一種煤礦井下電動防爆專用救援保障車的性能設(shè)計

高昌樂

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

0 引言

目前國內(nèi)礦井專用救援保障技術(shù)與西方發(fā)達(dá)國家相比較為落后，特別是供救援隊員使用的井下專用救援保障車基本為零，國外井下快速機(jī)動救援車輛均為防爆柴油機(jī)車輛，若發(fā)生礦難事故后，井下存在無氧、有毒氣體等危險環(huán)境，防爆柴油機(jī)車輛均無法正常運(yùn)行[1]。

按照傳統(tǒng)的救援方式，救援人員要從井口步行至事故地點(diǎn)。每次入井救援人員需佩戴或配用約16 kg的氧氣呼吸器，攜帶約15 kg的救援工具、設(shè)備等，通常井下救援人員的行走速度最快僅能達(dá)到4～5 km/h。救援人員抵達(dá)事故現(xiàn)場困難，拖延寶貴的救援時間，降低被救人員的生存率，不利于救援工作的快速開展[2]。此外，救援人員所攜帶的呼吸器最大續(xù)航時間僅為4 h，救援人員井下工作時間有限，影響救援人員的有效救援時間，無法對超過距井口10 km甚至更遠(yuǎn)的距離進(jìn)行施救；在井下救援工作中，地面指揮人員與井下的通訊全靠救援人員下井過程中攜帶的有線步話機(jī)，進(jìn)行簡單的通話溝通，使得地面指揮人員無法準(zhǔn)確地掌握井下情況，無法進(jìn)行精確的救援指導(dǎo)和保障工作；井下救援存在無氧、有毒氣體、巷道巖土松動等危害及不確定環(huán)境，對井下救援人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅[3]。救援人員步行下井進(jìn)行施救工作，暴露在危險環(huán)境下的時間較長，因此存在較高的安全風(fēng)險，危及救援人員的生命健康[4]。

救援效率低、救援能力差、工作強(qiáng)度大、通信難度大、安全風(fēng)險高，嚴(yán)重制約了井下救援工作的順利開展。因此，迫切需要研制一種以防爆電池為動力源，能夠在井下無氧、有毒氣體等危害環(huán)境中行駛的車輛，運(yùn)送救援人員下井，從而替代救援人員步行下井的工作模式，同時在車上搭載可在爆炸性環(huán)境中正常運(yùn)行的通訊指揮系統(tǒng)、車載供氧系統(tǒng)，具備車內(nèi)環(huán)境檢測、災(zāi)區(qū)氣體監(jiān)測、有線和無線通信、警示、廣播等[5]。提高救援效率、救援能力，降低救援人員工作強(qiáng)度和安全風(fēng)險。

1 救援保障車組成

救援保障車為機(jī)、電、液一體化產(chǎn)品，應(yīng)用于發(fā)生礦難事故后，運(yùn)送救援人員下井進(jìn)行救援[6]。該車以防爆鋰電池組為動力，永磁防爆電動機(jī)為動力輸出，采用兩軸設(shè)計，整車主要由車架、車身、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、車輪、懸架、制動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、動力電池和電氣系統(tǒng)等組成。各系統(tǒng)在設(shè)計時將結(jié)構(gòu)緊湊和增加效率作為整車設(shè)計的兩大原則，并具有防爆功能[7]。

救援保障車的主要技術(shù)方案包括以下幾個方面。①救援保障車為電動車，乘員數(shù)12人(包括司機(jī))，駕駛室布置3個座椅，后部為人員及設(shè)備倉，整車以防爆鋰電池為動力源，防爆電機(jī)為動力輸出，采用兩軸設(shè)計，前橋為轉(zhuǎn)向橋，四輪驅(qū)動。②整車采用4組電池，動力系統(tǒng)中置，電池箱位于車輛中部兩側(cè)，保證良好的前后軸載比例，提高操作的平順性。③前、后懸為少片變截面鋼板彈簧，有利于減小輪胎磨損，提高駕駛和乘坐舒適性。④設(shè)計專用車架，由位于兩邊的縱梁和若干橫梁組成，結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強(qiáng)，便于其他零部件和總成的安裝；車身為非承載式車身，車身上有多個維修門，便于維修[8]。⑤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，技術(shù)成熟穩(wěn)定、可靠性高，即使車輛的液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，失去助力，還是能夠依靠機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，由于液壓助力的作用，減輕了駕駛員的工作強(qiáng)度。⑥制動系統(tǒng)采用濕式制動器，散熱好，體積小，制動轉(zhuǎn)矩大，熱穩(wěn)定和制動穩(wěn)定性好，壽命長，滿足井下制動防爆要求。⑦電池管理系統(tǒng)收集、處理電池組實時信息，記錄分析電池組的剩余容量和累計使用時間，預(yù)測電池組的壽命周期，提供電池組故障報警、維護(hù)提醒，以及緊急情況實時報警；整車控制系統(tǒng)實現(xiàn)整車及動力系統(tǒng)控制和管理，提升整車性能。

2 救援保障車功能

礦井專用救援保障車的主要功能包括以下幾個方面：①整車設(shè)計一體化布局[3]。救援裝備的模塊化設(shè)計布局、液壓模塊設(shè)計布局、電氣驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計布局。②救援保障車應(yīng)急通訊系統(tǒng)的研制。無線通訊系統(tǒng)、有線通訊系統(tǒng)。③氣體監(jiān)測系統(tǒng)。車內(nèi)外環(huán)境氣體檢測。④救援保障車載供氧系統(tǒng)研究。供氧系統(tǒng)模式的研究、供氧系統(tǒng)模塊設(shè)計。⑤其它系統(tǒng)研究。車輛自救系統(tǒng)研究、車輛警示和擴(kuò)音系統(tǒng)[9]。

2.1 車身一體化布局

救援保障車由前倉、駕駛室、人員設(shè)備倉3個倉室及四驅(qū)底盤組成，整車布置的主要特點(diǎn)為：①為保證整車人員及設(shè)備布置空間，要考慮車輛離去角、接近角、轉(zhuǎn)彎半徑等因素，整車6 310 mm×1 950 mm×2 350 mm(長×寬×高)，軸距3 450 mm，接近角大于35°，離去角大于16°。②前倉內(nèi)主要放置液壓動力站及液壓自救絞盤；駕駛室布置3個座椅，副駕座椅下方放置電氣控制箱；人員設(shè)備艙內(nèi)放置9個座椅，4組電池箱放置在整車中部兩側(cè)座椅下方，右側(cè)電池箱上方設(shè)置儲物柜，用于集中存放救援設(shè)備及通訊設(shè)備；車廂尾部安裝光纜防線裝置，用于通訊光纜收放[10]。③前橋為轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，雙電機(jī)中間布置，分別驅(qū)動前后橋。

2.2 通訊指揮系統(tǒng)

救援保障車配置應(yīng)急救援無線通訊系統(tǒng)，系統(tǒng)包含11臺無線基站、2臺固定基站及相關(guān)設(shè)備箱。系統(tǒng)基于WiFi-MESH數(shù)字通訊技術(shù)，在地面救援指揮中心、井下救援基地、救援隊員之間建立穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。從地面指揮中心到井下救援基地采用有線光纜連接，從井下救援基地到救援災(zāi)區(qū)采用無線MESH移動基站級聯(lián)。井下救援基地提供整套的救援通信附加功能，可以實現(xiàn)救援隊員的語音、視頻數(shù)據(jù)、定位服務(wù)等與地面指揮中心的數(shù)據(jù)交互。救援點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)(紅外攝像頭)采集、救援人員定位、語音與地面各級指揮中心的通信實時連接。應(yīng)急救援通訊網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 應(yīng)急救援通訊網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Emergency rescue communication network

無線移動基站型號：WRN，單臺無線基站無線傳輸直線距離為500～2 000 m，11臺設(shè)備可形成11級網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面最大可達(dá)22 km。無線基站如圖2所示。

圖2 無線基站Fig.2 Wireless base station

固定基站型號：KT112-F，設(shè)有4個有線接入口，傳輸方式為單模光纖。固定基站如圖3所示。

圖3 固定基站Fig.3 Fixed base station

2.3 有線通訊光纜布線裝置布纜

救援保障車配置人工輔助布纜裝置，該裝置主要由放纜支架、可調(diào)阻尼芯軸、阻尼調(diào)整手柄、光纜輥鎖緊手輪、放纜導(dǎo)向輪組、防護(hù)罩、光纜輥等機(jī)構(gòu)組成。該裝置能夠在較短時間內(nèi)完成光纜輥的更換及重新展開布纜工作，布纜速度最高可達(dá)12 km/h，操作人員不超過2名。

人工輔助布纜裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，當(dāng)跟隨放纜時，設(shè)備將隨著車輛行進(jìn)，操作人員監(jiān)控光纜放線狀態(tài)，將光纜鋪設(shè)在車輛行駛過的路徑上，光纜的拉力始終維持在光纜許可范圍以內(nèi)。在放線過程中，阻尼調(diào)整手柄工作在有阻尼檔位，可以執(zhí)行調(diào)整阻尼檔位、停止放線等操作。當(dāng)人工放纜時，此狀態(tài)主要適用于車輛無法進(jìn)入，需要操作人員親自拖拽光纜進(jìn)入的場合。在此模式下，阻尼調(diào)整手柄工作在無阻尼檔位，操作人員將直接卷放光纜，設(shè)備僅提供必要的保持拉力，以保證光纜拖拽時不出現(xiàn)松散現(xiàn)象。當(dāng)每輥光纜放線完成后，將阻尼調(diào)整手柄打至“鎖定”檔位，芯軸不再轉(zhuǎn)動，通過松動鎖緊手輪，將光纜輥從左側(cè)抽出，將新的光纜輥子從左側(cè)放入芯軸，再通過鎖緊手輪將其鎖定在芯軸上，將阻尼調(diào)整手柄打至“無阻尼”“有阻尼”檔位，即可展開新的工作循環(huán)。

圖4 人工輔助布纜裝置Fig.4 Manual auxiliary cable laying device

2.4 環(huán)境氣體監(jiān)測

為滿足井下救援時氣體監(jiān)測需求，單獨(dú)配備氣體監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氣體監(jiān)測傳感器及顯示屏組成，具備實時車內(nèi)外環(huán)境氣體監(jiān)測功能，可檢測O2、CO、CH4、NO2等氣體濃度。并具備氣體濃度超標(biāo)時進(jìn)行報警功能，數(shù)據(jù)傳輸功能及實時顯示功能。

2.5 氧氣供給

車載供氧系統(tǒng)，配備成套供氧設(shè)備，確保與救援隊員供氧設(shè)備快速對接，供氧量可滿足救援小隊12人4 h氧氣供給，大大增加救援隊員井下救援時間。

2.6 自救功能

駕駛室前倉配備5 T牽引絞盤一臺，確保救援保障車井下陷車時，通過自動絞盤能夠?qū)⒄嚴(yán)鹱跃萚11]。絞盤選用毅源傳動設(shè)備有限公司產(chǎn)品，產(chǎn)品型號：YVH12000。

絞盤參數(shù)見表1。牽引絞盤如圖5所示。

圖5 牽引絞盤Fig.5 Towing capstan

表1 YVH12000參數(shù)Table 1 The parameters of YVH12000 capstan

2.7 警示功能

救援保障車配備高音喇叭，能夠在井下通過擴(kuò)音器通知警示救援人員，左前方設(shè)置爆閃警示燈，讓車輛周邊人員可在災(zāi)區(qū)快速識別救援保障車輛位置，起到警示作用[12-13]。

3 結(jié)論

隨著國家對礦業(yè)生產(chǎn)安全的重視程度越來越高，對于煤礦事故應(yīng)急處理技術(shù)手段的要求也隨之增高。文中研究內(nèi)容填補(bǔ)了國內(nèi)電動防爆礦井專用救援保障車的空白，在發(fā)生礦難事故后，能有效、快速開展井下無氧、有毒氣體等惡劣危險環(huán)境中的救援行動，確保事故發(fā)生后最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。產(chǎn)品的推廣應(yīng)用將逐步替代井下步行救援的工作模式，提高救援中心整體救援能力，對維護(hù)人民群眾的生命安全和社會穩(wěn)定有積極的影響。