煤矿井下灾区远距离自动封闭装置研制与应用

孙 燕 赵晓娥

（山西省大同市同煤集团马脊梁矿，山西 大同 037002）

1 引言

在火灾治理中隔绝灭火法是常用的治理方法，主要是建造密闭墙切断通过火区的空气，进而降低氧气含量，达到灭火目的。密闭墙的建设过程中，火区进、回风侧都需要进行封闭，因此在密闭墙施工过程中和封闭通风孔时会由于空气成分的突变发生二次爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失。针对这一问题，马脊梁矿研制一种用于煤矿井下火灾远距离自动封闭装置是非常必要的。利用远距离自动封闭装置可以远距离的对通风孔进行封堵，快速封闭火区，消除了密闭墙建设过程中可能发生二次爆炸的隐患。

2 远距离自动封闭装置的研制

2.1 远距离自动封闭装置的设计思路

根据远距离自动封闭装置的功能要求，确定如下设计思路：

（1）确定好密闭门的机械构件，保障封闭作业动作的实施；

（2）确定好制动气缸，顺利实现装置的关门及锁紧；

（3）选择装置的电控装置，采用电信号来实现关门及锁紧的气动动力阀门的控制；

（4）对装置进行开门、关门、闭锁、解锁等功能的调试。

2.2 远距离自动封闭装置的结构分析

研制的新型远距离自动封闭装置是与灾区火灾密闭墙组合作业，从而实现其功能。施工时，先根据灾区火灾巷道砌筑一定尺度和厚度（≥500mm）的密闭墙，同时将密闭门装置设置在密闭墙上，组合设置图如图1所示。密闭门由门框、门体、气动装置、电控装置、压紧执行机构组成。

2.2.1 门框的设计制作

从图1中可以看出，密闭门门框是整体被砌筑在密闭墙之中，用槽钢焊接；密闭门门体上的密封是通过压紧机构压紧在密闭门的密封钢板上，密封效果理想。密封钢板背面内边缘处焊接压紧楔块，密封条通过压紧楔块压紧在密封板上。门框和门体相关技术参数如表1所示。

图1 远距离自动封闭装置设置图

表1 门框和门体相关技术参数

2.2.2 门体的设计

密闭门门体必须具备相当的防爆性能，同时要求门体质量较轻，才能保障密闭门的安装过程简便迅速，实现对火区灾区的快速封闭。通过试验，选择Q235A钢板来对密闭门门体进行制作，门体中间及周边区域采用16b槽钢进行焊接加固，提高门体防爆性能。

2.2.3 压紧装置设计

以往密闭门门体与门框之间都是采用刚性连接居多，在该设计当中调整刚性连接为柔性连接。该设计可以将密封条通过压紧装置采用多点压紧的方式压紧在门框上，密封效果好。压紧装置结构示意图如图2所示。

从图2可知，压紧楔块被焊接在密封钢板上，压紧块通过螺栓铰接在门板上，整个机构通过锁紧气缸活塞伸缩将动力传递给小齿轮，再通过大齿轮、铰接销轴、连杆带动压紧块做逆时针转动。在这一过程当中压紧块的转动会慢慢缩小门板与门框之间的距离，密封条的受压进一步增大，有效地增加了密封效果。

2.2.4 气动执行装置

该设备的气动控制装置主要由开关门气缸、锁紧气缸、气动控制箱三大部分组成。

（1）气源的选择

马脊梁矿井下可以提供两种气源。一是由该矿地面空压机提供的0.8MPa气源，经过长距离的运行后气源压力减小为0.5MPa；二是煤矿救护队配备的高压氧气瓶可以做为气缸气源来使用，高压氧气瓶压力可通过减压阀减小为0.5～0.7MPa之间。在马脊梁矿火灾的紧急救援作业中，由于地面空压机气源不太稳定，一般采用高压氧气瓶来充当气缸气源。

图2 自动封闭装置密闭门压紧装置示意图

（2）气缸的选择计算

根据装置的实况，确定选择JB320×800-B-S型气缸型号，尺寸15mm×15mm，活塞杆Φ=30mm，缸径d=80mn，按气源压力P=0.7MPa进行计算：

气缸最大推力：

F推=P·S=0.7 ×π×(80/2)2=3519N

气缸最大拉力：

F拉=P·S=0.7 ×π×[(80/2)2-(30/2)2]=3024N

2.2.5 电气控制装置

按自动封闭装置的动作技术要求配备电气控制装置。电气控制初步设计完成后存在如下问题：

（1）当完成密闭门的关闭动作后，假定火区有工作人员要经过密闭门时，因关门气缸和紧锁气缸没有卸压，无法从密闭门的另一侧手动打开密闭门，必须从内部打开密闭门。

（2）气缸容易推坏活塞杆与其连接的相应构件，导致故障发生频繁。

对电气控制装置进行了以下的调整和完善：对关门气缸和紧锁气缸进行卸压，将PLC电气控制装置中的两位五通电磁换向阀换成带中位卸压功能的三位五通电磁换向阀，调整PLC控制程序，就可以完成卸压作业，改进后在密闭门的另一侧即可手动打开密闭门。在气缸另一端安装位置传感器，调整PLC控制程序，可以有效地保障气缸的动作位置，不会推坏相应零件。

3 远距离自动封闭装置的工作过程分析

远距离自动封闭装置研制完成后，按要求将其砌筑在密闭墙中，完成自动封闭装置的安装工作。此时密闭门处在打开状态之下，继续完成火灾巷道密闭墙的建设，保持火灾巷道的通风状态。当密闭墙完成建造后，火灾事故救护队及相关作业技术人员迅速撤离至安全距离250m之处的区域，操作远距离自动封闭装置的PLC电气控制装置，按下关门按钮进行关门动作，PLC控制器收到相应信号，发出指令，启动电磁换向阀向关门气缸进行供气，关门气缸活塞杆进行收缩动作，从而实现密闭门的关闭动作。当位置传感器检测到密闭门已到设定位置，发出相应信号，PLC电气控制装置接受到信号停止供气，完成了全部的关门动作。

4 自动封闭装置试验演习

2018年10月，将最终研制的灾区远距离自动封闭装置在同煤集团马脊梁矿进行了试验演习操作。模拟火灾发生后，由救援队员在相应区域将密闭门砌在密闭墙内后，接通电气设备，对远距离自动封闭装置的气密性的操作性能进行检验。

4.1 远距离自动封闭装置气密性试验

2018年10月，在同煤集团马脊梁矿进行了试验演习操作，密闭门制作完成后，要对其进行气密性检验试验。

（1）检验要求

该装置在（500±20）Pa的受压状态下泄压速率应≤350Pa/h。

（2）检验位置

远距离自动封闭装置门体上旋转部分和门体与门框之间的密封条的气密性。

（3）检验方法

自动封闭装置门框上固定一个密封箱；在密封箱一头设置一个进气口，安装阀门，接空压机；在密封箱另一头设置一个出气口，安装阀门，接U型压差计。

（4）检验前准备工作

检验前必须关闭密封箱的出气口阀门，同时向箱体内通气，用刷子蘸一定量的肥皂水涂在连接处，进行渗漏现象的检验。无渗漏现象表明检验装置合格，可以正常使用。打开出气口阀门，观察U型压差计，压力稳定在（500±20）Pa，检测结果表明1h内气压下降量为100Pa，表明研制的远距离自动封闭装置气密性合格。

4.2 远距离自动封闭装置操作演习试验

在演习过程中自动封闭装置的操作简单，在250m外远距离启动电动控制按钮能顺利地实现对风门的开启关闭动作，反复操作五次都能完成预期设计要求，井下压风系统气源和自带的压缩氧气瓶气源均能使用。操作演习试验达到设计要求，能够实现各项功能。