斜巷擋車欄自動起落裝置的研究與設計

李偉華 張杭杭

（山東能源棗礦集團高莊煤業有限公司，山東 微山 277605）

礦井斜巷提升運輸是礦井生產環節的重要組成部分，貫穿于礦井的各個生產環節，關系到煤礦所有設備與材料的運輸斜巷運輸系統的安全運行，對礦井安全生產和保障礦工生命健康意義重大。據統計，礦井斜巷軌道運輸事故傷亡人數約占煤礦事故總傷亡人數的18%。斜巷軌道運輸事故主要包括礦車自由逃逸（跑飛車）事故、帶繩跑車事故、礦車掉道上道事故、行車行人或行車時有人在絞車眼不安全范圍內施工造成的事故、物件生根不牢等其他事故。其中，礦車自由逃逸（跑飛車）事故和帶繩跑車事故占據相當大的比例[1]。本文研究的重點是通過自動化手段降低因跑車造成的事故損失。

1 研究背景

高莊煤業公司某斜巷全長217m，運輸最大距離180m。運輸要求能夠提升兩輛礦車（表1），下車場為120°甩車場，采用JD-2.5型（40kW）調度絞車作為提升設備。絞車及相關安全設施安裝位置見圖1，絞車部分參數見表2。

圖1 現場概況及安全設施示意圖

表1 斜巷參數及提升要求

根據《煤礦安全規程》及公司相關規定，除在上車場安裝“一坡三擋”等安全設施外，為防止絞車在運行過程中出現跑車、溜車等狀況，在下把勾變坡點上方設置了第二道擋車欄，在運輸距離超過100m的巷道必須安設超速捕車器，要求“把鉤人員應根據絞車運行速度及斜巷長度在礦車距離下把勾擋車欄小于100m時方可打開下把勾擋車欄”。

表2 JD-2.5型（40kW）調度絞車部分參數

但在現場操作過程中，存在較多不便。一是受井下環境影響，人員很難判斷礦車位置，經常提前升起或滯后升起擋車欄。提前升起，該擋車欄的作用就大打折扣，滯后升起，就要緊急剎車，對鋼絲繩的使用壽命及絞車狀態產生較大影響；二是人員要走出安全硐室觀察礦車位置，特別是有甩車場的斜巷，把勾人員必須到直巷段才能觀察到礦車位置，從而存在較大的安全隱患。

2 裝置的研究設計

2.1 方案研究

為解決現場存在的安全隱患，保證斜巷運輸安全，在原有安全設施基礎上實現下把勾擋車欄自動升起，高莊煤業公司技術人員進行了大量研究、現場測試。

原有安全設施存在的問題在于：一是需要人工判斷礦車所在位置，并且要完成相關操作，存在判斷不準確性，操作不穩定性；二是人工判斷、操作時要走出安全硐室，存在較大的安全隱患。該設計的目的主要就是克服這兩點，實現擋車欄升降自動化。

針對人員判斷不準確的問題，技術人員設計選用礦車傳感器（電感式接近開關，以下統稱為礦車傳感器），即將礦車傳感器安裝到指定位置，當有礦車通過時，傳感器向裝置主機發出信號，經斜巷運輸擋車欄自起裝置主機對聲信號進行處理，并發出相關指令。同時，通過聲光報警等方式提示下把勾人員礦車已經到達升起擋車欄的位置，擋車欄正在升起時，提醒下把勾人員注意觀察擋車欄是否已升起，如果未升起應立即采取人工升起或打定點停止絞車運行等措施。

2.2 裝置設計

斜巷運輸擋車欄自起裝置主要包括主機（處理器、礦車傳感器、聲光報警模塊）、升降按鈕、動作執行電磁閥及相關連接管線等。

礦車傳感器的安裝。礦車傳感器的安裝位置應根據絞車運行速度、斜巷長度、擋車欄升起所用時間等進行計算。

查閱表2，JD-2.5型（40kW）調度絞車最大繩速為1.46m/s，最小繩速為1.16m/s，平均繩速為1.31m/s，為保證裝置可靠性，取最大繩速為計算速度，即v=1.46m/s。

擋車欄升起速度受壓風風壓大小及巷道高度等因素影響明顯，現場實測擋車欄升起時間一般為3～8s。為確保擋車欄完全升起，技術人員設定擋車欄升起所用時間為t1=10s，同時，為防止特殊情況發生，給人員充足時間處理，設定擋車欄升起時間系數必須大于2，即擋車欄必須在礦車到達前t2=20s完全開啟。所以，從接收到升起擋車欄信號到礦車到達擋車欄位置所用時間應不小于t=t1+t2=30s。根據繩速和所用時間計算，得金屬傳感器安裝位置，即到下把勾擋車欄的距離：

l=vt=1.46×30=43.8m

另外，經測試將傳感器置于礦車輪轂下方為最有效監測點，安裝方式見圖2。因礦車輪轂與兩軌道之間存在間隙，防止礦車運行中偏向某一軌道，造成傳感器檢測不到礦車通過，礦車傳感器安裝時應成對安裝。同時為防止單組傳感器因某些原因檢測失敗，在第一組傳感器上方10m處增設第二組傳感器，保證傳感器檢測效果。

主機、升降按鈕、動作執行電磁閥等可根據需要置于下把勾操作硐室等便于觀察操作地點，并對照工作原理圖（圖3）進行連接。

2.3 裝置工作原理

當有松車任務時，開啟調度絞車，絞車磁力啟動器內松車組接觸器及輔助觸點K1（見圖4）接通，裝置進入檢測階段。當礦車經過傳感器處，傳感器發出信號，處理器接收、處理信號并發出指令，聲光報警發出“礦車到位，擋車欄升起”的提醒，動作執行電磁閥動作，KM1接通，電磁閥到A2位，管路接通，擋車欄升起。待礦車通過后，按下雙聯按鈕降落按鈕，擋車欄落下。如果把勾人員未進行降落擋車欄操作，處理器默認3min后自動降落擋車欄。

圖2 傳感器安裝圖

圖3 擋車欄控制工作原理圖

當有提車任務時，K1輔助觸點不接通，裝置不執行礦車檢測任務，把勾人員按下“升起”按鈕，擋車欄升起，待礦車通過后，按下“降落”按鈕，擋車欄降落，如果自升起3min內未進行降落操作，裝置將自動降落擋車欄，至此裝置、設施全部恢復到初始待命狀態。

根據控制需要及便于調試，技術人員選用西門子S7-200 CPU222作為裝置的處理器，通過編程的方式來完成整個裝置的信息處理及指令發出任務。電氣原理見圖4。

另外，根據檢修測試、應急等需要，在該裝置之外加設了一套手動閥。手動閥與電磁閥用三通并接，能夠單獨完成擋車欄的升降工作，便于日常氣控設施檢修。

圖4 電氣原理圖

3 裝置現場應用

該裝置現已在高莊煤業公司西三某巷道及采區軌道巷等巷道應用。在應用該裝置的斜巷運輸巷道內完全杜絕了因礦車跑飛車、人員為觀察礦車位置等原因造成的人員受傷的運輸事故，有效地保障了人員的安全及公司利益，具有較高的經濟及社會效益。