煤礦斜巷運輸行車安全防護(hù)系統(tǒng)概述及設(shè)計

謝永利，楊 征，李戰(zhàn)海，黃永安，張慧峰，鄭 昕，李盟潔，李茂慶

(1.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719302；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；3.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤炭是我國的主體能源。在我國的能源工業(yè)中，煤炭占我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中的70%左右，預(yù)計到2050年還將占到50%以上[1]。在煤礦生產(chǎn)過程中，井下作業(yè)一旦發(fā)生安全事故，就會對井下工作人員造成極大的安全隱患，當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，對煤炭行業(yè)安全健康發(fā)展提出了更高的要求，要不斷加強和完善煤炭安全管理系統(tǒng)，促進(jìn)我國煤炭行業(yè)健康、持續(xù)的發(fā)展[2]。

礦井輔助運輸是煤礦運輸系統(tǒng)的重要組成部分，也是礦井安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，主要擔(dān)負(fù)煤礦生產(chǎn)中的材料、人員、設(shè)備等運輸任務(wù)，輔助工作條件的優(yōu)劣將直接影響礦井的生產(chǎn)和安全，近年來，關(guān)于如何提升礦井輔助運輸安全也進(jìn)行了相關(guān)的研究和探討[3-7]。其中，煤礦斜巷運輸環(huán)節(jié)多、戰(zhàn)線長、分布面廣，應(yīng)用的地理環(huán)境復(fù)雜多變，一些急彎銜接和洞內(nèi)視線環(huán)境影響，對行車安全操作和安全防護(hù)手段要求較高。尤其是隨著無軌輔助運輸技術(shù)的不斷發(fā)展[8]，載重汽車、無軌膠輪車等由于其較高的運輸效率、優(yōu)異的性能，在井下使用頻率愈加頻繁[9-10]，其中有的小絞車流動性強，這容易導(dǎo)致各種運輸事故。在這些事故中，斜井巷跑車事故是危險性最大，也是較易發(fā)生的一類事故[11-12]。

鋼絲繩牽引礦車組在傾斜井巷中運行時，可能因斷繩或連接裝置斷開或脫鉤，礦車向下墜落；也有因在傾斜井巷上口的摘掛鉤操作失誤，造成礦車向下飛車，無軌膠輪車發(fā)生剎車失靈出現(xiàn)失速，這種現(xiàn)象通稱為斜井跑車，極易造成人身傷亡。傾斜井巷發(fā)生跑車的多為重車或超重車，除可能造成車輛、軌道、巷道的損壞外，還可能撞壞電源主線路和風(fēng)、水干管等重要設(shè)施，可導(dǎo)致礦井生產(chǎn)中斷，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，探索提升煤礦輔助運輸安全的有效途徑，尤其是對斜井巷道行車安全防護(hù)，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 行車安全防護(hù)設(shè)施的設(shè)計方案

斜巷運輸一旦有失速事故發(fā)生就會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，更為嚴(yán)重的甚至可能造成人員傷亡。目前的防跑車系統(tǒng)大多是針對于軌道運輸車輛，是一種被動的阻攔機(jī)構(gòu)，并不適用于井下無軌膠輪車的失速阻攔。以陜北榆神礦區(qū)小保當(dāng)?shù)V井為例，根據(jù)礦區(qū)實際，設(shè)計了一套行車安全防護(hù)設(shè)施系統(tǒng)，該防護(hù)系統(tǒng)能多方位對失速車輛進(jìn)行攔截，實現(xiàn)柔性阻車，進(jìn)一步提高礦井輔助運輸斜巷行車安全性。

1.1 整體設(shè)計

行車安全防護(hù)設(shè)施系統(tǒng)主要有3個部分，新型礦用阻車器、礦井安全防護(hù)裝置和行車安全緩沖裝置。小保當(dāng)一礦副斜井全長約3 800 m，坡度6°，設(shè)2處彎道，彎道半徑50 m，從經(jīng)濟(jì)性、事故發(fā)生概率和頻率等方面考慮，在礦道直行路段分別布置阻車器和行車安全緩沖裝置，在行車方向急轉(zhuǎn)彎路段布置納米吸能安全防護(hù)裝置，整體防護(hù)設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 小保當(dāng)行車安全防護(hù)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of driving safety protection system

1.2 新型阻車器

煤礦副斜井阻車裝置主要包含了3個子系統(tǒng)，分別是阻車裝置、測速及遙控裝置、控制系統(tǒng)。其中阻車裝置包含解鎖機(jī)構(gòu)、阻車泡沫和吸能結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)包含控制器、下位機(jī)、聲光信號等。阻車裝置如圖2所示。阻車裝置安裝在煤礦巷道硐室。當(dāng)車輛速度超過限速時，測速及遙控系統(tǒng)做出響應(yīng)，控制系統(tǒng)對速度信號和遙控信號進(jìn)行分析判斷，阻車裝置從巷道硐室滑出，對失速車輛進(jìn)行柔性阻車。當(dāng)發(fā)生車輛脫檔、剎車失靈、司機(jī)操作失誤等現(xiàn)象時，除了限速裝置會及時動作外，硐室工作人員亦可手動啟動阻車裝置，防止車輛損壞和人員傷亡等重大安全事故。

圖2 阻車器阻車裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of vehicle arresting device

1.3 納米吸能安全防護(hù)裝置

由于礦井實際情況復(fù)雜，失速原因多樣，為了保護(hù)礦道附屬設(shè)施，減少人員傷亡，在煤礦斜巷道路兩側(cè)壁安裝納米吸能安全防護(hù)裝置，目前礦井大多數(shù)采用墻壁懸掛橡膠輪胎進(jìn)行防護(hù)，吸能效果較差，且極易發(fā)生大變形回彈。納米吸能安全防護(hù)裝置是一款應(yīng)用于特殊路段的行車安全防護(hù)設(shè)施，該防護(hù)設(shè)施可設(shè)置在隧道、彎道、懸崖路段、長大下坡等高危路段。為了符合煤礦巷道運輸實際需求及滿足相關(guān)礦用標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計了一款礦用納米吸能安全防護(hù)護(hù)欄，用于巷道急轉(zhuǎn)彎路段。該安全防護(hù)設(shè)施主要由防撞標(biāo)準(zhǔn)塊和錨固緊固組件組成，防撞標(biāo)準(zhǔn)塊包括立柱、箱體、轉(zhuǎn)珠、彈簧和納米流體耗能體組成。當(dāng)車輛失速后時，納米吸能安全防護(hù)裝置受到?jīng)_擊時，依次發(fā)生導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)，耗能核壓縮，吸能體壓縮，導(dǎo)向輪壓縮，多級耗能，效果顯著，可以使失速車輛平穩(wěn)停車，如圖3所示。

圖3 納米吸能安全防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of nano energy absorbing safety protection device

1.4 行車安全緩沖裝置

行車緩沖裝置是專用于礦道行車安全設(shè)計的一款礦用防撞墊，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)向板、磨阻塊，防撞端游、伸縮支架以及動力裝置組成。目前煤礦大多采用簡易砂桶進(jìn)行防護(hù)，剛性較強，一旦發(fā)生碰撞對車輛人員傷害較大。當(dāng)車輛失速時，車輛駕駛員可以主動選擇碰撞行車緩沖裝置，避讓其他重要附屬設(shè)施，行車緩沖裝置采用了納米吸能新材料，防護(hù)效果良好，是行車安全防護(hù)系統(tǒng)的一個重要組成部分。

圖4 行車安全緩沖裝置示意Fig.4 Schematic diagram of driving safety buffer device

根據(jù)小保當(dāng)一號井副斜井巷道實際，對礦道斜井運輸行車安全防護(hù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究和設(shè)計，整套設(shè)計充分考慮了不同失速情況，對煤礦斜井運輸及井下工作人員實現(xiàn)多重、全方位防護(hù)，各部分防護(hù)設(shè)施相互配合，相互補充，有效減少碰撞對巷道附屬設(shè)施破壞的概率，降低了對煤礦井下工作人員的傷害。此研究設(shè)計也對煤礦附屬運輸安全，尤其是對煤礦斜巷運輸行車安全防護(hù)研究提供了參考，可以根據(jù)煤礦實際地質(zhì)及位置情況進(jìn)行設(shè)計。

2 存在的問題及發(fā)展趨勢

2.1 礦道行車安全防護(hù)存在的問題

目前，在煤礦生產(chǎn)運輸中，為了預(yù)防斜巷跑車事故的發(fā)生，設(shè)計了多種形式的斜巷跑車防護(hù)裝置，主要有彈簧緩沖、鋼帶變形能緩沖、摩擦盤緩沖以及鋼絲繩變形能緩沖等，均為部分防護(hù)。針對煤礦副斜井輔助運輸，尤其是對行車安全防護(hù)設(shè)施系統(tǒng)的研究較少。

2.1.1 煤礦地質(zhì)情況復(fù)雜，難以建立統(tǒng)一防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

由于技術(shù)和地理條件的限制，煤礦運輸巷道斷面小，運輸路線長，暗斜井多，拐彎半徑小，且不同地區(qū)煤礦地質(zhì)差異較大，副斜井運輸情況復(fù)雜，難以建立統(tǒng)一的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 運輸管理體制落后，行車安全防護(hù)重視不足

由于很多煤礦建設(shè)時期較早，沒有統(tǒng)一規(guī)劃，對運輸物料、人員布局不合理，經(jīng)常出現(xiàn)超重、超拉、超寬、超高，造成巷道擁擠，次序混亂。煤礦事故中瓦斯爆炸、地面塌陷、煤礦透水等事故多發(fā)，因此關(guān)于煤礦安全的研究主要集中在生產(chǎn)安全方面，對運輸安全系統(tǒng)研究較少，因而對煤礦斜巷運輸行車安全防護(hù)重視不足，而行車安全具有極大的不確定性、偶然性，需要引起重視。

2.1.3 工作人員操作不規(guī)范，運輸車輛維護(hù)不足

在煤礦實際生產(chǎn)運輸過程中，部分司機(jī)無證開車，或者開車制動行為不規(guī)范，應(yīng)對故障技術(shù)能力不足，應(yīng)對突發(fā)事件能力不足。同時，由于井下運輸車輛復(fù)雜，且車輛維護(hù)不足，不能及時發(fā)現(xiàn)車輛故障，存在極大的運輸安全隱患。

2.2 礦道行車安全防護(hù)發(fā)展趨勢

煤礦輔助運輸安全越來越得到相關(guān)部門及管理者的重視，設(shè)計新型的無軌膠輪車安全防護(hù)裝置是煤礦井下斜巷運輸必不可少的安全措施之一，也是未來井下安全的一個發(fā)展趨勢。

2.2.1 推進(jìn)煤礦斜巷運輸安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化改革

標(biāo)準(zhǔn)化、制度化是指導(dǎo)和規(guī)范煤礦輔助運輸安全設(shè)計的重要基礎(chǔ)。相關(guān)管理部門和領(lǐng)域?qū)＜乙涌烀旱V輔助行車運輸行業(yè)及防護(hù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的建立。同時，創(chuàng)建先進(jìn)、合理的防護(hù)典范工程，積極推進(jìn)斜井運輸安全防護(hù)新技術(shù)、新裝備在生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2.2.2 做好煤礦安全教育培訓(xùn)工作常態(tài)化

人是所有業(yè)務(wù)的核心要素。要加強對管理人員、技術(shù)人員、操作人員的培訓(xùn)。加強學(xué)習(xí)和安全宣傳教育，增強員工的安全意識，提高員工業(yè)務(wù)水平，經(jīng)常開展規(guī)章制度、事故案例以及業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)教育。

2.2.3 提高煤礦綜合管理水平，嚴(yán)格落實追責(zé)制度

安全工作重在落實。煤礦經(jīng)營和管理者，要提高煤礦綜合管理水平。相關(guān)管理部門要嚴(yán)格落實各項法律法規(guī)制度，做到有法可依，對存在隱患拒不處理，對重大事件及隱患要追究有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的責(zé)任。

2.2.4 積極推進(jìn)安全防護(hù)新技術(shù)、新裝備的應(yīng)用

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也為煤礦輔助運輸安全提供了新的可能，安全防護(hù)是運輸設(shè)備所必須的，斜井防護(hù)裝置尤為重要，齊全、性能優(yōu)越的各種安全防護(hù)裝置的應(yīng)用為斜井行車安全運輸提供了保障，無人駕駛等技術(shù)也為運輸安全提供了新的可能。

3 結(jié)語

介紹了我國煤礦斜巷運輸行車安全防護(hù)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，并以陜北榆神礦區(qū)小保當(dāng)?shù)V井實際為例，設(shè)計了一套礦井斜巷行車安全防護(hù)設(shè)施系統(tǒng)，該防護(hù)系統(tǒng)能多重全方位對斜巷運輸安全進(jìn)行防護(hù)，減小井下車輛和人員損傷概率。通過對我國煤礦斜巷運輸行車安全防護(hù)現(xiàn)狀的分析，指出目前我國煤礦行車安全防護(hù)系統(tǒng)存在的問題，并對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。