機(jī)械常開混合式跑車防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

賈曉楠

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030200）

引言

礦井運(yùn)輸系統(tǒng)中，礦車主要負(fù)責(zé)井下施工所需材料的運(yùn)入和矸石及其他廢棄物的運(yùn)出，礦車運(yùn)輸具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和承載性，且維護(hù)費(fèi)用低[1]。但其受運(yùn)輸條件惡劣、單車運(yùn)量小、運(yùn)輸頻繁等不不利因素的影響，易出現(xiàn)運(yùn)行事故，特別是對于大角度傾斜巷道而言，如發(fā)生跑車情況，輕則造成設(shè)備損壞，重則導(dǎo)致人員傷亡，因此在斜巷運(yùn)輸過程中必須安裝防跑車裝置進(jìn)行有效攔截，減少事故損失[2-4]。為了對跑車進(jìn)行有效攔截，某煤礦針對礦井斜巷運(yùn)輸?shù)膶?shí)際情況，利用廢舊材料，通過反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)完成了一款斜巷跑車防護(hù)裝置，應(yīng)用效果良好。

1 工程概況

某煤礦軌道運(yùn)輸斜巷中缺少有效的防護(hù)裝置，不符合《煤礦安全規(guī)程》關(guān)于跑車防護(hù)的相關(guān)要求，為了保證礦井斜巷運(yùn)輸安全，同時(shí)降低設(shè)備安裝和維護(hù)成本，決定利用礦井自有材料設(shè)計(jì)跑車防護(hù)裝置。該礦1采區(qū)軌道上山斜巷絞車坡長220 m，傾角25°，巷道斷面12 m2，負(fù)責(zé)向采區(qū)工作面運(yùn)送材料和排出矸石廢料，同時(shí)巷道一側(cè)具有行人功能。絞車坡上變坡點(diǎn)處安裝了一套氣動式自動阻車器，上變坡點(diǎn)向下5 m處和下變坡點(diǎn)向上5 m處各安裝了一套擋車梯，該巷道采用的支護(hù)方式為錨網(wǎng)套棚支護(hù)。

2 防跑車裝置應(yīng)用現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)思路

目前煤礦斜巷擋車設(shè)施種類較多，按照其類型主要分為三種，即：剛性擋車器和柔性擋車器及組合擋車器。其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1）剛性擋車器成形較好，易于設(shè)計(jì)和安裝，但發(fā)生跑車后礦車損壞嚴(yán)重，且擋車器難以復(fù)原；

2）柔性擋車器在擋車時(shí)對礦車的損壞較小，且擋車器易于復(fù)原，但其設(shè)計(jì)安裝復(fù)雜，成型難度較大；

3）混合擋車器利用鋼絲繩進(jìn)行擋車，并以阻尼氣缸作為輔助緩沖，在擋車時(shí)對礦車和設(shè)備本身的損壞最小，易于恢復(fù)，使用效果較好。

基于以上分析，混合式擋車器在跑車防護(hù)過程中具有較大的優(yōu)勢，因此，根據(jù)礦井斜巷實(shí)際情況進(jìn)行分析，最終決定采用機(jī)械常開混合式跑車防護(hù)裝置。

3 跑車防護(hù)裝置設(shè)計(jì)原理

本次設(shè)計(jì)的跑車防護(hù)裝置為機(jī)械常開混合式，主要通過礦車對引導(dǎo)裝置撞擊打開防護(hù)欄。礦車在運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)跑車情況，礦車會不斷加速向下運(yùn)動，并高速撞擊引導(dǎo)裝置撞桿，在受到極大撞擊力的情況下，撞桿急速向后運(yùn)動并撞擊引導(dǎo)裝置的機(jī)關(guān)掛鉤，掛鉤旋轉(zhuǎn)使掛鉤另一端下降，脫開懸掛的鋼絲繩，放下防護(hù)欄，對高速礦車進(jìn)行攔截。

上述常開混合式跑車防護(hù)裝置正常發(fā)揮作用要確保兩點(diǎn)，一是礦車具備較高的速度，保證引導(dǎo)裝置撞桿對掛鉤具有足夠的沖擊力，確保鋼絲繩脫落；二是失控礦車在撞擊跑車防護(hù)裝置時(shí)有可能具有極高的速度，而跑車防護(hù)裝置完全打開需要一定時(shí)間，因此撞桿和防護(hù)網(wǎng)之間要具有足夠的距離，確保礦車撞擊撞桿向下運(yùn)動至防護(hù)網(wǎng)時(shí)，防護(hù)網(wǎng)已經(jīng)完全打開。因此在上述跑車防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)中需要對三個(gè)要素進(jìn)行計(jì)算，一是巷道傾角。不同的巷道傾角使礦車平行于巷道的重力分力不同，則礦車的加速度不同，撞擊時(shí)的速度有較大差異；二是礦車失控位置與跑車防護(hù)裝置之間的距離，距離不同，撞擊速度也不同；三是撞桿與防護(hù)欄間的距離，距離過短無法保證防護(hù)欄全部展開。

4 機(jī)械常開混合式跑車防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

4.1 參數(shù)計(jì)算

本次機(jī)械常開混合式跑車防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)對象為該礦1采區(qū)軌道上山絞車坡，根據(jù)巷道實(shí)際情況對跑車防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。該絞車坡長220 m，傾角25°，巷道斷面12 m2。絞車坡參數(shù)計(jì)算示意圖見圖1。

圖1 絞車坡參數(shù)計(jì)算示意圖

假設(shè)礦車正常運(yùn)行速度v1，礦車自擋車梯處失控下落的最高速度v2，撞擊跑車防護(hù)裝置時(shí)速度為v3。擋車梯至引導(dǎo)裝置距離為120 m，達(dá)到v2速度至撞擊引導(dǎo)裝置的距離為52 m。本次利用自由加速度計(jì)算礦車失控自由下落的末速度和自由下落時(shí)間，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得引導(dǎo)裝置的反應(yīng)時(shí)間，可反算出引導(dǎo)裝置撞桿距離跑車防護(hù)裝置的最短距離。

按照最極端情況，假定礦車通過擋車梯后就出現(xiàn)失控自由下落，則礦車自擋車梯處失控后的最高速度v2的計(jì)算如下：

式中，s為擋車梯至跑車防護(hù)裝置的距離，取120 m；礦車正常運(yùn)行速度v1，取1.2 m/s。

將數(shù)值代入公式（2）得出：自由下落時(shí)間t=5.3 s。將s和t的數(shù)值代入式（1）可得v2=45 m/s。

通過試驗(yàn)，礦車撞擊引導(dǎo)裝置撞桿至防護(hù)欄下落的時(shí)間約0.5 s，則撞擊跑車引導(dǎo)裝置撞桿時(shí)速度v3計(jì)算公式為：

將t=5.3 s代入式（4）計(jì)算可得擋車梯到引導(dǎo)裝置撞桿的距離s1=99.6 m，將s1和t代入式（3）計(jì)算可得v3=40.3 m/s。

引導(dǎo)裝置撞桿至防護(hù)欄的距離計(jì)算公式為：

將v3、v1數(shù)值代入公式（5）計(jì)算得出s2=21.3 m。

根據(jù)式（5）的計(jì)算，引導(dǎo)裝置撞桿至防護(hù)欄的最小距離應(yīng)不超過21.3 m。該結(jié)果是針對1采區(qū)軌道上山實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算得出，僅適用于該巷道，礦井其他巷道參數(shù)需另行計(jì)算。

4.2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的跑車防護(hù)裝置分為兩部分，具體如下：

1）防護(hù)欄，見圖2-1。防護(hù)欄為長方形框架，長、寬分別為2 m和1.5 m，框架有規(guī)格50的角鐵焊制，其上以200 mm為間距吹出直徑20 mm的圓孔，且上下左右對稱分布。在利用直徑18.5 mm的鋼絲繩自圓孔內(nèi)穿入，編織為網(wǎng)格狀，其正交處互相錯壓，在錯壓位置使用同樣規(guī)格的鋼絲繩和卡扣固定。每段鋼絲繩穿過圓孔后截?cái)?，使其相互?dú)立且利于維護(hù)，鋼絲繩穿過角鐵后使用同樣規(guī)格的鋼絲繩和卡扣固定。在框架一端焊接兩個(gè)鉸支座，間距800 mm，鉸支座厚度15 mm，且?guī)в袃蓚€(gè)直徑35 mm的圓孔。在巷道頂梁上焊接兩個(gè)相同規(guī)格鉸支座，間距760 mm左右，防護(hù)欄和巷道頂梁上的鉸支座采用鋼制銷柱進(jìn)行連接，長850 mm，銷柱兩端打開口銷。

2）撞擊引導(dǎo)裝置，見圖2-2。撞擊引導(dǎo)裝置底座為兩根1.8 m方鋼，兩端焊接長方形鋼板，方鋼間距30 mm。方鋼一端200 mm處施工一個(gè)通孔，其中鉸接一根長1.5 m的可自由轉(zhuǎn)動的撞桿，方鋼另一端200 m處也施工一個(gè)通孔，裝上機(jī)關(guān)掛鉤，在撞桿受到外力撞擊時(shí)能向后轉(zhuǎn)動，并碰撞機(jī)關(guān)掛鉤尾部。防護(hù)欄與機(jī)關(guān)撞鉤間采用6 mm直徑的鋼絲繩進(jìn)行連接，在防護(hù)欄上安裝改變鋼絲繩方向的導(dǎo)向輪，見圖2-3。失控的礦車撞擊跑車防護(hù)裝置時(shí)速度可能較高，因此防護(hù)網(wǎng)與撞桿的距離必須大于計(jì)算的最小安全距離，確保礦車撞擊撞桿后到達(dá)防護(hù)網(wǎng)時(shí)，防護(hù)網(wǎng)能夠全部打開。

圖2 機(jī)械常開混合式跑車防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

5 試驗(yàn)分析

本次在1采區(qū)軌道上山絞車坡向下約40 m處安裝了上述機(jī)械常開混合式防跑車裝置，并進(jìn)行了跑車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置能夠在跑車時(shí)進(jìn)行有效地阻止，但由于巷道支護(hù)條件問題，未能在有效距離內(nèi)完全阻止失控礦車。根據(jù)現(xiàn)場情況對該裝置前后2m處的巷道進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，具體為巷道頂梁施工錨桿使其與頂板巖石緊密貼合，對該段巷道噴漿加固，并將受力頂梁進(jìn)行聯(lián)鎖。巷道加強(qiáng)支護(hù)后再次進(jìn)行了跑車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果較好。