煤礦運輸巷刮板機過擋風墻的自動擋風裝置研究

靳曉波

(山西機電職業技術學院，山西 長治 046011)

有效的通風是煤礦安全生產的最基本保證。目前我國井下自燃、瓦斯等災害事故發生比例依然較高，主要原因是通風問題，根據國家煤監局公布相關數據，2016年全國共發生煤礦事故249起，死亡538人，其中瓦斯事故13起，比例為5.22%，而死亡170人，占31.54%[1]。減少通風系統的漏風量，能提高有效風量，減少煤礦生產的安全隱患[2]。

煤炭的運輸通常采用輸送帶或刮板輸送設備，由于刮板機穿過擋風墻時斷面橫截面積小、漏風相對小，所以在巷道中一般采用刮板機來運輸，刮板機通過擋風墻時，需在墻上開鑿一個方形洞，這就導致在運煤時存在漏風現象。針對這種情況，目前一般的解決方法是在方形洞上掛一塊擋風簾，用來減小漏風，但效果不佳。為了減小漏風量，需要設計一種裝置能夠改善刮板機穿過擋風墻的漏風狀況，進而增加工作面的有效風量，提升風機消耗電能的利用率，降低生產成本。

1 自動擋風裝置設計

裝置采用氣動驅動、用MCU進行控制，當刮板機工作時該裝置的擋風板自動開啟，刮板機停止工作時裝置的擋風板自動關閉。擋風板上采用雙層密封，這樣可以在刮板機不工作時擋住大量的風通過，減少漏風，提高了生產的安全性。擋風裝置在擋風墻處的安裝方法如圖1所示。

1—擋風墻；2—風門；3—擋風板驅動裝置；4—刮板機運輸孔；5—擋風板；6—刮板機；7—過風墻密閉箱體；8—牽引機構；9—擋風板位置傳感器圖1 擋風裝置安裝示意圖

自動擋風裝置包含機械機構、氣動驅動系統、傳感檢測系統、自動控制系統，整體結構如圖2所示。

圖2 自動擋風裝置的整體結構圖

1.1 機械結構設計

擋風裝置的機械機構如圖3所示，機構分為：上擋風板、下擋板、動作軸、固定件、動作機構、牽引機構、軌道幾部分。上下擋板在動作機構的作用下可以分別沿Y軸移動，其中上擋板只能上下移動，下擋板除了可以上下移動外，還可以在動作軸上沿Z軸運動(在滑輪機構和軟鋼絲繩作用下)。擋風板下方和側面安裝抗靜電、抗阻燃密封膠條，保證在滿載和空載時都有良好的漏風保護。

圖3 擋風機構的機械結構示意圖

上下擋板采用氣缸驅動，能夠沿著導軌裝置精確、快速的上下動作；在導軌裝置內裝有位移傳感器，保證門上下運動的準確性，同時保證不漏風。此外裝置還有操作簡便、省力的手動提升機構，保證在斷電或自動控制系統出現故障時，能夠開啟或關閉風門。

1.2 電氣系統設計

自動擋風裝置的電氣系統主要是由控制器、開停傳感器、稱重傳感器、觸控式傳感器、速度傳感器、位移傳感器、風速傳感器、顯示裝置、通信裝置構成，擋風裝置的電氣系統結構如圖4所示。

根據井下工作環境的特點，用觸控式傳感器檢測煤的高度，用速度傳感器檢測刮板機的運輸速度，使用位移傳感器檢測擋風裝置的位移量，控制器通過計算傳感器的數據來控制擋風板的運動狀態，擋風板的運動控制過程滿足下式。

式中，H為擋風裝置應開啟高度，m；h1…hn為不同時間的煤高度，m；h為當前擋風裝置開啟高度，m；V1為擋風板運動速度，m/s；V2為運輸裝置速度，m/s；S為觸控式傳感器與擋風墻間的距離，m；t為運動時間，s。

稱重傳感器檢測運輸載荷狀態，開停傳感器檢測裝置的開停狀態，控制器對傳感器的數據進行綜合處理，從而控制裝置的工作狀態；風速傳感器檢測漏風情況，控制器對數據處理并實時顯示；當系統出現故障時，能顯示故障原因并發出警報。

系統根據各傳感器的數據判斷出煤的高度，控制擋風裝置下降或提升到恰當的高度，保證在運輸裝置滿載、空載或停止時都能減小擋風墻處的風量損失；并且能通過RS485總線與其他系統進行聯網。

1.3 擋風機構的工作狀態

當擋風裝置處于正常狀態時，上下擋板稍稍分開且相對位置固定，根據檢測刮板機上運輸的煤炭高度，系統控制上下擋板沿導軌動作，使擋板開啟適當高度，保證煤炭通過出口。煤炭高度超過出口的開啟高度時，下擋板還可以沿Z軸向外運動一定的角度，防止裝置受損。系統根據需要控制出口的大小，改善刮板機在運輸過程中的漏風狀況。

運輸裝置停運時，此時上擋板回到預設位置，下擋板先提升一定高度，在牽引機構作用下向外運動到與上擋板垂直的位置，然后再向下運動到預設高度，牽引機構放下擋板，防止運輸裝置上的煤炭在開機時，損壞裝置。擋風板的位置狀態如圖5所示。

運輸裝置空載時，此時上下擋板同時下移，上擋板和下擋板位置稍微重疊，在上擋板和密封條的作用下，下擋板不能前后移動，使擋風墻的出口幾乎完全封閉。在這種情形下，擋風裝置比擋風簾的擋風效果好，能極大地減小漏風量。

圖5 上下擋板的位置示意圖

當擋風裝置斷電時，裝置在氣動系統作用下回到預設位置，下擋板此時可以沿Z軸自由向外運動，不影響刮板機的正常工作。

2 裝置實地運行效果

長平礦井下四盤區配備風量最大，出煤系統中通過的通風橫川較多，造成的漏風也較多，該裝置在長平礦四盤區43061巷正對橫川出煤刮板機地點進行了安裝試驗。系統的動力氣源壓力為0.6～1.0MPa，管路的規格為8mm，氣缸行程為800～1000mm，傳感器的工作電壓為DC0～24V，傳感器檢測距離為0～900mm，動作時間4.61s，系統工作正常且運行穩定，滿足設計要求，參數符合國家安全標準。系統在擋風墻處漏風測試數據見表1。

表1 系統在擋風墻處漏風測試數據表

從測量數據可以看出，刮板機停運時擋風裝置比擋風簾的漏風量降低了33.82%，刮板機空載時擋風裝置比擋風簾的漏風量降低了39.41%，刮板機正常工作時擋風裝置比擋風簾的漏風量降低了21.5%。通過對比證實本裝置整體的擋風性能比擋風簾好，能有效改善刮板機通過擋風墻時的漏風現象。

3 結果討論和改進措施

該裝置能根據刮板機的工作狀態自動調節擋風板的開啟狀態，降低了刮板機過擋風墻的漏風量，提高了有效風量，但也存在一些問題需要改進。

1)煤炭高度的檢測精度不高。由于采掘工作面特殊的工作環境，煤炭高度檢測不適宜采用紅外等傳感器，在設計時采用數字式觸控式傳感器導致檢測不夠精確。改進思路：改進觸控式傳感器測量方式，可由測量的角度轉換為對應的高度。

2)擋風板開啟高度不夠精確。由于觸控傳感器測量精度不高，所以在控制擋風板開啟高度時留有一定的富裕度，造成實際漏風量比理論值高。改進思路：對控制系統的檢測裝置進行改進，并對控制程序的算法進行修正。

3)擋風板開閉的時間。擋風板的動作時間為相對較長。改進思路：對驅動機構進行改進，減小擋風板運動所需工作時間。

4 結 語

對刮板機通過擋風墻的漏風現象分析，結合采掘運輸巷道的實際工作情況，設計了自動擋風裝置，能有效改善刮板機穿過擋風墻處的漏風狀況。系統在現場進行了安裝試驗，漏風量小，運行穩定，具有一定的推廣意義。