矿井行车安全防护装置仿真与试验

杨征，谢永利，李战海，丁元，李盟洁，李茂庆

(1.陕西小保当矿业有限公司， 陕西 榆林 719302；2.陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西 榆林 719000；3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司， 西安 710000)

0 引言

防爆无轨胶轮车由于其高效、灵活和便捷的特点，在现代化煤矿斜巷运输中使用得愈加频繁[1-3]，但无轨胶轮车一旦发生跑车失速事故，会造成巨大的经济损失和人员伤亡。2011年9月24日，陕西有色榆林煤业有限公司杭来湾煤矿作业人员，乘坐四轮车从副斜井入井200 m后，发现车辆不能正常换档、刹车失灵，滑行中撞在左侧巷帮上，造成4人死亡的严重后果。2013年8月23日，位于鄂尔多斯市准格尔旗境内的内蒙古西蒙集团电力满都拉煤矿的一辆运送喷浆材料的防爆胶轮车搭乘施工人员入井时，行至副斜井井底(距副井口440 m，坡度5.5°)拐弯处，车辆失控，迎面撞在巷道上，造成4人死亡，事故直接经济损失约735万元。2019年2月23日，内蒙古矿业西乌珠穆沁旗银漫矿业有限公司通勤车在往井下运送工人时，车辆失控，撞上辅助斜坡巷道，造成重大运输安全事故，造成21人死亡，29人受伤的严重后果。煤矿防爆无轨胶轮车运输车辆失速事故的频频发生，让煤矿井下斜巷无轨运输事故的预防，井下安全防护设施及防护性能的研究及改进日益引起人们的重视[4-5]。《煤矿安全规程》中也明确规定：“在倾斜井巷内安设能够将运行中断绳、脱钩的车辆阻止住的跑车防护装置”以及“在变坡点下方略大于一列车长度的地点，设置能够防止未连挂的车辆继续往下跑车的挡车栏”。针对井下斜巷运输，目前常见保护措施的是设计安装各种各样的阻车装置[6-9]，但主要是针对有轨运输失速事故预防，针对无轨运输车辆失速事故防护设施较少，并在实际的无轨运输中，由于运输方式灵活，防爆无轨胶轮车车辆失速工况复杂，不确定性较大，一旦车辆碰撞到巷道附属设施，将会造成巨大的经济损失，同时对井下工作人员和乘员存在极大的安全隐患，因此设计研发一种适用于矿井斜巷无轨运输的行车安全防护装置十分必要。

1 结构设计

矿井斜巷安全设施分为防跑车装置和跑车防护装置两大类。本文采用新型纳米缓冲吸能材料[10-12]，设计了一套针对煤矿斜巷长坡段安装在巷道壁上的跑车安全防护装置，当防爆无轨胶轮车发生失速事故时，无轨胶轮车与安装在巷道壁上的行车安全防护装置进行碰撞耗能，摩擦导向，从而使无轨胶轮车速度减慢直至平稳停车，确保无轨胶轮车及乘车人员的安全。关于纳米流体吸能材料已有大量的研究，该材料主要由功能流体和纳米多孔材料组成，在外力作用(冲击、碰撞)下，随着功能流体在临界压力值以上进入纳米孔，可将外界机械能转化为固-流体界面能和摩擦热能，由于纳米多孔材料巨大的比表面积，该材料吸能密度可以达到30 J/g以上。纳米流体吸能材料需要与封装材料组合，因此可以根据不同的适用场景来设计吸能结构。

本文矿井行车安全防护装置的主要功能是：吸收失速车辆的瞬间碰撞动能，并使失速后的防爆无轨胶轮车速度减慢直至停车。借鉴相关护栏性能评价标准，要求车辆侧碰撞到行车安全防护装置时，车辆能被导回到正常行驶车道，但驶出角度不能大于碰撞角度的60%，避免车辆和人员受到重伤[13]。根据牛顿第二定律F=ma和冲量定理Ft=Δmv，在碰撞初期，车辆速度如果较快，车头碰撞力会很大，故车辆的加速度也会增大，因此，矿井行车安全防护装置的结构设计应符合：前部采用柔性结构和材料吸能，以后循序增强其刚度，并增加其吸能能力等要求。因此在安全防护装置前部采用聚氨酯弹性体，并在转珠和耗能箱体中填充纳米吸能结构，由于该装备用于矿井，因此所有材料均符合井下防爆和阻燃抗静电要求。

因此，行车安全防护装置主要由前端柔性缓冲吸能层、耗能箱体、转珠、立柱及锚固组件等部分组成，锚固组件用于与矿井斜巷道壁连接固定，如图1所示。

1-柔性缓冲层；2-转珠；3-立柱；4-耗能箱体；5-聚氨酯弹簧。

车辆碰撞到安全防护设施后，首先前端的柔性缓冲层变形耗散能量，用具有一定刚度的耗能箱体(内部填充纳米吸能结构)和立柱来实现对车辆冲击力的抵抗，导向轮采用柔性材料，用来实现对车辆的引导和柔性缓冲，同时延长碰撞时间，使失速车辆减速平稳停车。其中，采用这种组装可导向的行车安全防护装置，不但安装比较方便，在更换破坏的构件方面也比较简单。由于煤矿井下环境特殊，因此所有材料均符合阻燃抗静电等煤矿井下安全使用要求。

2 防撞性能仿真分析

失速车辆与阻车防护设施发生碰撞时产生的加速度及能否让失速车辆平稳停车是判定防护设施安全性能的基本标准，因此要求在特定速度下，防护设施能降低车辆的加速度，同时降低车辆行驶速度直至平稳停车，加速度由持续时间和作用力方向影响，因此延长持续时间或者减小撞击力可以减小加速度。本节建立了防爆无轨胶轮车与行车安全防护装置的有限元碰撞仿真模型，为了减小计算量，小车质量为1.4 t。

为了降低网格数量对计算结果的影响和减少计算时间，仿真模型中对车辆模型某些结构细节进行了合理的简化，例如将车辆部分锚固螺栓和车身采用rigid-link和梁单元模拟等。无轨胶轮车仿真碰撞模型的车身结构以四边形壳单元为主，各构件主要采用点焊连接，无轨胶轮车与矿井行车安全防护装置之间采用自动单面接触。

矿井行车安全防护装置主要由前端柔性缓冲层、耗能箱体、转珠、立柱等部分组成，柔性缓冲层和转珠采用弹性聚氨酯材料，利用泡沫材料本构关系，立柱和耗能箱体采用钢构件，材质为Q235，采用金属弹塑性本构关系，耗能箱体内填充纳米吸能结构，防护装置通过固定边界条件与刚性墙连接。车辆与防护装置碰撞仿真模型如图2(a)所示，图2(b)为安全防护装置，图2(c)为无轨胶轮车仿真模型。

(c) 车辆碰撞角度示意图(d) 车辆碰撞角度示意图

图2 碰撞仿真示意图

由于在矿井行车事故中侧碰事故概率较高，因此选择碰撞方式选择侧碰，碰撞角度为20°，《煤矿井下安全规程》规定井下车辆行驶限速为25 km/h，为了提高安全系数和减小计算量，仿真设置碰撞速度为30 km/h。失速车辆碰撞轨迹如图3(a)所示，可以看到矿井行车安全防护装置符合设计预想的缓冲耗能导向机理，当车辆碰撞到行车安全防护装置后，表面的柔性缓冲层首先发生变形，耗能箱体和立柱来实现对车辆冲击力的抵抗，聚氨酯导向轮将车辆引导到正常行驶方向，车辆碰撞前后形态如图3(b)所示，可以看到车辆碰撞后保持正常姿态，没有翻车，沿着安全防护装置转珠导向至正常方向后平稳停车，碰撞侧车头凹进变形，行车安全缓冲装置构件及其脱离件没有侵入车辆乘员舱。

(a) 安全防护装置布置图(b) 安全防护装置布置图

(b) 车辆撞击力时程变化曲线

(a) 车辆行驶速度时程变化曲线

图3 车辆碰撞过程及前后对比

同时，本文还对比安装了行车安全防护装置和未布置防护装置碰撞墙体两种工况下，车辆行驶速度和碰撞力的时程变化情况，结果如图4所示，可以看到，安装防护装置后，车辆失速时有明显的减速缓冲过程，且车辆碰撞力减小。

无轨胶轮车与行车安全防护装置碰撞时产生的力及其相互作用的特点取决于碰撞条件，其中最重要的是碰撞速度、碰撞角度和车辆质量。本节还研究了在碰撞角度和车辆质量一定情况下车辆的碰撞速度对车头撞击力的影响，分别对碰撞速度为30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h和70 km/h时，车头撞击力的变化趋势进行了总结，撞击力计算结果如图5所示，结果表明车头撞击力随着碰撞速度的增大而增大，因此实行严格的限速措施管理对煤矿井下运输安全具有重要的指导意义。

图5 不同碰撞速度下车头碰撞力随着时间的变化关系

3 实车碰撞试验分析

3.1 碰撞试验条件

根据矿井事故调研资料统计分析，载人无轨胶轮车和小型货车由于运行速度较快且总质量较小，因此发生失速事故频率较高且危害较大。结合上节中有限元计算分析结果，矿井行车安全防护装置需要满足对失速车辆进行阻挡、缓冲和导向等防护功能。为了进一步验证安全防护设置性能，按照设计要求，对矿井安全防护装置进行了实车足尺碰撞试验。

考虑煤矿井下常用运输车辆，实车碰撞试验中车辆采用7 t中型载人客车。由于无轨胶轮车在煤矿井下斜巷运输时，侧碰概率较大，因此设置车辆碰撞角度为20°。矿井斜巷运输限速为25 km/h，为了提高安全防护系数同时考虑经济性，本次实车试验碰撞速度设置为40 km/h，并在驾驶室及车辆重心布置加速度传感器，安全防护装置及车辆试验场布置如图6所示。

3.2 碰撞试验结果

驾驶室的加速度变化值影响乘员的安全性，本次试验评价标准根据《公路护栏安全性能评价标准》中的要求，矿井行车安全防护装置的安全性能需要满足阻挡功能、导向功能和缓冲功能。根据高速摄像机记录的碰撞过程，车辆碰撞行驶轨迹如图7所示，可以看到失速车辆碰撞到防护装置后，保持正常姿态，没有翻车，车辆与防护装置刮擦26.5 m，并沿着转珠导向至正常行驶方向，驶出速度为13.4 km/h，车辆驶离防护装置后平稳停车，与仿真计算车辆行驶轨迹相同。

图7 失速车辆碰撞行驶轨迹

安全防护装置和失速车辆变形结果如图8所示，可以看到车辆碰撞后，安全防护装置起始端起，第10～13节段、第21～25节安全防护装置破损，表面柔性缓冲层脱落。车辆车头左侧部分凹进，防撞垫构件及其脱离件没有侵入车辆乘员舱，实车碰撞试验后车门可打开，没有影响乘员生存空间。车辆驾驶室和车辆重心位置加速度测量值均满足规定要求。

(a)(b)

本次试验参考《公路护栏安全性能评价标准》，其中，阻挡功能、导向功能和缓冲功能测试项目结果如表1所示，矿井行车安全防护装置满足各项要求，驾驶室乘员加速度符合要求，成功通过实车碰撞测试，并获得矿井行车安全防护装置碰撞测试报告。

表1 实车碰撞测试结果

4 结论

本文首次针对煤矿副斜井运输巷道行车安全防护现状，设计出一种新型安全防护装置，该装置主要由前端柔性吸能缓冲层、耗能箱体、转珠、立柱和锚固组件等部分组成。当防爆无轨胶轮车失速碰撞到行车安全防护装置后，前端柔性缓冲层吸收车辆大部分动能，耗能箱体和立柱来实现对车辆冲击力的抵抗，导向轮用来实现对车辆行驶方向的引导，延缓碰撞时间，从而使失速车辆减速至平稳停车。通过有限元分析软件HYPERMESH/LS-DYNA，建立车辆质量为1.4 t，碰撞速度为30 km/h,碰撞角度为20°工况下的碰撞仿真模型，仿真计算结果表明，本文设计的矿井用行车安全防护装置，能够使得失速车辆平稳停车，满足设计功能，相比未加防护的刚性墙防护，该防护设施降低驾驶舱加速度20%以上，同时研究了车辆失速速度对车头撞击力的影响，结果表明车辆初始碰撞速度越大，车头撞击力越大，因此针对井下安全行车，实行严格限速措施是提高行车安全性的必然要求。

在此基础上，针对矿井行车安全防护装置，进行了实车足尺碰撞试验，试验结果表明，该防护装置能够实现对失速车辆的阻挡、导向和缓冲功能，且车辆驾驶室乘员加速度满足各项指标，成功通过实车碰撞测试。目前该防护装置已经在陕北榆神矿区小保当矿井示范安装使用，该矿井行车安全防护装置的设计与应用为井下行车安全防护设施的设计及煤矿运输安全管理提供参考，对进一步提高煤矿安全具有重要的指导意义。