矿用新型抗压平衡式风门的应用研究

程 浩

（山西煤炭进出口集团左权宏远煤业有限公司，山西 晋中 032615）

风门是煤矿井下的主要通风设施，风门的设置和应用可以提高通风系统的稳定性和可靠性。但是随着煤矿机械化和开采深度的增加，井下矿压显现强烈，开挖巷道存在大变形的问题，会导致井下通风风门及门框发生变形破坏，导致风门不能正常使用，因漏风问题而产生通风安全事故，因此必须进行优化改进[1-6]。

1 宏远煤业风门使用现状

1.1 工程概况

山西煤炭进出口集团左权宏远煤业位于山西省晋中市左权县寒王乡，矿井面积为9.33 km2，生产能力为90 万t/a，主要开采15#煤层，开采水平为+1177 m，批采标高+1 349.99～ -559.99 m。煤矿开拓方式为斜井开拓，井筒数量3 个，综采放顶煤开采工艺，属于煤与瓦斯突出矿井。宏远煤业主采太原组下段15#煤层，地质构造简单，煤层平均厚度为3.56 m，煤层平均倾角为2°。宏远煤业矿压显现明显，开挖巷道存在大变形的问题，主要表现为巷道底鼓、两帮变形、顶板下沉、煤壁片帮等。

1.2 风门的使用现状分析

宏远煤业采用机械抽出式通风方式，井下使用的是双扇无压平衡风门，保障风流不出现短路问题，进而保证通风系统的稳定可靠。从多年的实践应用效果来看，该双扇无压平衡风门存以下几个缺点：（1）受巷道动压的影响，巷道底板多处位置出现鼓起现象，进而导致风门常常被压坏而发生变形，如图1。风门压坏情况主要表现为：风门结构弯曲、门体错位、重叠、漏风、门体与门框卡死等。（2）该风门的机械闭锁装置依靠钢丝绳来完成，闭锁的可靠性和安全性较差。同时，该风门采用人工开启，劳动强度大，存在严重的安全隐患。风门的管理和维护工作较为困难。

图1 风门受巷道动压变形示意图（mm）

2 新型抗压平衡式风门的设计

2.1 风门结构分析

针对煤矿井下风门受巷道动压的影响，设计了一种新型抗压平衡式风门，风门及门框结构如图2。

图2 新型抗压平衡式风门及门框结构图（cm）

在新型抗压平衡式风门门框的上、左、右位置设置有6 片可重合的钢制结构墙面，矿压来临时6片钢墙可以自动地灵活调节钢墙重合部分，在实现了卸压目的的基础上也保护了风门不会因矿压导致变形破坏。门框重合钢墙采用弹簧加螺丝设计，压力式皮条密封，在两片重合钢墙之间是密实不漏风的，门框四个角位置由4 个弹簧的伸缩臂组成，合页设置在门框异向两侧，密封条设置在门扇和门框之间位置，实现良好的密封效果。

设计有一种新型的网丝强悍闭锁装置，装置结构如图3，主要包括定滑轮、钢丝绳、配重锤、万向轮等部件。通过装置伸缩拉钢丝绳，经过滑轮使门扇进行转动，进而实现风门的打开和关闭。

图3 风门新型闭锁装置示意图

2.2 工作原理

该新型抗压平衡式风门设计为异向同步开闭，采用压力平衡原理，运用设计的平行四连机械连杆机构把作用在风门上的压力转化成一种内力，实现平衡，可有效保障风门开闭的灵活性。当压力作用在门框外面的活动钢墙上时，可推动钢墙面向门框方向进行灵活的移动，进而可以调整钢墙之间的重合区域，可以有效地卸压，此时压力无法作用在门框上，避免了门框发生变形破坏。

2.3 重合钢墙改进及快速支架技术

2.3.1 风门槽型结构设计

该新型抗压平衡式风门在设计时采用了2 个互相重叠的槽型结构，风门在巷道安装完成后，如受到巷道压力，就会在受压后基于其槽型结构进而相互重叠，如图4。

图4 风门安装受压变形前后变化示意图（cm）

2.3.2 快速支架技术分析

新型抗压平衡式风门框底部用水泥砂浆浇筑牢固；门框两侧采用可调节长度的钢质拉杆，其底部使用锚杆固定在底板上。

新型抗压平衡式风门快速支架技术：（1）门框采用了2 组可抽插的槽型钢墙进而实现重合钢墙设计，该设计可以在受压情况下进行自动伸缩动作，最大伸缩变形量可以达到46 cm；（2）门框安装时，其底部及两侧全部都采用混凝土浇筑牢固，使用设计的可调拉杆连接浇筑件与风门框进行固定。

3 实践应用及效果分析

3.1 实践应用

宏远煤业三五盘区连接巷道的服务年限较长，同时受矿压影响较大，以往应用的双扇无压平衡风门常因变形而发生破坏，风门的管理和维护困难。根据三五盘区连接巷道的地质情况及巷道矿压挤压风门变形的特点，将设计的新型抗压平衡式风门完成研制后，于2020 年10 月在三五盘区连接巷道进行了安装试验，投入到实践应用，并对其应用效果进行了观测。

3.2 效果分析

新型抗压平衡式风门在三五盘区连接巷道应用后，从2020 年10 月至今，连接巷道宽平均变形量达35 cm，高平均变形量达27.4 cm，在该情况下风门变形率仍然较小，能正常使用，风门的漏风率始终保持在3%以下，有效保障了三五盘区连接巷道的通风系统的可靠性和安全性。新型抗压平衡式风门结构简单，其安装和维护较为便利，使用寿命长。

3.3 效益分析

（1）安全效益

三五盘区连接巷道为工作人员和车辆的必经之路，采用新型抗压平衡式风门后，消除了因矿压导致风门损坏而产生的安全隐患，给井下安全生产提供了保障。

（2）经济效益

新型抗压平衡式风门的应用，可大幅度降低风门设施的维修率，风门维修率可降低至之前的20%，如在该矿全面推广应用，每年可节约风门维修费用约6 万元。新型抗压平衡式风门的应用，风门的使用寿命大幅度提高，如在该矿全面推广应用，综合设备装备购置费用和使用寿命，每年可为煤矿节约设备费用约35 万元。

4 结语

巷道矿压易对井下通风系统设施造成破坏，并产生通风安装隐患，必须引起重视。本文对宏远煤业井下风门的应用现状和问题进行了分析，针对性地研制了一种新型抗压平衡式风门。其关键技术在于风门门框两侧两扇重叠的钢墙面设计，在压力来到时，可以通过调整钢结构墙面的重合部分，实现卸压效果，同时保障了风门的正常使用。实践应用效果表明：新型抗压平衡式风门在应用过程中能正常发挥其作用，在矿压作用下风门变形量小，能正常使用，风门的漏风率始终保持在3%以下，其安全效益和经济效益显著，为实现宏远煤业高产高效安全开采的目标奠定了基础。