掘進機司機綜合安全防護設施研制與實踐

郭杰，王旭東，鄧奇根

(1.山西晉煤集團 坪上煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作454000)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟快速高效發(fā)展，礦井開采技術日益進步，以綜合掘進機為主的掘進技術已廣泛應用到煤礦開采行業(yè)中，成為煤礦采掘活動中的核心生產(chǎn)要素。在綜合掘進過程中，冒頂、煤與瓦斯突出、粉塵、高溫、噪聲、高潮濕等各種危害普遍存在[1-2]。在我國礦井頂板事故中，已有統(tǒng)計表明，巷道冒頂導致的死亡事故80%以上發(fā)生在掘進工作面及巷道交叉口，其中，以掘進工作面更為普遍[3-5]。煤與瓦斯突出的規(guī)律表明：煤與瓦斯突出多數(shù)發(fā)生在采煤、掘進工作面，其中大多數(shù)發(fā)生在掘進工作面[6]。掘進過程中產(chǎn)生大量的煤塵及有毒有害氣體，機械設備運轉(zhuǎn)和局扇運行都會產(chǎn)生噪聲，噴霧除塵及巷幫淋水造成的井下空氣潮濕，深井工作面的地熱及綜合掘進機等機器設備運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量形成的高溫[7-9]都嚴重影響綜合掘進機司機和工人的身心健康和工作效率。

目前，我國各煤礦掘進機使用普遍[10-12]，并開發(fā)有掘進機周圍人體紅外報警系統(tǒng)，部分掘進機安裝有掘進機人體自動檢測保護裝置，應用紅外感應器、邏輯控制器、語音報警和警示燈對掘進機進行合理配置，構(gòu)成掘進機司機安全防護裝置。部分掘進機通過安裝和使用高壓降塵裝置，能有效降低掘進機切割煤巖過程中的粉塵質(zhì)量濃度。但掘進機司機多數(shù)直接暴露于工作環(huán)境中，部分掘進機安裝有簡易的司機棚，但對司機的職業(yè)安全健康防護較為困難，掘進機外觀如圖1所示。

1 掘進機司機室研制

我國煤礦對掘進機司機操作普遍規(guī)定：掘進機司機作業(yè)時注意力要高度集中，注意觀察掘進機周圍頂板、底板、煤壁等異常情況。掘進機司機是掘進生產(chǎn)現(xiàn)場第一工作人員，不僅要進行忙碌的采掘作業(yè)，而且還得面臨著冒頂、煤與瓦斯突出、粉塵、噪聲及高潮濕等諸多風險和危害[13-14]。在惡劣的工作環(huán)境中，精力和關注度難以保持高度集中，因此，掘進機司機是事故的易發(fā)對象。

根據(jù)井下掘進實際，結(jié)合掘進機特征，研制出一種具有抗壓、防塵、防毒性氣體、防噪聲、防潮濕及自救等功能于一體的掘進機司機室。司機室左側(cè)設計成操作控制臺，右側(cè)為安全門，方便掘進機司機出入，整體看起來類似于一個小型避難倉，同時具有控制室功能，司機室立體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 司機室立體結(jié)構(gòu)

外殼采用抗壓式設計，殼體一側(cè)設有密閉性能良好的出入門，在殼體的前方、后方和兩側(cè)設有6 mm厚可觀察室外的防爆玻璃窗，在抗沖擊的同時也保證了掘進機司機的視野不受限制。殼體根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為頂殼和側(cè)殼，殼身采用復合式結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外依次為反彈層、隔熱層和高強度反應層。殼體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-減震層；2-高強度反應層；3-隔熱層；4-反彈層；5-緊密連接件

反彈層為碳纖維材質(zhì)，碳纖維質(zhì)量比金屬鋁輕，強度比鋼鐵高，且具有耐腐蝕、高模量的特性，可以有效增加外殼的拉伸性，外殼在受到外力擠壓時不易變形。其中，頂殼設置減震層，內(nèi)部為若干彈簧，兩端分別連接支撐板和抗壓框架；高強度反應層材質(zhì)為鍍鋅鋼板，耐腐蝕，硬度大，遇到?jīng)_擊時能夠有效發(fā)揮作用，是車殼的第一道保障。隔熱(濕)層采用異氰酸酯和聚醚為主要原料，在發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑等多種助劑的作用下，具有保溫、耐火及防水(潮)功能，充填在反彈層和高強度反應層之間，并使用若干緊密連接件固定，防止沖擊或變形時發(fā)生滑移。

將自制的壓風自救系統(tǒng)引入司機室，一旦出現(xiàn)意外情況，司機室能夠肩負避難倉的作用。通過室內(nèi)接入的壓風管路，使室內(nèi)始終處于正壓狀態(tài)，通過單向閥排氣，一旦發(fā)生突出事故時，有毒氣體無法進入司機室內(nèi)，同時也隔絕外部粉塵進入，兼有降溫作用。司機室良好的密閉性能可有效防止煤塵、高濕空氣和瓦斯等進入。自救裝置安裝在室內(nèi)后壁右側(cè)，緊急情況下能夠供氧與供水；除塵裝置安裝在防護窗上，可以有效除掉可視窗上的落塵，為司機提供良好的視野。

2 局部降溫裝置研制

隨著礦井開采的深度不斷增加，熱害問題成為影響開采的又一大危害[15-16]。每到夏秋季就會迎來5～6個月的高溫期，部分礦井井下溫度居高不下，再加上機電散熱，掘進機司機的體感溫度高達33～36 ℃，高溫作業(yè)大幅降低了工作效率，極易引發(fā)各類事故。雖然部分有熱害的礦井井下建立了集中降溫制冷系統(tǒng)，但該系統(tǒng)價格昂貴、能耗高，局部高溫作業(yè)很難采用[17-18]。

如采用電氣設備進行降溫，因煤礦的開采環(huán)境特殊，電氣設備必須具有防爆證書，且需通過煤安(MA)認證?？紤]到使用條件、成本和安全等問題，研制一種安全、輕便、可靠、有效、投資少且能耗低的局部降溫裝置勢在必行，基于這些要求，研制一種不使用電源作為制冷能源的局部降溫裝置。該降溫裝置不使用電能，節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟循環(huán)，且設備運轉(zhuǎn)時也不會產(chǎn)生電火花，可有效防范井下火災或爆炸危險。

降溫裝置由外殼、通風管路、通水管路、閥門、表冷器、油水分離器、渦流管、風流分路器、降噪器、風動齒輪、各種卡扣和固定組件等組成，如圖4所示。

外殼出風口采用自動調(diào)節(jié)百葉窗，百葉窗裝有風動齒輪，由壓風驅(qū)動齒輪實現(xiàn)風向的自動搖擺，可靈活調(diào)節(jié)風向，提高人體的舒適感。通風管路與井下壓風管路及多排風流分路器相連，可以通過調(diào)節(jié)閥(即風開關)控制風速、風量及噪聲。通水管路與井下水管及表冷器相連，通水管內(nèi)通有井下低溫水，可以通過調(diào)節(jié)閥(即水開關)控制水速和水量。表冷器位于通風管路的前側(cè)，內(nèi)有流動的恒低溫水，通風管路的來風，吹入表冷器的翅片之間，進行熱量交換降溫，管內(nèi)的恒低溫水流過金屬管道內(nèi)腔，渦流器產(chǎn)生的冷風流過金屬管道外壁進行熱交換，達到冷卻的目的。流經(jīng)表冷器的水連接到井下水管中，做到節(jié)能、無浪費。渦流管的工作原理：壓縮空氣噴射進入渦流室，氣流以高速旋轉(zhuǎn)流向渦流管的熱氣端出口，一部分氣流通過控制閥流出，剩余的氣體被阻擋后，在原氣流內(nèi)圈以同樣的轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)，且流向渦流管的冷氣端。井下壓風通過通風管路進入渦流管，熱風端排出司機室，冷風端連接風流分路器，風流分路器上安裝有多個降噪器，降噪器的出風口吹向表冷器。表冷器的作用：一是通過水循環(huán)均衡冷風的溫度，可以避免尖銳的冷風直接吹向司機；二是降噪器的風流通過表冷器后變得分散，擴大了冷風的輻射范圍，提高了降溫效果。渦流管作為整個降溫裝置的冷源，在進氣流量0.6 m3/min，壓力≥0.6 MPa，溫度30 ℃的工況條件下，經(jīng)過渦流管作用后冷段最低溫度可達-20 ℃。在現(xiàn)場的實際使用過程中，可以通過調(diào)節(jié)渦流管閥門，控制冷熱輸出比例及氣體流量大小。此外，該裝置采用的是正壓供風，對司機室具有防塵、防止毒性氣體侵入等功能。

1-外殼及百葉窗；2-進水管；3-進風管；4-油水分離器；5-渦流管；6-閥門組件；7-降噪器；8-卡扣固定組件；9-表冷器；10-風流分路器

以壓風及供水為動力的降溫裝置具有安全環(huán)保、經(jīng)濟可靠、節(jié)能舒適等特點。夏秋季高溫時，掘進機司機室室內(nèi)的溫度降幅可達7～9 ℃，司機的體感溫度可恒定在25～28 ℃。

3 視覺安全輔助裝置研制

為有效解決司機在割煤時視線變差的問題，防止掘進機司機將身體伸出司機室察看，在工作面以外10～15 m內(nèi)安裝激光射線儀。激光射線儀可在掘進工作面的兩幫和頂部各打出一道梯形門型輪廓高清晰度的紅色激光線，可以根據(jù)掘進巷道的尺寸精確設置這個“門”的寬度和高度，為掘進方向及掘進人員提供精準的參照物，如圖5～6所示。

圖5 激光射線儀

圖6 激光輪廓

為了讓掘進機司機能夠更準確地掌握工作面割煤和轉(zhuǎn)載機運行情況，掘進機司機室內(nèi)安裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，顯示器采用30.48 cm(12吋)防爆平板電腦，配合2個具有自動防塵保護功能攝像頭，一個監(jiān)控工作面，另一個監(jiān)控轉(zhuǎn)載機與40 t溜子搭接部位。上述設備的使用，保證了所施工巷道的工程質(zhì)量，極大地提高作業(yè)人員的工作效率，并有效地降低了人為失誤等意外事故的發(fā)生概率。

4 電纜拖移裝置和轉(zhuǎn)載機小跑車研制

掘進機工作期間，為避免掘進機擠壓電纜，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝要設專人看護，為減少人員進入工作面，最大程度降低人員傷亡事故[19]。通過現(xiàn)場勘察，研制了掘進機隨機電纜拖移裝置并對轉(zhuǎn)載機小跑車進行了改進。利用滑輪將電纜吊起來，并與掘進機保持0.8 m以上的安全距離，這樣隨著掘進機割煤巖前后移動，電纜同時隨著滑輪移動，既保證了電纜不被擠壓，又省去了掘進機隨機電纜看護人員，掘進機隨機電纜拖移裝置如圖7所示。

圖7 掘進機隨機電纜拖移裝置

掘進機工作期間，為避免掘進機轉(zhuǎn)載機掉道，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝要設專人在轉(zhuǎn)載機附近觀察運轉(zhuǎn)情況，以備掉道時能夠及時聯(lián)系掘進機司機，停機進行處理，為減少轉(zhuǎn)載機看護人員，通過對轉(zhuǎn)載機小跑車進行改造，在轉(zhuǎn)載機與溜槽搭接部位處連接鋼板，卡在40 t溜槽上，既避免了轉(zhuǎn)載機掉道現(xiàn)象，又省去了轉(zhuǎn)載機看護人員，如圖8所示。

圖8 改進的轉(zhuǎn)載機小跑車

掘進機司機綜合安全防護裝置，在多個煤礦得到了推廣應用，現(xiàn)場應用表明：達到了掘進工作面割煤巖期間只需掘進機司機一個人作業(yè)的目的，實現(xiàn)了掘進工作面綜合掘進期間50 m內(nèi)單人作業(yè)的生產(chǎn)工藝。

5 結(jié) 論

(1)掘進機司機室的研制及應用，確保了掘進工作面唯一的掘進機司機處于相對封閉的司機室內(nèi)，可有效避免小型頂板冒頂、煤與瓦斯突出等事故，兼具有防塵、防毒性氣體、防噪聲、防潮濕及自救等功能。

(2)以壓風及供水為動力的局部降溫裝置，具有安全環(huán)保、經(jīng)濟可靠、節(jié)能舒適等特點。

(3)掘進工作面配備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、激光射線儀等視覺安全輔助裝置，給掘進機司機提供良好的視野，保證了所施工巷道的工程質(zhì)量。

(4)研制的掘進機隨機電纜拖移裝置及改進的轉(zhuǎn)載機小跑車減少了掘進機工作期間工作面作業(yè)人員數(shù)量，實現(xiàn)了掘進工作面綜掘期間50 m內(nèi)單人作業(yè)生產(chǎn)工藝。

(5)掘進機司機綜合安全防護裝置的研制及推廣應用，掘進機司機的職業(yè)安全健康由被動防護轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃宇A防，極大地改善了工人的工作環(huán)境，提高了作業(yè)人員的工作效率，降低了事故發(fā)生的概率，提升了工人的勞動幸福感。