井下災區遠距離自動封閉裝置

文/于海森 王小林

災區火區封閉一直是礦山救援工作的老大難問題。全國因建造密閉墻封閉通風孔發生瓦斯爆炸而造成的救護隊人員傷亡事故，高居救護隊人員自身傷亡事故案例首位。井下災區遠距離自動封閉裝置的研發成功，實現了井下災區火區遠距離同時、自動封閉，為安全救援創造了條件。

眾所周知，災區火區封閉一直是礦山救援工作的老大難問題。建造密閉墻封閉災區火區時，現場施工條件差，環境復雜多變，時間緊、任務重，勞動強度大，而且緊靠災區作業，特別是最后封孔階段，火區內風量及氣體成分會發生很大變化，風量驟減，通風系統發生改變，極易發生瓦斯聚積爆炸，造成現場作業人員傷亡。據統計，全國因建造密閉墻封閉通風孔發生瓦斯爆炸而造成的救護隊人員傷亡事故，高居救護隊人員自身傷亡事故案例首位。最典型的是2013年吉林八寶煤業“3·29”火災事故搶險救援過程中，封閉火區造成火區先后發生5次瓦斯爆炸，共造成包括集團公司總工程師在內的53人遇難，其中救護人員26人，教訓極其深刻、沉痛。解決井下災區火區安全封閉這一老大難問題，是礦山搶險救援人員長期以來的殷切期盼。為此，鄭州煤電股份有限公司礦山救援中心和河南萬合機械有限公司于2014年3月起，聯合開展井下災區遠距離自動封閉技術研究。

裝置用途

井下災區遠距離自動封閉裝置，就是在井下發生災變需要快速密閉滅火時（主要是火災和瓦斯事故），在指定巷道內構筑防爆密閉墻，將該裝置安置在密閉墻上，構筑時密閉門處于打開狀態，保持巷道正常通風，維持通風系統基本穩定，避免災區火區內瓦斯聚積爆炸。當密閉墻構筑完成后，作業人員快速撤到安全距離以外，啟動遠程控制裝置同時將進回風密閉門關閉，并自動縮緊，從而保障災區封閉作業人員安全。

裝置構成

裝置主要由框架、門框、門體和氣動、電動控制裝置兩大部分組成。門框、門體之間采用銷軸鉸接，具體情況見下表。

關于主體框架尺寸選擇考慮因素，在滿足防爆抗壓強度安全的前提下，一是重量輕、尺寸小，便于運輸安裝；二是門體0.98 m2的通風面積基本可以滿足封閉期間通風需求；三是便于救護人員佩戴儀器裝備順利通過；四是材料盡量選擇強度硬、耐腐蝕、抗沖擊的鋼材。

控制裝置主要由開關門氣缸、位置傳感器、氣動控制箱、PLC可編程控制器（以下簡稱“PLC控制器”）、開關按鈕、備用電源等組成。

表：裝置構成

裝置工作原理

井下災區遠距離自動封閉裝置，以壓縮空氣推動氣缸活塞桿作為執行動力進行關門動作，同時以壓縮空氣帶動氣缸、齒輪傳動機構、鎖緊機構對密閉門進行鎖緊；以單片機為CPU核心的微型計算機系統，可掛接多種傳感器，能對密閉門的關閉狀態進行判斷，并發出指令，執行下一個動作，以實現對密閉門的遠距離控制。

裝置動作過程

按下關門按鈕，PLC控制器發出信號，啟動電磁換向閥，高壓氣瓶通過氣路向關門氣缸供氣，關門氣缸動作，開始關閉密閉門，當密閉門關閉到位后，位置傳感器發出信號給PLC控制器，并在200 m外的PLC控制器顯示屏上顯示關閉信號。緊接著，PLC控制器發出信號，電磁閥動作，鎖緊氣缸閥門，高壓氣瓶向鎖緊氣缸供氣，鎖緊氣缸推動齒輪傳動機構、連桿機構帶動壓緊銷旋轉，將密閉門與門框鎖緊，并壓緊密封條，保證不漏氣，密閉嚴密。壓緊到位后，位置傳感器發出信號給PLC控制器，停止向鎖緊氣缸供氣，關門動作結束。

打開密閉門時，按下開門按鈕，PLC控制器發出信號，控制電磁閥打開鎖緊氣缸閥門，高壓氣瓶向鎖緊氣缸供氣，鎖緊氣缸拉動齒輪傳動機構、連桿機構帶動壓緊銷旋轉，解開閉鎖，位置傳感器發出信號給PLC控制器，停止向鎖緊氣缸供氣，并在200 m外的PLC控制器顯示屏上顯示解鎖信號。緊接著，PLC控制器發出信號，啟動電磁換向閥，高壓氣瓶向開門氣缸供氣，開門氣缸推動密閉門打開，當密閉門打開到位后，位置傳感器發出信號給PLC控制器，停止向氣缸供氣，密閉門打開。

裝置性能

井下災區遠距離自動封閉裝置適用于有瓦斯、煤塵爆炸危險的環境中，特別適用于井下火區封閉。密封性好，可承受大于0.3 Mpa壓力的沖擊。門與門框之間柔性接觸，柔性材料阻燃抗高溫，保證高溫300 ℃不熔化，密閉不漏風。

在500±20 Pa壓力下，對密閉門進行過專門試驗，泄壓速率不大于350 Pa/h，密封性能良好。

密閉門及連接構件有足夠強度，具有良好的抗爆性能。在空間體積不小于300 m3的瓦斯爆炸環境中專門進行過抗爆性試驗，密閉門無明顯變形。

電動控制裝置使用礦用隔爆兼本質安全型控制箱，額定工作電壓與礦井照明或通信系統電壓相匹配；氣動執行元件及管件耐壓性能滿足高壓氣源壓力要求。

技術創新點

能夠實現井下災區火區遠距離同時、自動封閉，保證封閉過程中有充足風量，保證災區火區系統穩定，避免封閉災區時因通風系統不穩定引起瓦斯爆炸事故，為安全救援創造了條件。

能夠有效把機械傳動、氣動控制、電動控制有機結合，實現了遠距離自動關閉、鎖緊、開啟密閉門，近距離氣動關閉、鎖緊、開啟密閉門及手動關閉、開啟密閉門功能。

電動控制箱內自備兩塊鋰電池電源，容量1萬2 000 mA，能滿足密閉門連續開關40次以上，也可使用井下12～127 V電壓電源。

動力源首選裝置配備的高壓空氣瓶，也可以使用井下壓風系統氣源。

在高瓦斯、煤與瓦斯突出及自然發火嚴重礦井，提前在采區之間、兩翼之間或采掘工作面安裝井下災區遠距離自動封閉裝置，可以有效防治火災事故。同時，在封閉火區時，安裝兩道該裝置，可以實現人員順利進入災區偵察。

災區封閉施工作業過程中，可在災區預設瓦斯、一氧化碳、氧氣、溫度等監測傳感器，傳至地面調度室，指揮人員可以隨時監控災區氣體溫度變化情況，及時電話告知現場作業人員。

門框邊預設各種管孔，便于各種傳感器線路進出，有利于向災區注氮氣、液態二氧化碳等開展后期災區治理。

2015年6月，該裝置研發成功，并在救援中心實地進行試驗、驗證；2015年7月，開始在鄭煤超化礦和宋樓礦進行推廣應用；2015年8月，通過鄭煤集團公司專家組驗收；2015年11月，順利通過河南省科學技術廳鑒定；同月，《井下災區遠距離自動封閉技術研究及應用》論文，被國家安全生產監督管理總局礦山救援指揮中心評為全國礦山救援優秀論文；2016年1月，被河南省科學技術廳確認為河南省科學技術成果，登記號：9412016Y0236；2016年5月，榮獲第七屆河南煤礦安全生產科技進步獎二等獎，被列為重點推廣項目；2016年11月，榮獲河南省煤炭工業管理辦公室科技成果獎二等獎。