掘进机司机综合安全防护设施研制与实践

郭杰，王旭东，邓奇根

(1.山西晋煤集团 坪上煤业有限公司，山西 晋城 048000；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；3.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作454000)

0 引 言

随着中国经济快速高效发展，矿井开采技术日益进步，以综合掘进机为主的掘进技术已广泛应用到煤矿开采行业中，成为煤矿采掘活动中的核心生产要素。在综合掘进过程中，冒顶、煤与瓦斯突出、粉尘、高温、噪声、高潮湿等各种危害普遍存在[1-2]。在我国矿井顶板事故中，已有统计表明，巷道冒顶导致的死亡事故80%以上发生在掘进工作面及巷道交叉口，其中，以掘进工作面更为普遍[3-5]。煤与瓦斯突出的规律表明：煤与瓦斯突出多数发生在采煤、掘进工作面，其中大多数发生在掘进工作面[6]。掘进过程中产生大量的煤尘及有毒有害气体，机械设备运转和局扇运行都会产生噪声，喷雾除尘及巷帮淋水造成的井下空气潮湿，深井工作面的地热及综合掘进机等机器设备运转产生的热量形成的高温[7-9]都严重影响综合掘进机司机和工人的身心健康和工作效率。

目前，我国各煤矿掘进机使用普遍[10-12]，并开发有掘进机周围人体红外报警系统，部分掘进机安装有掘进机人体自动检测保护装置，应用红外感应器、逻辑控制器、语音报警和警示灯对掘进机进行合理配置，构成掘进机司机安全防护装置。部分掘进机通过安装和使用高压降尘装置，能有效降低掘进机切割煤岩过程中的粉尘质量浓度。但掘进机司机多数直接暴露于工作环境中，部分掘进机安装有简易的司机棚，但对司机的职业安全健康防护较为困难，掘进机外观如图1所示。

1 掘进机司机室研制

我国煤矿对掘进机司机操作普遍规定：掘进机司机作业时注意力要高度集中，注意观察掘进机周围顶板、底板、煤壁等异常情况。掘进机司机是掘进生产现场第一工作人员，不仅要进行忙碌的采掘作业，而且还得面临着冒顶、煤与瓦斯突出、粉尘、噪声及高潮湿等诸多风险和危害[13-14]。在恶劣的工作环境中，精力和关注度难以保持高度集中，因此，掘进机司机是事故的易发对象。

根据井下掘进实际，结合掘进机特征，研制出一种具有抗压、防尘、防毒性气体、防噪声、防潮湿及自救等功能于一体的掘进机司机室。司机室左侧设计成操作控制台，右侧为安全门，方便掘进机司机出入，整体看起来类似于一个小型避难仓，同时具有控制室功能，司机室立体结构如图2所示。

图2 司机室立体结构

外壳采用抗压式设计，壳体一侧设有密闭性能良好的出入门，在壳体的前方、后方和两侧设有6 mm厚可观察室外的防爆玻璃窗，在抗冲击的同时也保证了掘进机司机的视野不受限制。壳体根据结构不同分为顶壳和侧壳，壳身采用复合式结构，从内到外依次为反弹层、隔热层和高强度反应层。壳体的内部结构如图3所示。

1-减震层；2-高强度反应层；3-隔热层；4-反弹层；5-紧密连接件

反弹层为碳纤维材质，碳纤维质量比金属铝轻，强度比钢铁高，且具有耐腐蚀、高模量的特性，可以有效增加外壳的拉伸性，外壳在受到外力挤压时不易变形。其中，顶壳设置减震层，内部为若干弹簧，两端分别连接支撑板和抗压框架；高强度反应层材质为镀锌钢板，耐腐蚀，硬度大，遇到冲击时能够有效发挥作用，是车壳的第一道保障。隔热(湿)层采用异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，具有保温、耐火及防水(潮)功能，充填在反弹层和高强度反应层之间，并使用若干紧密连接件固定，防止冲击或变形时发生滑移。

将自制的压风自救系统引入司机室，一旦出现意外情况，司机室能够肩负避难仓的作用。通过室内接入的压风管路，使室内始终处于正压状态，通过单向阀排气，一旦发生突出事故时，有毒气体无法进入司机室内，同时也隔绝外部粉尘进入，兼有降温作用。司机室良好的密闭性能可有效防止煤尘、高湿空气和瓦斯等进入。自救装置安装在室内后壁右侧，紧急情况下能够供氧与供水；除尘装置安装在防护窗上，可以有效除掉可视窗上的落尘，为司机提供良好的视野。

2 局部降温装置研制

随着矿井开采的深度不断增加，热害问题成为影响开采的又一大危害[15-16]。每到夏秋季就会迎来5～6个月的高温期，部分矿井井下温度居高不下，再加上机电散热，掘进机司机的体感温度高达33～36 ℃，高温作业大幅降低了工作效率，极易引发各类事故。虽然部分有热害的矿井井下建立了集中降温制冷系统，但该系统价格昂贵、能耗高，局部高温作业很难采用[17-18]。

如采用电气设备进行降温，因煤矿的开采环境特殊，电气设备必须具有防爆证书，且需通过煤安(MA)认证。考虑到使用条件、成本和安全等问题，研制一种安全、轻便、可靠、有效、投资少且能耗低的局部降温装置势在必行，基于这些要求，研制一种不使用电源作为制冷能源的局部降温装置。该降温装置不使用电能，节能环保、经济循环，且设备运转时也不会产生电火花，可有效防范井下火灾或爆炸危险。

降温装置由外壳、通风管路、通水管路、阀门、表冷器、油水分离器、涡流管、风流分路器、降噪器、风动齿轮、各种卡扣和固定组件等组成，如图4所示。

外壳出风口采用自动调节百叶窗，百叶窗装有风动齿轮，由压风驱动齿轮实现风向的自动摇摆，可灵活调节风向，提高人体的舒适感。通风管路与井下压风管路及多排风流分路器相连，可以通过调节阀(即风开关)控制风速、风量及噪声。通水管路与井下水管及表冷器相连，通水管内通有井下低温水，可以通过调节阀(即水开关)控制水速和水量。表冷器位于通风管路的前侧，内有流动的恒低温水，通风管路的来风，吹入表冷器的翅片之间，进行热量交换降温，管内的恒低温水流过金属管道内腔，涡流器产生的冷风流过金属管道外壁进行热交换，达到冷却的目的。流经表冷器的水连接到井下水管中，做到节能、无浪费。涡流管的工作原理：压缩空气喷射进入涡流室，气流以高速旋转流向涡流管的热气端出口，一部分气流通过控制阀流出，剩余的气体被阻挡后，在原气流内圈以同样的转速反向旋转，且流向涡流管的冷气端。井下压风通过通风管路进入涡流管，热风端排出司机室，冷风端连接风流分路器，风流分路器上安装有多个降噪器，降噪器的出风口吹向表冷器。表冷器的作用：一是通过水循环均衡冷风的温度，可以避免尖锐的冷风直接吹向司机；二是降噪器的风流通过表冷器后变得分散，扩大了冷风的辐射范围，提高了降温效果。涡流管作为整个降温装置的冷源，在进气流量0.6 m3/min，压力≥0.6 MPa，温度30 ℃的工况条件下，经过涡流管作用后冷段最低温度可达-20 ℃。在现场的实际使用过程中，可以通过调节涡流管阀门，控制冷热输出比例及气体流量大小。此外，该装置采用的是正压供风，对司机室具有防尘、防止毒性气体侵入等功能。

1-外壳及百叶窗；2-进水管；3-进风管；4-油水分离器；5-涡流管；6-阀门组件；7-降噪器；8-卡扣固定组件；9-表冷器；10-风流分路器

以压风及供水为动力的降温装置具有安全环保、经济可靠、节能舒适等特点。夏秋季高温时，掘进机司机室室内的温度降幅可达7～9 ℃，司机的体感温度可恒定在25～28 ℃。

3 视觉安全辅助装置研制

为有效解决司机在割煤时视线变差的问题，防止掘进机司机将身体伸出司机室察看，在工作面以外10～15 m内安装激光射线仪。激光射线仪可在掘进工作面的两帮和顶部各打出一道梯形门型轮廓高清晰度的红色激光线，可以根据掘进巷道的尺寸精确设置这个“门”的宽度和高度，为掘进方向及掘进人员提供精准的参照物，如图5～6所示。

图5 激光射线仪

图6 激光轮廓

为了让掘进机司机能够更准确地掌握工作面割煤和转载机运行情况，掘进机司机室内安装有视频监控系统，显示器采用30.48 cm(12吋)防爆平板电脑，配合2个具有自动防尘保护功能摄像头，一个监控工作面，另一个监控转载机与40 t溜子搭接部位。上述设备的使用，保证了所施工巷道的工程质量，极大地提高作业人员的工作效率，并有效地降低了人为失误等意外事故的发生概率。

4 电缆拖移装置和转载机小跑车研制

掘进机工作期间，为避免掘进机挤压电缆，传统的生产工艺要设专人看护，为减少人员进入工作面，最大程度降低人员伤亡事故[19]。通过现场勘察，研制了掘进机随机电缆拖移装置并对转载机小跑车进行了改进。利用滑轮将电缆吊起来，并与掘进机保持0.8 m以上的安全距离，这样随着掘进机割煤岩前后移动，电缆同时随着滑轮移动，既保证了电缆不被挤压，又省去了掘进机随机电缆看护人员，掘进机随机电缆拖移装置如图7所示。

图7 掘进机随机电缆拖移装置

掘进机工作期间，为避免掘进机转载机掉道，传统的生产工艺要设专人在转载机附近观察运转情况，以备掉道时能够及时联系掘进机司机，停机进行处理，为减少转载机看护人员，通过对转载机小跑车进行改造，在转载机与溜槽搭接部位处连接钢板，卡在40 t溜槽上，既避免了转载机掉道现象，又省去了转载机看护人员，如图8所示。

图8 改进的转载机小跑车

掘进机司机综合安全防护装置，在多个煤矿得到了推广应用，现场应用表明：达到了掘进工作面割煤岩期间只需掘进机司机一个人作业的目的，实现了掘进工作面综合掘进期间50 m内单人作业的生产工艺。

5 结 论

(1)掘进机司机室的研制及应用，确保了掘进工作面唯一的掘进机司机处于相对封闭的司机室内，可有效避免小型顶板冒顶、煤与瓦斯突出等事故，兼具有防尘、防毒性气体、防噪声、防潮湿及自救等功能。

(2)以压风及供水为动力的局部降温装置，具有安全环保、经济可靠、节能舒适等特点。

(3)掘进工作面配备的视频监控系统、激光射线仪等视觉安全辅助装置，给掘进机司机提供良好的视野，保证了所施工巷道的工程质量。

(4)研制的掘进机随机电缆拖移装置及改进的转载机小跑车减少了掘进机工作期间工作面作业人员数量，实现了掘进工作面综掘期间50 m内单人作业生产工艺。

(5)掘进机司机综合安全防护装置的研制及推广应用，掘进机司机的职业安全健康由被动防护转变为主动预防，极大地改善了工人的工作环境，提高了作业人员的工作效率，降低了事故发生的概率，提升了工人的劳动幸福感。