礦用新型抗壓平衡式風門的應用研究

程 浩

（山西煤炭進出口集團左權宏遠煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032615）

風門是煤礦井下的主要通風設施，風門的設置和應用可以提高通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。但是隨著煤礦機械化和開采深度的增加，井下礦壓顯現(xiàn)強烈，開挖巷道存在大變形的問題，會導致井下通風風門及門框發(fā)生變形破壞，導致風門不能正常使用，因漏風問題而產(chǎn)生通風安全事故，因此必須進行優(yōu)化改進[1-6]。

1 宏遠煤業(yè)風門使用現(xiàn)狀

1.1 工程概況

山西煤炭進出口集團左權宏遠煤業(yè)位于山西省晉中市左權縣寒王鄉(xiāng)，礦井面積為9.33 km2，生產(chǎn)能力為90 萬t/a，主要開采15#煤層，開采水平為+1177 m，批采標高+1 349.99～ -559.99 m。煤礦開拓方式為斜井開拓，井筒數(shù)量3 個，綜采放頂煤開采工藝，屬于煤與瓦斯突出礦井。宏遠煤業(yè)主采太原組下段15#煤層，地質構造簡單，煤層平均厚度為3.56 m，煤層平均傾角為2°。宏遠煤業(yè)礦壓顯現(xiàn)明顯，開挖巷道存在大變形的問題，主要表現(xiàn)為巷道底鼓、兩幫變形、頂板下沉、煤壁片幫等。

1.2 風門的使用現(xiàn)狀分析

宏遠煤業(yè)采用機械抽出式通風方式，井下使用的是雙扇無壓平衡風門，保障風流不出現(xiàn)短路問題，進而保證通風系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。從多年的實踐應用效果來看，該雙扇無壓平衡風門存以下幾個缺點：（1）受巷道動壓的影響，巷道底板多處位置出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象，進而導致風門常常被壓壞而發(fā)生變形，如圖1。風門壓壞情況主要表現(xiàn)為：風門結構彎曲、門體錯位、重疊、漏風、門體與門框卡死等。（2）該風門的機械閉鎖裝置依靠鋼絲繩來完成，閉鎖的可靠性和安全性較差。同時，該風門采用人工開啟，勞動強度大，存在嚴重的安全隱患。風門的管理和維護工作較為困難。

圖1 風門受巷道動壓變形示意圖（mm）

2 新型抗壓平衡式風門的設計

2.1 風門結構分析

針對煤礦井下風門受巷道動壓的影響，設計了一種新型抗壓平衡式風門，風門及門框結構如圖2。

圖2 新型抗壓平衡式風門及門框結構圖（cm）

在新型抗壓平衡式風門門框的上、左、右位置設置有6 片可重合的鋼制結構墻面，礦壓來臨時6片鋼墻可以自動地靈活調節(jié)鋼墻重合部分，在實現(xiàn)了卸壓目的的基礎上也保護了風門不會因礦壓導致變形破壞。門框重合鋼墻采用彈簧加螺絲設計，壓力式皮條密封，在兩片重合鋼墻之間是密實不漏風的，門框四個角位置由4 個彈簧的伸縮臂組成，合頁設置在門框異向兩側，密封條設置在門扇和門框之間位置，實現(xiàn)良好的密封效果。

設計有一種新型的網(wǎng)絲強悍閉鎖裝置，裝置結構如圖3，主要包括定滑輪、鋼絲繩、配重錘、萬向輪等部件。通過裝置伸縮拉鋼絲繩，經(jīng)過滑輪使門扇進行轉動，進而實現(xiàn)風門的打開和關閉。

圖3 風門新型閉鎖裝置示意圖

2.2 工作原理

該新型抗壓平衡式風門設計為異向同步開閉，采用壓力平衡原理，運用設計的平行四連機械連桿機構把作用在風門上的壓力轉化成一種內(nèi)力，實現(xiàn)平衡，可有效保障風門開閉的靈活性。當壓力作用在門框外面的活動鋼墻上時，可推動鋼墻面向門框方向進行靈活的移動，進而可以調整鋼墻之間的重合區(qū)域，可以有效地卸壓，此時壓力無法作用在門框上，避免了門框發(fā)生變形破壞。

2.3 重合鋼墻改進及快速支架技術

2.3.1 風門槽型結構設計

該新型抗壓平衡式風門在設計時采用了2 個互相重疊的槽型結構，風門在巷道安裝完成后，如受到巷道壓力，就會在受壓后基于其槽型結構進而相互重疊，如圖4。

圖4 風門安裝受壓變形前后變化示意圖（cm）

2.3.2 快速支架技術分析

新型抗壓平衡式風門框底部用水泥砂漿澆筑牢固；門框兩側采用可調節(jié)長度的鋼質拉桿，其底部使用錨桿固定在底板上。

新型抗壓平衡式風門快速支架技術：（1）門框采用了2 組可抽插的槽型鋼墻進而實現(xiàn)重合鋼墻設計，該設計可以在受壓情況下進行自動伸縮動作，最大伸縮變形量可以達到46 cm；（2）門框安裝時，其底部及兩側全部都采用混凝土澆筑牢固，使用設計的可調拉桿連接澆筑件與風門框進行固定。

3 實踐應用及效果分析

3.1 實踐應用

宏遠煤業(yè)三五盤區(qū)連接巷道的服務年限較長，同時受礦壓影響較大，以往應用的雙扇無壓平衡風門常因變形而發(fā)生破壞，風門的管理和維護困難。根據(jù)三五盤區(qū)連接巷道的地質情況及巷道礦壓擠壓風門變形的特點，將設計的新型抗壓平衡式風門完成研制后，于2020 年10 月在三五盤區(qū)連接巷道進行了安裝試驗，投入到實踐應用，并對其應用效果進行了觀測。

3.2 效果分析

新型抗壓平衡式風門在三五盤區(qū)連接巷道應用后，從2020 年10 月至今，連接巷道寬平均變形量達35 cm，高平均變形量達27.4 cm，在該情況下風門變形率仍然較小，能正常使用，風門的漏風率始終保持在3%以下，有效保障了三五盤區(qū)連接巷道的通風系統(tǒng)的可靠性和安全性。新型抗壓平衡式風門結構簡單，其安裝和維護較為便利，使用壽命長。

3.3 效益分析

（1）安全效益

三五盤區(qū)連接巷道為工作人員和車輛的必經(jīng)之路，采用新型抗壓平衡式風門后，消除了因礦壓導致風門損壞而產(chǎn)生的安全隱患，給井下安全生產(chǎn)提供了保障。

（2）經(jīng)濟效益

新型抗壓平衡式風門的應用，可大幅度降低風門設施的維修率，風門維修率可降低至之前的20%，如在該礦全面推廣應用，每年可節(jié)約風門維修費用約6 萬元。新型抗壓平衡式風門的應用，風門的使用壽命大幅度提高，如在該礦全面推廣應用，綜合設備裝備購置費用和使用壽命，每年可為煤礦節(jié)約設備費用約35 萬元。

4 結語

巷道礦壓易對井下通風系統(tǒng)設施造成破壞，并產(chǎn)生通風安裝隱患，必須引起重視。本文對宏遠煤業(yè)井下風門的應用現(xiàn)狀和問題進行了分析，針對性地研制了一種新型抗壓平衡式風門。其關鍵技術在于風門門框兩側兩扇重疊的鋼墻面設計，在壓力來到時，可以通過調整鋼結構墻面的重合部分，實現(xiàn)卸壓效果，同時保障了風門的正常使用。實踐應用效果表明：新型抗壓平衡式風門在應用過程中能正常發(fā)揮其作用，在礦壓作用下風門變形量小，能正常使用，風門的漏風率始終保持在3%以下，其安全效益和經(jīng)濟效益顯著，為實現(xiàn)宏遠煤業(yè)高產(chǎn)高效安全開采的目標奠定了基礎。