煤矿运输巷刮板机过挡风墙的自动挡风装置研究

靳晓波

(山西机电职业技术学院，山西 长治 046011)

有效的通风是煤矿安全生产的最基本保证。目前我国井下自燃、瓦斯等灾害事故发生比例依然较高，主要原因是通风问题，根据国家煤监局公布相关数据，2016年全国共发生煤矿事故249起，死亡538人，其中瓦斯事故13起，比例为5.22%，而死亡170人，占31.54%[1]。减少通风系统的漏风量，能提高有效风量，减少煤矿生产的安全隐患[2]。

煤炭的运输通常采用输送带或刮板输送设备，由于刮板机穿过挡风墙时断面横截面积小、漏风相对小，所以在巷道中一般采用刮板机来运输，刮板机通过挡风墙时，需在墙上开凿一个方形洞，这就导致在运煤时存在漏风现象。针对这种情况，目前一般的解决方法是在方形洞上挂一块挡风帘，用来减小漏风，但效果不佳。为了减小漏风量，需要设计一种装置能够改善刮板机穿过挡风墙的漏风状况，进而增加工作面的有效风量，提升风机消耗电能的利用率，降低生产成本。

1 自动挡风装置设计

装置采用气动驱动、用MCU进行控制，当刮板机工作时该装置的挡风板自动开启，刮板机停止工作时装置的挡风板自动关闭。挡风板上采用双层密封，这样可以在刮板机不工作时挡住大量的风通过，减少漏风，提高了生产的安全性。挡风装置在挡风墙处的安装方法如图1所示。

1—挡风墙；2—风门；3—挡风板驱动装置；4—刮板机运输孔；5—挡风板；6—刮板机；7—过风墙密闭箱体；8—牵引机构；9—挡风板位置传感器图1 挡风装置安装示意图

自动挡风装置包含机械机构、气动驱动系统、传感检测系统、自动控制系统，整体结构如图2所示。

图2 自动挡风装置的整体结构图

1.1 机械结构设计

挡风装置的机械机构如图3所示，机构分为：上挡风板、下挡板、动作轴、固定件、动作机构、牵引机构、轨道几部分。上下挡板在动作机构的作用下可以分别沿Y轴移动，其中上挡板只能上下移动，下挡板除了可以上下移动外，还可以在动作轴上沿Z轴运动(在滑轮机构和软钢丝绳作用下)。挡风板下方和侧面安装抗静电、抗阻燃密封胶条，保证在满载和空载时都有良好的漏风保护。

图3 挡风机构的机械结构示意图

上下挡板采用气缸驱动，能够沿着导轨装置精确、快速的上下动作；在导轨装置内装有位移传感器，保证门上下运动的准确性，同时保证不漏风。此外装置还有操作简便、省力的手动提升机构，保证在断电或自动控制系统出现故障时，能够开启或关闭风门。

1.2 电气系统设计

自动挡风装置的电气系统主要是由控制器、开停传感器、称重传感器、触控式传感器、速度传感器、位移传感器、风速传感器、显示装置、通信装置构成，挡风装置的电气系统结构如图4所示。

根据井下工作环境的特点，用触控式传感器检测煤的高度，用速度传感器检测刮板机的运输速度，使用位移传感器检测挡风装置的位移量，控制器通过计算传感器的数据来控制挡风板的运动状态，挡风板的运动控制过程满足下式。

式中，H为挡风装置应开启高度，m；h1…hn为不同时间的煤高度，m；h为当前挡风装置开启高度，m；V1为挡风板运动速度，m/s；V2为运输装置速度，m/s；S为触控式传感器与挡风墙间的距离，m；t为运动时间，s。

称重传感器检测运输载荷状态，开停传感器检测装置的开停状态，控制器对传感器的数据进行综合处理，从而控制装置的工作状态；风速传感器检测漏风情况，控制器对数据处理并实时显示；当系统出现故障时，能显示故障原因并发出警报。

系统根据各传感器的数据判断出煤的高度，控制挡风装置下降或提升到恰当的高度，保证在运输装置满载、空载或停止时都能减小挡风墙处的风量损失；并且能通过RS485总线与其他系统进行联网。

1.3 挡风机构的工作状态

当挡风装置处于正常状态时，上下挡板稍稍分开且相对位置固定，根据检测刮板机上运输的煤炭高度，系统控制上下挡板沿导轨动作，使挡板开启适当高度，保证煤炭通过出口。煤炭高度超过出口的开启高度时，下挡板还可以沿Z轴向外运动一定的角度，防止装置受损。系统根据需要控制出口的大小，改善刮板机在运输过程中的漏风状况。

运输装置停运时，此时上挡板回到预设位置，下挡板先提升一定高度，在牵引机构作用下向外运动到与上挡板垂直的位置，然后再向下运动到预设高度，牵引机构放下挡板，防止运输装置上的煤炭在开机时，损坏装置。挡风板的位置状态如图5所示。

运输装置空载时，此时上下挡板同时下移，上挡板和下挡板位置稍微重叠，在上挡板和密封条的作用下，下挡板不能前后移动，使挡风墙的出口几乎完全封闭。在这种情形下，挡风装置比挡风帘的挡风效果好，能极大地减小漏风量。

图5 上下挡板的位置示意图

当挡风装置断电时，装置在气动系统作用下回到预设位置，下挡板此时可以沿Z轴自由向外运动，不影响刮板机的正常工作。

2 装置实地运行效果

长平矿井下四盘区配备风量最大，出煤系统中通过的通风横川较多，造成的漏风也较多，该装置在长平矿四盘区43061巷正对横川出煤刮板机地点进行了安装试验。系统的动力气源压力为0.6～1.0MPa，管路的规格为8mm，气缸行程为800～1000mm，传感器的工作电压为DC0～24V，传感器检测距离为0～900mm，动作时间4.61s，系统工作正常且运行稳定，满足设计要求，参数符合国家安全标准。系统在挡风墙处漏风测试数据见表1。

表1 系统在挡风墙处漏风测试数据表

从测量数据可以看出，刮板机停运时挡风装置比挡风帘的漏风量降低了33.82%，刮板机空载时挡风装置比挡风帘的漏风量降低了39.41%，刮板机正常工作时挡风装置比挡风帘的漏风量降低了21.5%。通过对比证实本装置整体的挡风性能比挡风帘好，能有效改善刮板机通过挡风墙时的漏风现象。

3 结果讨论和改进措施

该装置能根据刮板机的工作状态自动调节挡风板的开启状态，降低了刮板机过挡风墙的漏风量，提高了有效风量，但也存在一些问题需要改进。

1)煤炭高度的检测精度不高。由于采掘工作面特殊的工作环境，煤炭高度检测不适宜采用红外等传感器，在设计时采用数字式触控式传感器导致检测不够精确。改进思路：改进触控式传感器测量方式，可由测量的角度转换为对应的高度。

2)挡风板开启高度不够精确。由于触控传感器测量精度不高，所以在控制挡风板开启高度时留有一定的富裕度，造成实际漏风量比理论值高。改进思路：对控制系统的检测装置进行改进，并对控制程序的算法进行修正。

3)挡风板开闭的时间。挡风板的动作时间为相对较长。改进思路：对驱动机构进行改进，减小挡风板运动所需工作时间。

4 结 语

对刮板机通过挡风墙的漏风现象分析，结合采掘运输巷道的实际工作情况，设计了自动挡风装置，能有效改善刮板机穿过挡风墙处的漏风状况。系统在现场进行了安装试验，漏风量小，运行稳定，具有一定的推广意义。