風(fēng)門機(jī)械閉鎖裝置的優(yōu)化改造研究

吳前進(jìn)

（沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦， 山西 晉城 048205）

引言

煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)門因通車、行人需要，經(jīng)常出現(xiàn)兩道風(fēng)門同時(shí)被打開的情況，易發(fā)生風(fēng)流短路或瓦斯超限事故，一般采用風(fēng)門閉鎖裝置的辦法解決這一問題。當(dāng)前煤礦井下風(fēng)門閉鎖裝置有電動(dòng)式、風(fēng)動(dòng)式和機(jī)械式三大類。風(fēng)門機(jī)械式閉鎖裝置應(yīng)用范圍廣，具有生產(chǎn)成本低、性能可靠、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛[1-3]。沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦井下風(fēng)門采用的是重錘+限位鎖閉鎖裝置，應(yīng)用效果理想，但是當(dāng)巷道相對(duì)較矮時(shí)，該重錘+限位鎖閉鎖裝置因重錘行程限制而無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)閉鎖。

1 重錘+限位鎖風(fēng)門閉鎖系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)分析

永安煤礦井下巷道風(fēng)門采用的重錘+限位鎖風(fēng)門閉鎖系統(tǒng)如圖1 所示，主要由導(dǎo)向滑輪、閉鎖器、改向滑輪、聯(lián)鎖鋼絲繩、反向滑輪、柱狀重錘、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、底座、筒狀滑槽等部件組成。閉鎖器由支架、兩個(gè)滑道、兩個(gè)重錘、閉鎖板組成，為重錘+限位鎖風(fēng)門閉鎖系統(tǒng)核心部分；兩根聯(lián)鎖鋼絲繩分別連接閉鎖器左右重錘和左右風(fēng)門扇；導(dǎo)向滑輪、改向滑輪和反向滑輪主要是吊掛鋼絲繩并起到調(diào)整鋼絲繩受力方向的作用。

圖1 重錘+限位鎖風(fēng)門機(jī)械閉鎖系統(tǒng)示意圖

1.2 工作原理

重錘+限位鎖風(fēng)門閉鎖系統(tǒng)在井下單扇風(fēng)門和雙扇風(fēng)門中均可以有效實(shí)現(xiàn)閉鎖，保障井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全。其工作原理為：當(dāng)打開左側(cè)風(fēng)門時(shí)，左側(cè)重錘隨即升起，進(jìn)而推動(dòng)閉鎖板向右傾斜，將右側(cè)重錘死死卡住，此時(shí)無(wú)法將右側(cè)風(fēng)門打開；當(dāng)關(guān)閉左側(cè)風(fēng)門時(shí)，左側(cè)重錘隨即落下，閉鎖板沒有將右側(cè)重錘卡住，進(jìn)而可以打開右側(cè)風(fēng)門，此時(shí)右側(cè)重錘隨即升起，進(jìn)而推動(dòng)閉鎖板向左側(cè)傾斜，將左側(cè)重錘死死卡住，此時(shí)無(wú)法將左側(cè)風(fēng)門打開。

2 舊式閉鎖裝置重錘行程分析及存在的問題

永安煤礦井下巷道風(fēng)門采用的舊式重錘+限位鎖風(fēng)門閉鎖系統(tǒng)重錘行程分析情況如圖2 所示。

圖2 舊式閉鎖裝置重錘行程分析示意圖

圖2 中，h 為巷道高度；x 為重錘長(zhǎng)度；y 為滑槽長(zhǎng)度；z 為重錘行程；r 為改向滑輪下沿到巷道頂板高度，約為200 mm。根據(jù)閉鎖器的工作原理，基于重錘行程分析可知，y≥x＞z，同時(shí)y+z+r≤h，那么位移為：

因此，根據(jù)上述計(jì)算可知，該舊式閉鎖裝置重錘行程約為巷道高度的1/2，其行程受到巷道高度的制約，因此舊式閉鎖裝置的應(yīng)用范圍有限。理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都表明：當(dāng)煤礦井下巷道高度低于3.5 m時(shí)，基于最小無(wú)軌膠輪車行駛寬度2.4 m 條件下，設(shè)計(jì)單扇風(fēng)門或雙扇風(fēng)門都無(wú)法保障舊式重錘+限位鎖風(fēng)門閉鎖系統(tǒng)靈敏、可靠閉鎖。

永安煤礦對(duì)于高度低于3.5 m 的巷道，其風(fēng)門舊式重錘+限位鎖風(fēng)門閉鎖系統(tǒng)主要采用以下方式解決閉鎖系統(tǒng)的靈敏和可靠問題：第一，在閉鎖裝置安裝處施工措施坑，可以有效增加閉鎖裝置重錘的最大行程，但是該方案額外增加了施工工程量，成本較大；第二，給連接鋼絲繩留一定余量，等風(fēng)門打開部分后鋼絲繩才繃緊并帶動(dòng)重錘動(dòng)作，該方案有效降低了風(fēng)門閉鎖的靈敏性，閉鎖效果不佳。因此，必須考慮對(duì)舊式重錘+限位鎖風(fēng)門閉鎖系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其能適用于高度低于3.5 m 的巷道風(fēng)門。

3 閉鎖裝置的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)

舊式重錘+限位鎖閉鎖裝置的工作過程可分為三部分：一是閉鎖裝置的重錘是在滑槽內(nèi)進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，無(wú)法脫離滑槽的限制區(qū)域；二是重錘升起后會(huì)對(duì)閉鎖板發(fā)生作用，進(jìn)而對(duì)另外一側(cè)重錘進(jìn)行卡阻，從而起到閉鎖作用；三是升起的重錘對(duì)于閉鎖板的作用具有連續(xù)不間斷性，進(jìn)而對(duì)另外一側(cè)重錘的卡阻保持連續(xù)不間斷，從而閉鎖作用會(huì)連續(xù)不間斷。

基于舊式重錘+限位鎖型閉鎖裝置的工作過程，在舊裝置的基礎(chǔ)上，經(jīng)多次試驗(yàn)研究，提供了一種新型的閉鎖裝置，其結(jié)構(gòu)與重錘行程分析如圖3 所示。

在分析閉鎖原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了思路拓展并經(jīng)多次研究試驗(yàn)，完成了新型閉鎖裝置的設(shè)計(jì)。新型閉鎖裝置主要由移動(dòng)螺栓、閉鎖板、閉鎖板固定架、閉鎖板連桿、頂蓋、滑輪、鋼絲繩、重錘滑槽、重錘、滑錘開口、底座等部件組成。裝置中多個(gè)閉鎖板實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)，完全能滿足重錘+限位鎖型閉鎖裝置的閉鎖三要素，可以實(shí)現(xiàn)安全、可靠閉鎖。

圖3 中，y 為閉鎖裝置整體高度；x 為柱狀重錘長(zhǎng)度；m 為閉鎖板間距。由圖3 可知，x-m=100 cm。假定裝置中閉鎖板數(shù)量為N，為保證閉鎖板聯(lián)動(dòng)的靈活可靠，一般取N≤4。各參數(shù)之間的關(guān)系為：

圖3 新型閉鎖裝置結(jié)構(gòu)及重錘行程分析示意圖

4 新型閉鎖裝置的實(shí)踐應(yīng)用

沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦位于山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮(zhèn)，井田面積4.76 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量255.4 萬(wàn)t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60 萬(wàn)t/年，開拓方式為斜井開拓，開采水平為+540 m，現(xiàn)主采山西組3 號(hào)煤層，綜采放頂煤采煤工藝。

永安煤礦輔助回風(fēng)下山下段四聯(lián)巷斷面為寬×高=5.5 m×2.9 m，為保障無(wú)軌膠輪車順利通行，設(shè)計(jì)安裝規(guī)格為2.4 m×2.6 m 的雙扇風(fēng)門，門扇寬度為1.2 m。如安裝1.8 m 高的舊式閉鎖裝置，為保障閉鎖裝置的可靠性和靈敏度，根據(jù)式（1）計(jì)算可知，閉鎖裝置重錘行程至少應(yīng)該要大于1.69 m，此時(shí)必須要在閉鎖器所在巷道底板處下臥一深0.6 m 的措施坑，閉鎖裝置的安裝過程復(fù)雜，工程量較大。

采用優(yōu)化改進(jìn)后的新型閉鎖裝置，只需要將新型閉鎖裝置中的重錘長(zhǎng)度設(shè)置為500 mm、閉鎖板間距設(shè)置為400 mm、采用4 個(gè)閉鎖板、閉鎖裝置高度為2.1 m 時(shí)，其參數(shù)均符合公式（2）要求。此時(shí)，在新型閉鎖裝置的安裝中不需要增加工程，其閉鎖效果理想，可以實(shí)現(xiàn)輔助回風(fēng)下山下段四聯(lián)巷兩道風(fēng)門的靈敏、可靠閉鎖。