作用。

2 關鍵技術

2.1 外部結(jié)構(gòu)

基于帶式輸送機的運輸巷道密閉裝置外部結(jié)構(gòu)主要包括支撐基座、密閉門框體及密閉門3部分，支撐基座的兩側(cè)均設置有密閉門框體，且密閉門框體上均開設有滑動軌道槽，滑動軌道槽的內(nèi)部設置有密閉門[5]。

在選擇門板外形的過程中充分考慮了平面和弧形結(jié)構(gòu)力學性能原理，并通過試驗驗證，綜合比較選出抗沖擊性能更好的密閉裝置門體結(jié)構(gòu)。門板最外面的抗沖擊層是主要抵抗爆炸沖擊波作用的結(jié)構(gòu)。爆炸沖擊波沿巷道的傳播作用到密閉門上，密閉門主要受到垂直方向的作用力。

平面門板受到其他方向上的爆炸沖擊力時，可分解為2個力，1個是垂直于平面門板的分力，另1個是平行于平面門板的分力。平面門板所承受的爆炸沖擊應力可由式（1）和式（2）計算：

式中：α為爆炸沖擊波與門板夾角；p為平板承受沖擊波平均壓強，Pa；S為防護門表面積，m2；px為沖擊波方向反向作用力，N；py為與沖擊波垂直方向反向作用力，N；pR為總反向作用力，N；pD為防護門所承受的當量應力，Pa。

計算可得，當α取最大值π/2時，總反向作用力pR為pS，當量應力pD為2p；門體所受到的應力隨α的增大而增大[6]。

弧形殼板在受到爆炸沖擊力時，可將沖擊力分解為2個分力，1個是垂直于弧形殼板的分力，另1個是平行于弧形殼板切線的分力。平行于弧形切線的分力由于對稱，互相抵消，最終作用于弧形殼板的力就分解為垂直作用于門體的力小于原來的作用力，因此使用弧形結(jié)構(gòu)可以削弱爆炸沖擊力[7]。在門扇內(nèi)部設計橫向支撐板與縱向支撐板形成梁格與固定板組合焊接的結(jié)構(gòu)，內(nèi)外板面材料均選低合金高強度鋼，起支撐加固的作用，保證有較高的強度，整體結(jié)構(gòu)剛性好，具有較強的抵抗爆炸沖擊的能力。

通過平面與弧形結(jié)構(gòu)受力分析可以得出結(jié)論弧形結(jié)構(gòu)將力分解后，力變得更小，更適合應用與外部受力面，密閉裝置外部采用單扇弧形的結(jié)構(gòu)。

2.2 密封形式

在密閉裝置的密封結(jié)構(gòu)設計中，選用矩形截面氟橡膠密封膠條進行密封。在密封槽內(nèi)使用橡膠專用膠黏貼住矩形的密封膠條，在對應的部位焊接金屬壓條。當密閉裝置緊急關閉時，鎖緊機構(gòu)進行閉鎖，焊接好的金屬壓條擠壓黏貼好的密封膠條，在密閉槽部位就能起到很好的密封效果[8-10]。密封結(jié)構(gòu)局部示意圖如圖2。

圖2 密封結(jié)構(gòu)局部示意圖

為提高密閉裝置的密封性能，在進行機械焊接過程中，嚴格控制焊接工藝，借鑒振動時效法消除焊接應力，控制焊接變形，增強密封效果[11]。機械制造中存在平面度加工誤差，門扇與門框端面難以完全貼合，門扇與門框之間存在不規(guī)則的間隙，設門扇與門框之間的最大間隙為t,密封槽深尺寸為H，從最佳壓縮率范圍中，選擇密封膠條的壓縮率為15%，則金屬壓條的厚度L計算公式為：

式中：H為槽深，mm；h為矩形密封膠條厚度，mm；t為門扇和門框的最大間隙。

巷道密閉裝置的密閉門工作狀態(tài)下，矩形截面的密封膠條的靜密封性能優(yōu)于圓形截面的密封膠條，并通過試驗獲取矩形截面橡膠的最佳壓縮率范圍取15%～25%比較合適，此時氣體密封行良好無泄漏。設計金屬壓條擠壓橡膠膠條的密封結(jié)構(gòu)，通過橡膠膠條最佳壓縮率計算出金屬壓條的厚度[12-13]。

2.3 鎖緊機構(gòu)

密閉裝置密閉門控制機構(gòu)結(jié)合了電動、氣動、手動控制系統(tǒng)，3項控制功能之間可互相轉(zhuǎn)換，更加安全、可靠。在巷道停電或氣動控制裝置維護期的情況下，可通過旋轉(zhuǎn)手輪實現(xiàn)密閉門的啟閉[14]。

密閉門框上設有楔形塊斜面配合鎖緊轉(zhuǎn)動塊實現(xiàn)密閉門的密封。需要打開密閉裝置時，按順時針方向轉(zhuǎn)動手輪，打開密閉裝置鎖緊裝置，同時推拉門扇，即可打開密閉門。按逆時針方向轉(zhuǎn)動手輪，將密閉門鎖緊裝置鎖緊，確保密閉門密封可靠。

密閉門關閉到達限定位置后，旋轉(zhuǎn)手輪，通過轉(zhuǎn)軸帶動大小齒輪和連桿的運動，連桿帶動6個轉(zhuǎn)動塊逆時針轉(zhuǎn)動，留個轉(zhuǎn)動塊同時沿著楔形塊的斜面滾動至平面，鎖緊力逐漸增大，密封膠條的壓縮量也逐漸增大，最終達到最佳壓縮量區(qū)間，從而起到鎖緊密閉門，隔絕外界氣體的目的。

由于門體尺寸較大，為了使密封膠條各處受力相對均勻，采用6個轉(zhuǎn)動塊分布的鎖緊點。齒輪傳動機構(gòu)由主動小齒輪和從動的大齒輪組成,主動小齒輪與從動大齒輪相互嚙合，傳遞運動的同時傳遞動力。大齒輪、短連桿、左、右連桿焊接組、6個轉(zhuǎn)動塊依次通過銷軸鉸接，并用開口銷固定。轉(zhuǎn)動塊的轉(zhuǎn)點通過螺栓與焊接門扇上的螺柱連接[6,15]。同時密閉門的鎖緊和解鎖可依靠氣動系統(tǒng)，安裝在門體上的氣缸伸出或收縮活塞桿，通過齒輪傳動機構(gòu)帶動連桿機構(gòu)，使鎖緊塊轉(zhuǎn)動縮小門體與門框之間的相對距離來完成。

通過齒輪傳動受力分析可以得出，采用手輪與小齒輪通過連接轉(zhuǎn)動軸的方式連接，然后小齒輪帶動大齒輪的傳動方式較為合理，確定密閉門齒輪傳動鎖緊機構(gòu)的設計方案。

3 結(jié)語

設計了基于帶式輸送機的運輸巷道密閉裝置,介紹了關鍵技術。密閉裝置外部門體選擇弧形結(jié)構(gòu)，抗沖擊性能更好;框體選用分體結(jié)構(gòu)，便于分段運輸與安裝;軸承采用專業(yè)推力球軸承，耐高溫高壓、密封、穩(wěn)定性好;采用手輪與小齒輪通過連接轉(zhuǎn)動軸的方式連接，然后小齒輪帶動大齒輪的傳動方式的密閉裝置密閉門齒輪傳動鎖緊更加合理。