煤礦井下災區遠距離自動封閉裝置研制與應用

孫 燕 趙曉娥

（山西省大同市同煤集團馬脊梁礦，山西 大同 037002）

1 引言

在火災治理中隔絕滅火法是常用的治理方法，主要是建造密閉墻切斷通過火區的空氣，進而降低氧氣含量，達到滅火目的。密閉墻的建設過程中，火區進、回風側都需要進行封閉，因此在密閉墻施工過程中和封閉通風孔時會由于空氣成分的突變發生二次爆炸事故，造成人員傷亡和財產損失。針對這一問題，馬脊梁礦研制一種用于煤礦井下火災遠距離自動封閉裝置是非常必要的。利用遠距離自動封閉裝置可以遠距離的對通風孔進行封堵，快速封閉火區，消除了密閉墻建設過程中可能發生二次爆炸的隱患。

2 遠距離自動封閉裝置的研制

2.1 遠距離自動封閉裝置的設計思路

根據遠距離自動封閉裝置的功能要求，確定如下設計思路：

（1）確定好密閉門的機械構件，保障封閉作業動作的實施；

（2）確定好制動氣缸，順利實現裝置的關門及鎖緊；

（3）選擇裝置的電控裝置，采用電信號來實現關門及鎖緊的氣動動力閥門的控制；

（4）對裝置進行開門、關門、閉鎖、解鎖等功能的調試。

2.2 遠距離自動封閉裝置的結構分析

研制的新型遠距離自動封閉裝置是與災區火災密閉墻組合作業，從而實現其功能。施工時，先根據災區火災巷道砌筑一定尺度和厚度（≥500mm）的密閉墻，同時將密閉門裝置設置在密閉墻上，組合設置圖如圖1所示。密閉門由門框、門體、氣動裝置、電控裝置、壓緊執行機構組成。

2.2.1 門框的設計制作

從圖1中可以看出，密閉門門框是整體被砌筑在密閉墻之中，用槽鋼焊接；密閉門門體上的密封是通過壓緊機構壓緊在密閉門的密封鋼板上，密封效果理想。密封鋼板背面內邊緣處焊接壓緊楔塊，密封條通過壓緊楔塊壓緊在密封板上。門框和門體相關技術參數如表1所示。

圖1 遠距離自動封閉裝置設置圖

表1 門框和門體相關技術參數

2.2.2 門體的設計

密閉門門體必須具備相當的防爆性能，同時要求門體質量較輕，才能保障密閉門的安裝過程簡便迅速，實現對火區災區的快速封閉。通過試驗，選擇Q235A鋼板來對密閉門門體進行制作，門體中間及周邊區域采用16b槽鋼進行焊接加固，提高門體防爆性能。

2.2.3 壓緊裝置設計

以往密閉門門體與門框之間都是采用剛性連接居多，在該設計當中調整剛性連接為柔性連接。該設計可以將密封條通過壓緊裝置采用多點壓緊的方式壓緊在門框上，密封效果好。壓緊裝置結構示意圖如圖2所示。

從圖2可知，壓緊楔塊被焊接在密封鋼板上，壓緊塊通過螺栓鉸接在門板上，整個機構通過鎖緊氣缸活塞伸縮將動力傳遞給小齒輪，再通過大齒輪、鉸接銷軸、連桿帶動壓緊塊做逆時針轉動。在這一過程當中壓緊塊的轉動會慢慢縮小門板與門框之間的距離，密封條的受壓進一步增大，有效地增加了密封效果。

2.2.4 氣動執行裝置

該設備的氣動控制裝置主要由開關門氣缸、鎖緊氣缸、氣動控制箱三大部分組成。

（1）氣源的選擇

馬脊梁礦井下可以提供兩種氣源。一是由該礦地面空壓機提供的0.8MPa氣源，經過長距離的運行后氣源壓力減小為0.5MPa；二是煤礦救護隊配備的高壓氧氣瓶可以做為氣缸氣源來使用，高壓氧氣瓶壓力可通過減壓閥減小為0.5～0.7MPa之間。在馬脊梁礦火災的緊急救援作業中，由于地面空壓機氣源不太穩定，一般采用高壓氧氣瓶來充當氣缸氣源。

圖2 自動封閉裝置密閉門壓緊裝置示意圖

（2）氣缸的選擇計算

根據裝置的實況，確定選擇JB320×800-B-S型氣缸型號，尺寸15mm×15mm，活塞桿Φ=30mm，缸徑d=80mn，按氣源壓力P=0.7MPa進行計算：

氣缸最大推力：

F推=P·S=0.7 ×π×(80/2)2=3519N

氣缸最大拉力：

F拉=P·S=0.7 ×π×[(80/2)2-(30/2)2]=3024N

2.2.5 電氣控制裝置

按自動封閉裝置的動作技術要求配備電氣控制裝置。電氣控制初步設計完成后存在如下問題：

（1）當完成密閉門的關閉動作后，假定火區有工作人員要經過密閉門時，因關門氣缸和緊鎖氣缸沒有卸壓，無法從密閉門的另一側手動打開密閉門，必須從內部打開密閉門。

（2）氣缸容易推壞活塞桿與其連接的相應構件，導致故障發生頻繁。

對電氣控制裝置進行了以下的調整和完善：對關門氣缸和緊鎖氣缸進行卸壓，將PLC電氣控制裝置中的兩位五通電磁換向閥換成帶中位卸壓功能的三位五通電磁換向閥，調整PLC控制程序，就可以完成卸壓作業，改進后在密閉門的另一側即可手動打開密閉門。在氣缸另一端安裝位置傳感器，調整PLC控制程序，可以有效地保障氣缸的動作位置，不會推壞相應零件。

3 遠距離自動封閉裝置的工作過程分析

遠距離自動封閉裝置研制完成后，按要求將其砌筑在密閉墻中，完成自動封閉裝置的安裝工作。此時密閉門處在打開狀態之下，繼續完成火災巷道密閉墻的建設，保持火災巷道的通風狀態。當密閉墻完成建造后，火災事故救護隊及相關作業技術人員迅速撤離至安全距離250m之處的區域，操作遠距離自動封閉裝置的PLC電氣控制裝置，按下關門按鈕進行關門動作，PLC控制器收到相應信號，發出指令，啟動電磁換向閥向關門氣缸進行供氣，關門氣缸活塞桿進行收縮動作，從而實現密閉門的關閉動作。當位置傳感器檢測到密閉門已到設定位置，發出相應信號，PLC電氣控制裝置接受到信號停止供氣，完成了全部的關門動作。

4 自動封閉裝置試驗演習

2018年10月，將最終研制的災區遠距離自動封閉裝置在同煤集團馬脊梁礦進行了試驗演習操作。模擬火災發生后，由救援隊員在相應區域將密閉門砌在密閉墻內后，接通電氣設備，對遠距離自動封閉裝置的氣密性的操作性能進行檢驗。

4.1 遠距離自動封閉裝置氣密性試驗

2018年10月，在同煤集團馬脊梁礦進行了試驗演習操作，密閉門制作完成后，要對其進行氣密性檢驗試驗。

（1）檢驗要求

該裝置在（500±20）Pa的受壓狀態下泄壓速率應≤350Pa/h。

（2）檢驗位置

遠距離自動封閉裝置門體上旋轉部分和門體與門框之間的密封條的氣密性。

（3）檢驗方法

自動封閉裝置門框上固定一個密封箱；在密封箱一頭設置一個進氣口，安裝閥門，接空壓機；在密封箱另一頭設置一個出氣口，安裝閥門，接U型壓差計。

（4）檢驗前準備工作

檢驗前必須關閉密封箱的出氣口閥門，同時向箱體內通氣，用刷子蘸一定量的肥皂水涂在連接處，進行滲漏現象的檢驗。無滲漏現象表明檢驗裝置合格，可以正常使用。打開出氣口閥門，觀察U型壓差計，壓力穩定在（500±20）Pa，檢測結果表明1h內氣壓下降量為100Pa，表明研制的遠距離自動封閉裝置氣密性合格。

4.2 遠距離自動封閉裝置操作演習試驗

在演習過程中自動封閉裝置的操作簡單，在250m外遠距離啟動電動控制按鈕能順利地實現對風門的開啟關閉動作，反復操作五次都能完成預期設計要求，井下壓風系統氣源和自帶的壓縮氧氣瓶氣源均能使用。操作演習試驗達到設計要求，能夠實現各項功能。