人车同行自动闭锁风门优化设计

郭晓君

（霍州煤电集团亿隆煤业有限责任公司，山西 临汾 041600）

煤矿井下通风系统复杂，通风设施数量大，管理困难。针对该问题，若能实现风门自动控制，就可以避免出现风门漏风、常开等问题，还可以根据需要对风流进行调整，同时有利于防治火灾[1-3]。基于此，对亿隆煤矿井下风门进行结构和系统布局优化升级[4-7]，并在井下开展了应用和效果检验。

1 工程概况

1.1 矿井概况

亿隆煤矿通风方式为中央并列式，通风方法为抽出式，主、副井筒为进风井，回风井回风。风井配备2 台通风机，一备一用，型号为FBDCZ №25/2×250 kW，风机风量10 860 m3/min，静风压1 185.8 Pa。经测算，风机标准工况下，矿井进风量11 066 m3/min，回风量10 223 m3/min。目前能够满足矿井正常生产所需的最低风量为11 469 m3/min，实际风量略低于设计风量，且进风井中风速较高、矿井通风阻力较大。亿隆煤矿的通风系统相对脆弱，在无法进行整体通风系统改造的情况下，需要对局部通风系统进行优化，提高其稳定性。

1.2 存在问题分析

1）大风压行人风门。总回撤通道附近的风门为手动风门，风门两侧的压差较高，风门难以打开，造成矿工通行困难，通行过程中漏风量较大。在矿工通行后，由于风压较大的原因，风门会猛烈关闭，给行人安全造成隐患，同时易于损坏风门。

2）联动闭锁行车风门。在矿井皮带大巷和轨道大巷掘进过程中，每隔一段距离需要施工联络巷方便运输和回风，需要设置风门，通常为2 道。为防止2 道风门同时敞开造成风流短路，需要对其安装闭锁装置。矿井风门设计结构如图1。常见的闭锁装置为钢丝绳（镀锌）联动闭锁。在安装该闭锁装置后，电瓶车司机在通过风门时需要先制动停车，打开第1 道风门，并用风门挂钩固定，然后启动电瓶车，通过第1 道风门后再次制动停车，关闭第1 道风门，开启第2 道风门，通过后再次关闭第2 道风门。这样操作费时费力，频繁刹车、打开车门同样具有一定安全隐患。若司机忘记关闭风门还有可能造成大量漏风，对通风系统稳定性造成损害。若采用有人值守风门，人力成本较高，且无效投入较大。

图1 矿井风门结构示意图

3）平衡式自动行车风门。该风门施工时需在巷道两侧开挖硐室，工程成本较高，耗费人力物力。当风压很大的情况下，该风门关闭之后可能无法正常打开，必须施加外力，大大影响自动风门的便捷性。一旦出现突然停电，会造成电瓶车无法通过，影响矿井的安全高效生产。当风门两侧的风压较大时，两扇风门可能无法同时严密闭合，导致风门漏风。面对大风压的强负荷工作，还容易造成风门拉杆损坏，形成安全隐患。

通过上述分析，为提高风门通行效率，确保通过安全和通风系统稳定，需要设计人力辅助风门开启装置，红外传感自动开启风门，并将平面式和钝角式人车同行风门改为半圆弧式，实现设置简单、易操作、易维护，降低成本的同时提高安全效益。

2 风门优化方案

根据风门结构和通过原理，分别对小风门和大风门开启进行设计优化。

2.1 小风门辅助开启装置

人车同行的风门若设计为大风门，则行人通过时也必须全部打开风门，通风断面和风门阻力较大，存在漏风和开启困难的问题。因此，可以在大风门上设计小风门，有利于行人通行。小风门的辅助开启装置包括把手、固定装置、末端滚轮以及把手支点，详见图2。该装置把手起始段至支点长50 cm，支点至滚轮长10 cm，动力臂长度是阻力臂的5 倍。由杠杆原理可知，施加在动力臂上的力量通过该辅助装置可将5 倍的力量传导至阻力臂，从而使通行人员轻松地打开风门。在把手上合适位置多开几个孔，通过调整支点在把手上的位置可以对动力臂和阻力臂进行调整。当风压较大时，可以选择最短的阻力臂，这时传递最大的力量；当风压较小时，可以选择较长的阻力臂，提高辅助装置和风门的使用寿命。井下人员通过时，拉开把手，通过滚轮行程把风门打开一个小距离，卸压后可以轻松打开风门。

图2 风门辅助开启装置结构图

2.2 利用红外传感器的气动风门

自动气动风门由普通风门、风门控制主箱机、红外线传感器、声光语音箱和配重吊桶组成，风门控制主箱机是气动控制装置，如图3。行人或电瓶车接近风门时，红外线传感器监测，传递给主控制器，主控制器利用启动装置控制风门打开，行人或车辆通过风门后，由前方的红外线传感器监测到，控制风门闭合。配重吊桶起到配重作用，降低气动风门的阻力，可以根据风门阻力对配重进行调整。当风门执行相应动作时，声光语音箱予以播报，提醒行人或车辆。控制主箱机内设置电磁阀，和两侧风门的压风管路连通，实现风门的自动闭锁功能。

图3 自动气动风门结构图

2.3 半圆弧式气动风门

半圆弧式气动风门是在上述气动风门的原理上，对钝角式气动风门进行创新性改进而来的。

1）首先在上述气动风门基础上，增加行人风门（小风门）卸压驱动装置、门框、门扇等机械部件。该气动风门要求先施工风门的墙体，并设置预埋件，对门框进行固定，预埋件的高度要与风门接口一致。半圆弧式气动风门的门框需固定在墙壁上，并安两个门扇，在其中1 个门扇上设置行人风门，另1 个门扇上设置卸压孔，卸压孔与驱动装置连接。在门扇上方设置气缸座，并铰链气缸活塞。气动箱里电磁阀连接高压风管，并控制各个气缸开闭。

2）对风门的门扇进行改进。通常情况下风门的门扇是平直的，即平面式和钝角式。半圆弧式是将风门的迎风侧设计为半圆弧状，和平面式与钝角式门扇相比，其门扇的中部是半圆弧型的，使得门扇和风流夹角增加，大风门打开时风流的最大力矩位于门扇的中部，从而大大降低了风门门扇所受的风流力矩，降低了风流阻力，大风门开启更加轻松。半圆弧式门扇迎风侧弧面所受力矩情况如图4，半圆弧式气动风门运行原理如图5。

图4 门扇受力情况分析

图5 半圆弧式气动风门原理图

3 应用效果分析

由于普通风门存在开启困难、安全性差、易造成通风系统紊乱等问题，利用小风门辅助装置和半圆弧式启动风门，改善了风门的开启方式。

3.1 小风门辅助开启装置

利用杠杆原理设计风门辅助开启装置，将力量最大增加5 倍，风门卸压后能够顺利、轻松地打开风门。在把手上进行多孔设计，可以调整动力臂和阻力臂的大小，适应不同的风压情况。该设备小巧方便，易于安装，操作简单，在井下迅速推广，应用至今，大大降低了人员通过高风压风门的难度，工作人员的行动效率提高50%，发挥了良好的作用。

3.2 半圆弧式气动风门

半圆弧式气动风门，在实现人车同行的基础上，利用红外线传感器监测人员和车辆位置，通过气动箱里的电磁阀分别控制各部位的开闭，同时实现自动闭锁，声光语音箱可以对行人和车辆进行提醒，配重吊桶可以减轻启动装置负荷。该风门不用施工配套硐室，并利用高压空气作为动力，节省了电力成本；自动控制风门实现了无人值守，节省了人工成本。为了进一步降低风阻，创新性地将风门由钝角式、平面式调整为半圆弧式，将风流最大力矩控制在门扇中部，从而减小了门扇风阻，更加有利于开闭。该系统在亿隆煤矿运行一年来，优化风门的开启形式，大大提高通风系统的自动化、智能化水平，提高了通风系统的稳定性，降低了工人劳动强度，提高了流动效率，杜绝了风门伤人事故。

4 结论

1）针对风门风压较大、风门难以开启的问题，设计风门辅助开启装置。该装置利用杠杆原理，能够降低大压差风门的开启难度，通过调整力臂长度适应不同的风压情况，提高通行效率。

2）利用红外线传感器，设计了自动气动风门，创新性地设计了半圆弧式风门，能够将风流的最大力矩控制在门扇的中部，从而降低风门开启的风阻。该系统的应用在实现人车通行互不影响的基础上，降低了工程施工成本，节约了人力成本和电力成本，提高了矿井的智能化、自动化水平，使工作人员能够更加便捷地通过，提高了生产效率。

3）电磁阀控制风门的基础上，设计了自动闭锁装置。该装置能够将风门联锁，避免同时开启风门造成风流短路、危害通风安全的隐患。