人車同行自動閉鎖風門優化設計

郭曉君

（霍州煤電集團億隆煤業有限責任公司，山西 臨汾 041600）

煤礦井下通風系統復雜，通風設施數量大，管理困難。針對該問題，若能實現風門自動控制，就可以避免出現風門漏風、常開等問題，還可以根據需要對風流進行調整，同時有利于防治火災[1-3]。基于此，對億隆煤礦井下風門進行結構和系統布局優化升級[4-7]，并在井下開展了應用和效果檢驗。

1 工程概況

1.1 礦井概況

億隆煤礦通風方式為中央并列式，通風方法為抽出式，主、副井筒為進風井，回風井回風。風井配備2 臺通風機，一備一用，型號為FBDCZ №25/2×250 kW，風機風量10 860 m3/min，靜風壓1 185.8 Pa。經測算，風機標準工況下，礦井進風量11 066 m3/min，回風量10 223 m3/min。目前能夠滿足礦井正常生產所需的最低風量為11 469 m3/min，實際風量略低于設計風量，且進風井中風速較高、礦井通風阻力較大。億隆煤礦的通風系統相對脆弱，在無法進行整體通風系統改造的情況下，需要對局部通風系統進行優化，提高其穩定性。

1.2 存在問題分析

1）大風壓行人風門。總回撤通道附近的風門為手動風門，風門兩側的壓差較高，風門難以打開，造成礦工通行困難，通行過程中漏風量較大。在礦工通行后，由于風壓較大的原因，風門會猛烈關閉，給行人安全造成隱患，同時易于損壞風門。

2）聯動閉鎖行車風門。在礦井皮帶大巷和軌道大巷掘進過程中，每隔一段距離需要施工聯絡巷方便運輸和回風，需要設置風門，通常為2 道。為防止2 道風門同時敞開造成風流短路，需要對其安裝閉鎖裝置。礦井風門設計結構如圖1。常見的閉鎖裝置為鋼絲繩（鍍鋅）聯動閉鎖。在安裝該閉鎖裝置后，電瓶車司機在通過風門時需要先制動停車，打開第1 道風門，并用風門掛鉤固定，然后啟動電瓶車，通過第1 道風門后再次制動停車，關閉第1 道風門，開啟第2 道風門，通過后再次關閉第2 道風門。這樣操作費時費力，頻繁剎車、打開車門同樣具有一定安全隱患。若司機忘記關閉風門還有可能造成大量漏風，對通風系統穩定性造成損害。若采用有人值守風門，人力成本較高，且無效投入較大。

圖1 礦井風門結構示意圖

3）平衡式自動行車風門。該風門施工時需在巷道兩側開挖硐室，工程成本較高，耗費人力物力。當風壓很大的情況下，該風門關閉之后可能無法正常打開，必須施加外力，大大影響自動風門的便捷性。一旦出現突然停電，會造成電瓶車無法通過，影響礦井的安全高效生產。當風門兩側的風壓較大時，兩扇風門可能無法同時嚴密閉合，導致風門漏風。面對大風壓的強負荷工作，還容易造成風門拉桿損壞，形成安全隱患。

通過上述分析，為提高風門通行效率，確保通過安全和通風系統穩定，需要設計人力輔助風門開啟裝置，紅外傳感自動開啟風門，并將平面式和鈍角式人車同行風門改為半圓弧式，實現設置簡單、易操作、易維護，降低成本的同時提高安全效益。

2 風門優化方案

根據風門結構和通過原理，分別對小風門和大風門開啟進行設計優化。

2.1 小風門輔助開啟裝置

人車同行的風門若設計為大風門，則行人通過時也必須全部打開風門，通風斷面和風門阻力較大，存在漏風和開啟困難的問題。因此，可以在大風門上設計小風門，有利于行人通行。小風門的輔助開啟裝置包括把手、固定裝置、末端滾輪以及把手支點，詳見圖2。該裝置把手起始段至支點長50 cm，支點至滾輪長10 cm，動力臂長度是阻力臂的5 倍。由杠桿原理可知，施加在動力臂上的力量通過該輔助裝置可將5 倍的力量傳導至阻力臂，從而使通行人員輕松地打開風門。在把手上合適位置多開幾個孔，通過調整支點在把手上的位置可以對動力臂和阻力臂進行調整。當風壓較大時，可以選擇最短的阻力臂，這時傳遞最大的力量；當風壓較小時，可以選擇較長的阻力臂，提高輔助裝置和風門的使用壽命。井下人員通過時，拉開把手，通過滾輪行程把風門打開一個小距離，卸壓后可以輕松打開風門。

圖2 風門輔助開啟裝置結構圖

2.2 利用紅外傳感器的氣動風門

自動氣動風門由普通風門、風門控制主箱機、紅外線傳感器、聲光語音箱和配重吊桶組成，風門控制主箱機是氣動控制裝置，如圖3。行人或電瓶車接近風門時，紅外線傳感器監測，傳遞給主控制器，主控制器利用啟動裝置控制風門打開，行人或車輛通過風門后，由前方的紅外線傳感器監測到，控制風門閉合。配重吊桶起到配重作用，降低氣動風門的阻力，可以根據風門阻力對配重進行調整。當風門執行相應動作時，聲光語音箱予以播報，提醒行人或車輛。控制主箱機內設置電磁閥，和兩側風門的壓風管路連通，實現風門的自動閉鎖功能。

圖3 自動氣動風門結構圖

2.3 半圓弧式氣動風門

半圓弧式氣動風門是在上述氣動風門的原理上，對鈍角式氣動風門進行創新性改進而來的。

1）首先在上述氣動風門基礎上，增加行人風門（小風門）卸壓驅動裝置、門框、門扇等機械部件。該氣動風門要求先施工風門的墻體，并設置預埋件，對門框進行固定，預埋件的高度要與風門接口一致。半圓弧式氣動風門的門框需固定在墻壁上，并安兩個門扇，在其中1 個門扇上設置行人風門，另1 個門扇上設置卸壓孔，卸壓孔與驅動裝置連接。在門扇上方設置氣缸座，并鉸鏈氣缸活塞。氣動箱里電磁閥連接高壓風管，并控制各個氣缸開閉。

2）對風門的門扇進行改進。通常情況下風門的門扇是平直的，即平面式和鈍角式。半圓弧式是將風門的迎風側設計為半圓弧狀，和平面式與鈍角式門扇相比，其門扇的中部是半圓弧型的，使得門扇和風流夾角增加，大風門打開時風流的最大力矩位于門扇的中部，從而大大降低了風門門扇所受的風流力矩，降低了風流阻力，大風門開啟更加輕松。半圓弧式門扇迎風側弧面所受力矩情況如圖4，半圓弧式氣動風門運行原理如圖5。

圖4 門扇受力情況分析

圖5 半圓弧式氣動風門原理圖

3 應用效果分析

由于普通風門存在開啟困難、安全性差、易造成通風系統紊亂等問題，利用小風門輔助裝置和半圓弧式啟動風門，改善了風門的開啟方式。

3.1 小風門輔助開啟裝置

利用杠桿原理設計風門輔助開啟裝置，將力量最大增加5 倍，風門卸壓后能夠順利、輕松地打開風門。在把手上進行多孔設計，可以調整動力臂和阻力臂的大小，適應不同的風壓情況。該設備小巧方便，易于安裝，操作簡單，在井下迅速推廣，應用至今，大大降低了人員通過高風壓風門的難度，工作人員的行動效率提高50%，發揮了良好的作用。

3.2 半圓弧式氣動風門

半圓弧式氣動風門，在實現人車同行的基礎上，利用紅外線傳感器監測人員和車輛位置，通過氣動箱里的電磁閥分別控制各部位的開閉，同時實現自動閉鎖，聲光語音箱可以對行人和車輛進行提醒，配重吊桶可以減輕啟動裝置負荷。該風門不用施工配套硐室，并利用高壓空氣作為動力，節省了電力成本；自動控制風門實現了無人值守，節省了人工成本。為了進一步降低風阻，創新性地將風門由鈍角式、平面式調整為半圓弧式，將風流最大力矩控制在門扇中部，從而減小了門扇風阻，更加有利于開閉。該系統在億隆煤礦運行一年來，優化風門的開啟形式，大大提高通風系統的自動化、智能化水平，提高了通風系統的穩定性，降低了工人勞動強度，提高了流動效率，杜絕了風門傷人事故。

4 結論

1）針對風門風壓較大、風門難以開啟的問題，設計風門輔助開啟裝置。該裝置利用杠桿原理，能夠降低大壓差風門的開啟難度，通過調整力臂長度適應不同的風壓情況，提高通行效率。

2）利用紅外線傳感器，設計了自動氣動風門，創新性地設計了半圓弧式風門，能夠將風流的最大力矩控制在門扇的中部，從而降低風門開啟的風阻。該系統的應用在實現人車通行互不影響的基礎上，降低了工程施工成本，節約了人力成本和電力成本，提高了礦井的智能化、自動化水平，使工作人員能夠更加便捷地通過，提高了生產效率。

3）電磁閥控制風門的基礎上，設計了自動閉鎖裝置。該裝置能夠將風門聯鎖，避免同時開啟風門造成風流短路、危害通風安全的隱患。