智能矿山人车同行自动闭锁风门优化设计

梁庆荣

(国能神东煤炭集团有限责任公司补连塔煤矿，陕西 榆林 719300)

0 引言

智能矿山建设实施的具体措施，可以通过对矿井主运、生产、通风、安全、监测、调度以及管理系统不断优化升级，来提高矿井智能化水平。随着矿井采掘深度和广度的延伸，通风系统稳定供给通风量对于矿井安全高效生产的作用愈发明显，风门在井下的应用越来越广泛。风门是煤矿主要通风设施，井下通过设置风门来控制通风流量以达到预期的风量分配，风门设置不达标，轻者造成矿井风流紊乱，采掘工作面风量不足，局扇吸循环风；重者可能造成瓦斯异常涌出，引起瓦斯爆炸事故[1]。在日常的风门施工过程中，施工人员在施工方法和步骤上存在问题，施工过程仅凭感觉和经验，而不利用水平和垂直工具安装风门的做法，经常出现重复翻工的现象，风门施工地点及风门设置一般要求巷道成形、支护良好，无片帮、冒顶、裂隙现象，避免建在双道、弯道、道岔、斜坡(大于10°经验判断)上；一组风门不少于2道，行车风门间距不少于一列车长度，一般不少于12 m，行人风门间距不少于5 m；满足上述条件后，尽量选择在能支起框的较小断面处，这样可以节省人力物力。此外，门框固定先将巷道底部掏槽砌平，将门框与门梁组装起来，使门框与门梁互成直角；为保证风门能自动关闭，门框安装必须有一定倾斜度，正向门扇启开方向与风流方向相反，反向门扇启开方向与风流方向一致，防止反向安装，门轴与门框要向关门方向(顺风方向)倾斜15°。

随着井下采掘布置向深部延伸，井下通风设施构筑较为频繁，通风设施增多，维护难度增加[2]。风门用于对一定区域内的通风量进行控制，当出现瓦斯浓度升高时就加大通风量，确保瓦斯含量在安全范围内。当发生火灾时则会关闭风门，停止火灾区域内的空气流动，实现灭火[3]。目前风门的远程控制有气控、电控液压、多控式等多种方式[4]。为保证矿井安全生产，通风系统稳定，减少无效漏风，防止通风系统紊乱，为适应各种工作环境的生产需要，风门需要在结构和系统布局进行优化升级。合理选择和配置风门，是有效提高矿井抗灾、避灾能力的一项必不可少的重要工作措施[5]。通过调研最近5 a关于矿井风门研究发展现状和引用下载量前10的期刊论文，针对矿井大小风门结构及开启装置进行优化。

1 工程背景

井下靠近总回撤通道安设的行人风门内外压差较大，作业人员打开困难，通过时极不方便[6]。同时，当作业人员通过后，由于风门内外压差较大，在关闭风门时门扇会猛烈地撞击门框，容易导致行人风门损坏[7]。为方便行人、行车，在确保矿井通风系统稳定的前提下，井下两巷道之间通常设置有行车风门，行车风门一般设置两道，为了防止两道风门同时打开导致通风系统紊乱，行车风门间必须安设闭锁装置[8]。矿井风门安装如图1所示。

图1 矿井风门安装示意

钢丝绳联动闭锁装置控制的行车风门，无人值守行车风门，司机需要熄火停车开第一道门，开过第一道风门后停车熄火关第一道门开第二道门，开过第二道风门后停车熄火关第二道门，耗时费力，且停车及上下车存在较大安全隐患；有人值守行车风门人力资源投入甚高[9]。风门开启后需要上挂钩，挂钩在长时间的使用中可靠性降低，容易造成机械伤害事故。作业人员驾驶车辆通过后，一旦忘记关风门，使风门长时间处于开启状态，将会导致通风系统短路引发重大安全事故。

平衡式自动行车风门需要在门框两侧的巷帮上挖掘硐室，人工成本高，耗时费力，并存在一定的安全隐患，且当负压较大时，平衡式自动行车风门在关闭后经常无法自动开启，需要借助外力，使用起来极不方便[10-11]。当遇到突然断电事故，车辆将彻底无法通行，给井下正常生产带来很大不便，降低工作效率；传统自动风门在开启时承受最大的负压；由于风门开启时每道风门的两扇门体向相反方向开启，当风压较大时，两扇风门无法关闭严密，门扇之间存在缝隙，造成巷道漏风，长时间在风压作用下会导致风门推拉杆断裂、门体变形，存在重大安全隐患[12-14]。

基于以上分析，为方便行人、行车通行，风门安全便捷开闭，提出一种行人风门辅助开启装置，以及对平面式和钝角式改进的半圆弧式人车同行风门，通行效率高，使用电气设备少，以此化解部分安全隐患，保证通风系统正常稳定运行，降低矿井安全生产人力资源成本、提高风门安全系数和工作效率。

2 优化原理

在确保矿井通风系统稳定的前提下，为方便行人、行车风门便捷开闭，对大小风门结构及开启装置分别作以下优化。

2.1 行人风门辅助开启装置

小风门辅助开启装置主要由开门拉杆、固定装置、支点、滚轮组成。如图2所示，行人风门辅助开启装置原理所示，利用杠杆原理来设计开门把手到支点和支点到滚轮之间的距离，即开门把手到支点的距离为50 cm，支点到滚轮的距离为10 cm。根据杠杆原理可知，通过风门把手来开门与直接用手推门的方式相比，作业人员使用同样大小的力经过辅助开启装置可以传递5倍力量到风门门扇。通过在支点与滚轮间打眼增加螺栓数量，进而实现支点到滚轮之间距离的可调节性，以应对各种条件下风门内外不同的压差值。当风门内外压力差较小时，将支点到滚轮之间的距离调节到最大，以避免滚轮作用力过大可能对风门造成的损坏；当风门内外压力差极大时，将支点到滚轮之间的距离调节到最小，以获得最大的力确保顺利打开风门。作业人员在通过风门时，将开门把手向上拉起，支点另一侧滚轮向下滚动，将风门打开，此时风门内外压差迅速减小(起到泄压的作用)，作业人员用手就可以轻松推开行人风门。

图2 行人风门辅助开启装置原理

2.2 半圆弧式人车同行风门

半圆弧式人车同行风门是基于钝角式自动行车风门的进一步创新，主要由小风门卸压驱动装置、大风门气动驱动装置、门框、门扇等机械部件和E3Z-TA型红外传感器、气控箱、手动开关、语音报警器等电气设备组成。气控箱内有电磁阀，分别与红外传感器和压风管路相连接，共同作用完成自动闭锁功能[15-16]。气动风门主要安装在大巷、进回风巷，先用施工用砖在煤壁旁砌筑风门墙体，墙体里有风门预埋件，用于固定风门门框[17]。

半圆弧式高负压气动同向开启式风门结构包括一对门框，每个门框固定在巷道墙壁，门框内在竖直方向铰接有一对同向开启的门扇，一个门扇上设有行人窗口，另一个门扇中部设有泄压口，泄压门扇顶部与泄压门驱动装置的驱动端铰接，泄压门驱动装置的固定端与门扇铰接，门扇上方靠近铰接边的一侧均设有气缸固定座，气缸固定座与气缸的活塞端铰接，气缸的缸筒底部与门框上横梁铰接，泄压口驱动装置和气缸的进气端与气控箱内的电磁阀出气端连接，电磁阀的进气端与风压系统连接，门框内、外两侧分别设有红外传感装置和手动按钮，门框内侧的两侧所述巷道壁分别设置防挤伤装置，手动按钮、红外传感器均与电控箱连接，电控箱与电磁阀连接，当风门开启时，气动报警装置发出警告提醒工作人员注意[18-19]。

半圆弧式人车同行风门最大的特点是，门框内铰接的一对迎风流方向成半圆弧式门扇，相比门扇钝角式和平面式设计，风门的门扇中间部位为半圆弧式，半圆弧式门扇迎风面与风流方向夹角变大，开启行车风门承受的风力力矩在门扇的中间部位最大，半圆弧式的门扇设计使得门扇开启风力力矩被极大程度降低，开启风门所受风阻减小，行车风门开启更加便捷。风门门扇迎风受力分析如图3所示。

图3 风门门扇迎风受力分析

3 优化效果

行人风门开启辅助装置和半圆弧式人车同行风门结构优化设计，改善了风门的开启方式，提高了矿井机械化和自动化的程度，减少了人工开启风门造成的伤害事故，降低了人工开启风门的劳动强度，提高了矿井的智能化安全管理水平。

3.1 行人风门开启辅助装置

通过利用杠杆原理所设计的行人风门开启辅助装置，作业人员通过操作机械设备来减小风门内外压力差，确保人员能够在行人风门内外压差较大的情况下轻松打开行人风门，同时也能缓解因内外压差大导致门框容易变形的问题。自投入使用以来，极大地方便了作业人员的通行，提高了人员流动效率，间接提高了矿井生产效率。行人风门辅助开启装置在矿井实际应用如图4所示。

图4 风门辅助开启装置实际应用

3.2 半圆弧式人车同行风门

半圆弧式人车同行风门无需挖掘硐室，通过气动代替电动控制，减少人力资源投入，降低电能损耗，节约了生产成本；为确保矿井安全生产，通风系统的稳定，减少无效的漏风，半圆弧式风门设计进一步减少了风流负压带来的阻力，钝角式风门在补连塔煤矿自投入使用以来，安全稳定工作了5年，半圆弧式是基于钝角式风门设计的进一步创新。改善了风门的开启方式，全面提高了矿井机械化和自动化的程度，减少了人工开启风门造成的伤害事故，降低了人工开启风门的劳动强度，提高了矿井的安全管理水平[20]。钝角式气动风门实际应用如图5所示，半圆弧式气动风门设计如图6所示。

图5 钝角式气动风门实际应用

图6 半圆弧式气动风门设计

4 结论

(1)针对风门内外压差较大的情况，通过杠杆原理所设计的行人风门开启辅助装置，作业人员通过操作机械设备来减小风门内外压力差，确保作业人员能够在行人风门内外压差较大的情况下轻松打开行人风门，同时也能缓解因内外压差大导致门框容易变形的问题。

(2)相比门扇钝角式和平面式设计，半圆弧式风门迎风面与风流方向夹角变大，开启行车风门承受的风力力矩极大程度降低，开启风门所受风阻减小，减少人力资源投入，降低电能损耗，节约了生产成本，行车风门开启更加便捷。半圆弧式人车同行风门设计，可保证矿井安全生产，通风系统稳定，对减少无效漏风做进一步的保障。

(3)为防止两道风门同时打开导致通风系统紊乱，在两道行车风门间安设自动闭锁装置，在减少井下作业人员数量和降低生产成本等方面得到改善。