斜巷擋車欄的強度分析與改進

內(nèi)蒙古白音華海州露天煤礦有限公司 內(nèi)蒙古西烏珠穆沁旗 026200

目 前，我國煤礦井下輔助運輸仍以軌道運輸為主，采用斜巷絞車提升下放車輛的軌道運輸是煤礦輔助運輸中的重要環(huán)節(jié)[1-2]。斜巷系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)施較多，不確定因素多、參數(shù)變化大，加之操作程序復(fù)雜、操作人員素質(zhì)參差不齊等的影響，跑車事故時有發(fā)生，直接威脅礦井安全生產(chǎn)和職工生命安全，同時帶來較大的經(jīng)濟損失。

為此，《煤礦安全規(guī)程》(2016 年版) 第八十條規(guī)定：“開鑿或者延深斜井、下山時，必須在斜井、下山的上口設(shè)置防止跑車裝置”[3]27；第三百八十七條要求，傾斜井巷內(nèi)使用串車提升時，必須設(shè)置跑車防護裝置，在規(guī)定的各位置點安放阻車器[3]148。

礦井斜巷常用的跑車防護裝置為擋車欄 (擋車門)，它是安裝在上、下山，防止礦車跑車事故的安全裝置，是在傾斜井巷內(nèi)安設(shè)的能夠?qū)⑦\行中斷繩或脫鉤的車輛阻止住的跑車防護裝置之一。其形式有：左右開啟的門式、上下起落的擋杠式、網(wǎng)式和地升式。按照原煤炭工業(yè)部 (〔1996〕第 615 號) 下發(fā)的《礦井斜巷防跑車和跑車防護裝置基本技術(shù)要求》：當(dāng)車輛以正常速度運行時，必須能順利通過；當(dāng)發(fā)生跑車時，必須能有效地攔住車輛。筆者以某煤礦 N2采區(qū)輔助運輸上山 (斜長 550 m，坡度為 12°) 為例，假定在 N2-335 甩車場和轉(zhuǎn)換道岔時，串車脫鉤跑車，對上、下?lián)踯嚈谶M行強度校核。

1 沖擊能量

絞車一次提升，串車在上部甩車道岔前自由跑下，撞擊擋車欄所產(chǎn)生的沖擊能量

式中：n為絞車一次提升最大拉車數(shù)量，臺；m為礦車載質(zhì)量，kg；mz為礦車質(zhì)量，kg；v0為礦車開始跑車時的速度，m/s；g為重力加速度，取 9.80 m/s2；L為礦車開始跑車到上部或下部擋車欄的距離，m；α為巷道傾角，(°)；f1為礦車運行阻力系數(shù)，一般取0.015～0.020。

2 對擋車欄的沖擊力

2.1 單臺礦車

單臺礦車脫鉤跑車時，對擋車欄產(chǎn)生的沖擊力

式中：vt為礦車在碰撞時的速度，m/s；W1為單臺礦車跑車時對擋車欄產(chǎn)生的沖擊能量，J；t為礦車與擋車欄碰撞的時間，柔性擋車欄一般取 0.25 s，剛性擋車欄一般取 0.20 s。

2.2 多臺礦車

串掛的多臺礦車[4]與擋車欄碰撞時，由于前后 2臺礦車間距離很小，當(dāng)?shù)?1 臺礦車的撞擊過程尚未完成時，又被第 2 臺礦車撞擊，因而出現(xiàn)撞擊重疊效應(yīng)。因此，計算串掛車輛的總沖擊力時，每臺車都應(yīng)考慮增加一個小于 1 的疊加系數(shù)ξi[4-5]。

串掛的多臺礦車跑車時，對擋車欄產(chǎn)生的總沖擊力

式中：i為串掛礦車的數(shù)量，臺；ξi為靠近尾車第i臺礦車的疊加系數(shù)，ξi=1.1 -0.2i。

通過上述分析，結(jié)合 N2 采區(qū)輔助運輸上山的相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算，得出發(fā)生跑車時，礦車對上、下兩部擋杠式擋車欄所產(chǎn)生的沖擊能量和沖擊力，結(jié)果如表 1 所列。采用相同分析方法，若采用網(wǎng)式擋車欄，其所受到的沖擊能量和沖擊力如表 2 所列。

對比表 1、2 可知：在同一坡度時，載荷越大、跑車距離越長，沖擊時間越短，沖擊能力越大，爆發(fā)出的沖擊力越大，造成的破壞也越大。

3 擋杠式擋車欄的強度校核

為確保擋車欄對失控車輛的阻攔效果，對現(xiàn)用擋車欄進行校核[6]。擋車欄的擋杠上某點的抗彎極限沖力

式中：δb為擋杠的強度極限，12 號礦用工字鋼取 600 MPa，20b 普通工字鋼取 460 MPa；Wx為擋杠所用型材的抗彎模量，cm3；L為擋杠最下端到碰頭或最上端等某一位置的長度，m。

表1 跑車時擋杠式擋車欄所受沖擊力Tab.1 Impact of bar-typed tramcar stop at time of tramcar being out of control

表2 跑車時網(wǎng)式擋車欄所受沖擊力Tab.2 Impact of net-typed tramcar stop at time of tramcar being out of control

利用式 (4) 校核跑車時碰頭處的抗極限沖擊力F碰和擋車欄上端、固定座的抗極限沖擊力F頂，結(jié)果如表 3 所列。

表3 擋杠式擋車欄的強度校核結(jié)果Tab.3 Strength checking results of bar-typed tramcar stop

由表 3 可知，采用 12 號礦用工字鋼制作的擋杠在抗極限沖擊力方面，僅僅滿足 N2 采區(qū)輔助運輸上山上部擋車欄要求，最下端安裝的擋車欄無法有效阻擋失控車輛；在選用相同單重、抗彎模量較大的 20b普通工字鋼后，擋杠的抗極限沖擊力增大，擋車效果有所改善。

4 網(wǎng)式擋車欄強度校核

假定 N2 采區(qū)輔助運輸上山使用網(wǎng)式擋車欄，對其進行強度校核。網(wǎng)式擋車欄均采用 4 根φ24.5 mm鋼絲繩和板式繩卡及地腳螺栓緊固，受力均勻。

網(wǎng)式擋車欄所承受的最大剪切力

式中：n2為網(wǎng)式擋車欄地腳螺栓或固定鋼絲繩螺栓的總數(shù)量，個；Fτ為網(wǎng)式擋車欄每條地腳螺栓或固定鋼絲繩螺栓所受徑向剪切力，N。

網(wǎng)式擋車欄所產(chǎn)生的最大拉力

式中：N1為網(wǎng)式擋車欄每條地腳螺栓或固定鋼絲繩螺栓的軸向緊固力，N；μ為網(wǎng)式擋車欄固定鋼絲繩壓板與鋼絲繩之間摩擦因數(shù)，取 0.15。

經(jīng)計算，網(wǎng)式擋車欄所受最大剪切力和產(chǎn)生的最大拉力如表 4 所列。

表4 網(wǎng)式擋車欄的強度校核結(jié)果Tab.4 Strength checking results of net-typed tramcar stop

由表 4 可知：在斜巷發(fā)生跑車過程中，網(wǎng)式擋車欄提供的抗極限沖擊力是固定的，主要受限于 M20螺栓的拉力，同樣不能有效阻止失去控制的車輛。

5 改進措施

5.1 擋杠式擋車欄的改進

(1) 用抗彎模量大的型鋼替代 12 號礦用工字鋼制作擋杠，增加其抗沖擊能力，并將擋杠的開啟機構(gòu)改成拉力更大的電動或液壓驅(qū)動。

(2) 在擋杠的下端設(shè)置緩沖氣缸或緩沖液壓缸，延長脫鉤礦車與擋車欄碰撞時間，降低沖擊力。

(3) 將固定式擋杠改為滑動式，并設(shè)緩沖彈簧或緩沖鋼絲繩[7]，增加撞擊作用時間，減少沖擊力。

(4) 將擋杠加寬至軌道同寬，并與軌道有效搭接，失控車輛沿擋杠撞擊巷道頂板，使失控車輛掉道，終止跑車。

5.2 網(wǎng)式擋車欄的改進

(1) 在地錨壓板上加鑄襯墊，增大摩擦因數(shù)，失控車輛帶動鋼絲繩一同滑動，通過摩擦力消耗部分動能。

(2) 將地錨壓板改成緩沖氣缸或緩沖液壓缸，增加碰撞時間，減小礦車對擋車網(wǎng)的沖擊。

(3) 采用新型材料替代鋼絲繩，提高擋網(wǎng)的強度，增加網(wǎng)與緩沖裝置連接的可靠性。

6 結(jié)語

經(jīng)對煤礦斜巷用擋桿式和網(wǎng)式擋車欄進行強度分析，可知某煤礦 N2 采區(qū)輔助運輸上山采用的 2 種擋車欄在強度方面均不能有效阻止失控車輛，特別是絞車道最下端安裝的擋車欄更是無法阻擋車輛。針對上述問題，筆者提出相應(yīng)的改進措施，重新制作擋車欄并安裝在煤礦廢舊傾斜巷道內(nèi)，進行跑車試驗，其阻擋效果明顯增加，能夠有效控制車輛繼續(xù)運動，將受波及區(qū)域控制在最小范圍，保證作業(yè)人員及大巷人員的安全，為煤礦輔助運輸?shù)陌踩\行積累了經(jīng)驗。