楊福珍

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

防爆無軌膠輪車(含礦用人車、材料車等運(yùn)輸車輛)目前已在許多大型礦井中大量使用，不過車輛在使用過程中，由于工人超速行駛、操作不當(dāng)、掛檔失敗或者剎車制動失效等原因而發(fā)生安全事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。

近年來，煤礦井下無軌膠輪車引發(fā)的事故時有發(fā)生，國家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)察局要求各煤礦企業(yè)要進(jìn)一步加強(qiáng)井下無軌膠輪車使用的安全管理，采取有效的保護(hù)措施，保障人員運(yùn)輸安全。

《煤礦安全規(guī)程》(2016版)第392條明確規(guī)定：“長坡段巷道內(nèi)必須采取車輛失速安全措施”。因此，無論從安全生產(chǎn)實(shí)際需要方面，還是從國家政策層面，降低無軌膠輪車安全事故，實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車速度失控后的主動防御和保護(hù)，是非常迫切和必要的。

1 問題的提出

杭來灣煤礦參照神府礦區(qū)大柳塔、榆家梁等礦井的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，采用斜井開拓。其中副斜井為緩坡斜井，傾角5.5°，采用折返式繞行設(shè)計，總長約3 130 m(中間設(shè)50 m水平緩沖段)，井筒凈寬5.6 m、墻高1.8 m，凈斷面積22.4 m2。礦井輔助運(yùn)輸采用防爆無軌膠輪車連續(xù)運(yùn)輸，從礦井工業(yè)場地直達(dá)工作面連續(xù)運(yùn)輸。

2011年9月，該礦作業(yè)人員乘坐無軌膠輪人車從副斜井入井200 m后，發(fā)現(xiàn)車輛不能正常換檔、剎車失靈，滑行中撞在左側(cè)巷幫上，造成事故。

為避免類似事故的發(fā)生，造成人員傷亡和車輛損失，提高副斜井無軌膠輪車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。有必要研發(fā)設(shè)計一種先進(jìn)有效的車輛保護(hù)裝置或措施。

2 設(shè)計面臨的問題

目前，安全監(jiān)察部門和車輛使用企業(yè)應(yīng)對無軌膠輪車事故主要有以下3種措施。

2.1 從車輛生產(chǎn)源頭入手

進(jìn)一步嚴(yán)格無軌膠輪車產(chǎn)品的準(zhǔn)入條件，逐步提高生產(chǎn)企業(yè)的準(zhǔn)入門檻，促進(jìn)無軌膠輪車產(chǎn)品整體水平穩(wěn)步提升，從根源上提高車輛安全性。

2.2 從管理方式入手

嚴(yán)禁非防爆機(jī)動車輛入井，嚴(yán)禁采用非專用人車運(yùn)送井下作業(yè)人員。嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定，加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng)、用前安全檢查、定期檢驗(yàn)檢修和運(yùn)行管理，不得擅自拆除車輛安全保護(hù)設(shè)施。井下駕駛無軌膠輪車的作業(yè)人員必須具有與駕駛車輛對應(yīng)的機(jī)動車輛駕駛證和崗位操作資格，嚴(yán)禁不具備資格人員在井下駕駛車輛。

2.3 從運(yùn)行環(huán)境入手

加強(qiáng)巷道管理，在事故多發(fā)地段，沿巷道壁兩側(cè)掛設(shè)廢舊輪胎，一旦發(fā)生跑車事故，由司機(jī)不斷調(diào)整駕駛方向，用車身和廢舊輪胎產(chǎn)生摩擦，使車輛降速；或者參考高速公路下坡避險車道設(shè)置方法，在巷道中設(shè)計一段向上斜巷，斜巷底板上堆積沙子等柔性材料，起到降速、停車的目的[1]。

以上防治措施中，第1種措施雖然可以降低無軌膠輪車發(fā)生失速的概率，但無法杜絕車輛安全事故的發(fā)生。車輛發(fā)生事故后，仍可能造成失控后發(fā)生車毀人亡的事故，風(fēng)險源仍存在。第2種措施與礦井安全生產(chǎn)管理水平密切相關(guān)，但由于目前煤礦管理水平、工人的技術(shù)水平良莠不齊，若安全監(jiān)察不到位，還是易發(fā)生車輛安全運(yùn)行事故，且該措施也無自動保護(hù)功能。第3種措施主要是針對事故發(fā)生后的應(yīng)對，是一種比較有效的防治方案，但其使用效果和司機(jī)的駕駛水平、應(yīng)急反應(yīng)密切相關(guān)。車輛失控后，一般車速比較快，若司機(jī)操作不當(dāng)或反應(yīng)滯后，就可能發(fā)生車輛撞擊、側(cè)翻等安全事故，達(dá)不到預(yù)期效果。且在巷道中設(shè)置斜巷，不易解決巷道通風(fēng)問題。當(dāng)車速過快時，車輛能否按照理想的狀態(tài)駛?cè)氡茈U巷道有待驗(yàn)證，故在實(shí)際應(yīng)用中，采用此類巷道作為車輛避險措施的礦井比較少。

上述幾種無軌膠輪車跑車事故的防治措施，存在可靠性不高，使用效果不理想等缺點(diǎn)。對此，經(jīng)過仔細(xì)研究，實(shí)地走訪礦山設(shè)備企業(yè)，針對該礦副斜井輔助運(yùn)輸線路特點(diǎn)，設(shè)計采用一種新型無軌膠輪車失速保護(hù)裝置，在無軌膠輪車發(fā)生速度失控時，可以給車輛提供一個外在的可靠而且平穩(wěn)的拉力，使車輛逐漸減速制動，避免持續(xù)向下跑車。該系統(tǒng)相比其它的減速制動措施，制動效果好，對人員和車輛損傷小，實(shí)現(xiàn)了對無軌膠輪車速度失控的主動防御和保護(hù)，有效地降低了無軌膠輪車速度失控后發(fā)生事故風(fēng)險的概率，極大地提高了無軌膠輪車運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性。

3 失速保護(hù)裝置設(shè)計方案

3.1 失速保護(hù)裝置系統(tǒng)組成及工作原理

3.1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由2個部分組成：其一為車載設(shè)備，全部安裝在無軌膠輪車車輛本體上；其二為巷道內(nèi)設(shè)備，設(shè)置在運(yùn)行線路巷道上。

車載設(shè)備：車載設(shè)備由本安電源、車載傳感器、車載無線基站、尾鉤釋放裝置、尾鉤等設(shè)備組成。這些設(shè)備與車輛本體均無直接聯(lián)系，有獨(dú)立的液壓、機(jī)械制動、電控等系統(tǒng)，安裝后不改變車輛原有的機(jī)械、電氣操控以及機(jī)械制動等性能。

巷道內(nèi)設(shè)備：巷道內(nèi)設(shè)備由巷道控制箱、本安型無線基站、阻攔繩索—吸能器系統(tǒng)、巷道LED報警顯示屏等設(shè)備組成。

3.1.2 工作原理

無軌膠輪車失速保護(hù)系統(tǒng)分為機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。

機(jī)械系統(tǒng)采用尾鉤掛阻攔繩索的方式進(jìn)行制動。在車輛因制動失靈，發(fā)生失速跑車后，司機(jī)緊急踩下尾鉤釋放裝置的踏板，釋放尾鉤。由于此時車速還處于上升階段，司機(jī)仍可以較易控制車輛行駛方向，保持車輛直道行駛，避免撞擊側(cè)巷。當(dāng)車輛尾鉤行進(jìn)到阻攔繩索所在位置時，連接兩吸能器的阻攔繩索就會被尾鉤捕捉，對車輛施加恒定的外力，使車輛減速制動，緩沖一定距離后，最終使車輛停下來。由于被捕捉車輛受到外力方向?yàn)橄蚝蟆⑾蛳?，并且吸能器提供的力較為均衡，故對車輛及其內(nèi)人員沖擊較小。車輛尾鉤具備防脫功能，確保阻攔索進(jìn)入尾鉤后不會脫出。阻攔繩索可在尾鉤內(nèi)竄動調(diào)整，車輛無側(cè)翻危險[1]。

電控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測尾鉤的狀態(tài)，并將車輛信息及時上傳至基站。接收到機(jī)械制動系統(tǒng)釋放尾鉤的信號后，車載無線基站將發(fā)出車內(nèi)聲光報警信號，提示車內(nèi)人員尾鉤已經(jīng)釋放，做好應(yīng)對準(zhǔn)備。同時，在巷道內(nèi)通過LED顯示屏同步報警，提醒其他車輛有效避讓。該信息同時經(jīng)過基站上傳至地面監(jiān)控中心系統(tǒng)[2-4]。

車輛制動系統(tǒng)示意如圖1所示。

1-踏板;2-油壺;3-油管；4-尾鉤;5-阻攔繩索;6-吸能器

3.2 方案設(shè)計

3.2.1 設(shè)計依據(jù)

巷道參數(shù)：緩坡斜井，傾角5.5°，采用折返式繞行設(shè)計，總長約3 130 m(中間設(shè)置50 m水平緩沖段)。

運(yùn)輸車輛參數(shù)：無軌膠輪車總質(zhì)量(含載重)為2～13 t；運(yùn)送人員車速≤15 km/h；運(yùn)送材料車速≤18 km/h；車輛最大行駛速度≤38 km/h；需要安裝的車輛數(shù)為30輛。

3.2.2 方案

在副斜井巷道內(nèi)共設(shè)計6組(12道)阻攔繩索-吸能器，設(shè)置位置均在直段巷道上。第1組設(shè)置在距井口約600 m處，之后每隔500 m設(shè)置一組。

每個吸能器輸出摩擦力標(biāo)定以正常使用的最小質(zhì)量2 t的車輛進(jìn)行設(shè)計標(biāo)定，滿足最小質(zhì)量的車輛攔截使用，同時，在吸能器繩輪內(nèi)儲備有足夠的鋼絲繩，滿足大質(zhì)量13 t的車輛攔截使用。

每組制動單元設(shè)有兩道阻攔繩索，阻攔繩索所處地面需做局部處理，以保證尾鉤能順利掛住阻攔繩索。

每道捕捉系統(tǒng)由2組阻攔繩索-吸能器組成，一用一備，每組阻攔繩索布置原則是相鄰2組阻攔繩索之間間距為50 m。

阻攔繩索-吸能器硐室設(shè)計尺寸：斜井井筒砼底板以上凈高度為1.3 m，砼底板以下下挖1 m×1 m(長×寬)，水平凈深度為1.2 m。

底板以上開挖部分用水泥砂漿將裸露表面進(jìn)行保護(hù)，副斜井巷道每個吸能器位置所掘硐室采用100 mm厚度水泥砂漿層進(jìn)行保護(hù)。

3.3 失速保護(hù)裝置配置

副斜井無軌膠輪車失速保護(hù)系統(tǒng)配置見表1。

表1 副斜井無軌膠輪車失速保護(hù)系統(tǒng)配置

4 失速保護(hù)系統(tǒng)驗(yàn)證及使用效果

4.1 失速保護(hù)系統(tǒng)驗(yàn)證

2013年該礦根據(jù)設(shè)計進(jìn)行施工，同年12月安裝完畢，由建設(shè)單位組織安全部門、設(shè)備廠家、設(shè)計、施工單位進(jìn)行驗(yàn)收，并對系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)均達(dá)到了預(yù)期效果，車輛和人員均得到安全保護(hù)，具體測試流程如下。

總質(zhì)量約為15 t的無軌膠輪車以60 km/h的速度駛來(超載、超速)。

在距離阻攔索[5-6]約 30 m距離時，司機(jī)釋放尾鉤。尾鉤釋放后，在自身重力和拉簧的作用力下落向地面，并緊貼地面隨車輛前行。

尾鉤勾住阻攔索并鎖定。

尾鉤勾住阻攔索后，開始減速制動，緩沖制動減速度在0.5～2.5 g范圍內(nèi)。

車輛被成功緩沖制動，人員無不良生理反應(yīng)，并能安全下車。

4.2 使用效果分析

該礦無軌膠輪車速度失控保護(hù)系統(tǒng)[7]自2013年12月投用后，副斜井未發(fā)生過車輛運(yùn)行傷亡事故。每年對系統(tǒng)進(jìn)行失速測試[8-9]，系統(tǒng)測試攔截效果達(dá)100%。實(shí)際生產(chǎn)過程中，曾發(fā)生過2次保護(hù)裝置啟用，其中一次距副斜井井底約750 m處，由于超速駕駛，系統(tǒng)自動報警，司機(jī)緊急啟動裝置；另一次在副斜井中部距井口約1 680 m處，材料車下行過程中發(fā)生失速后，保護(hù)系統(tǒng)及時啟動，安全欄截。經(jīng)事后分析，2次攔截均達(dá)到失速保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置的預(yù)期效果[10-12]。

5 結(jié)論

無軌膠輪車速度失速保護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠有效阻攔速度失控的無軌膠輪車，吸能器能夠把無軌膠輪車的動能轉(zhuǎn)化為吸能器自身的熱能并消耗掉，起到良好的制動效果，大大降低了跑車事故的危害。

該系統(tǒng)可以確保在無軌膠輪車各種速度失控狀態(tài)下，對其實(shí)現(xiàn)有效制動，并確保司機(jī)和乘員的人身安全。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有可靠性較高、操作簡潔、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)安裝簡單，不會造成原有車輛結(jié)構(gòu)及性能的改變。安裝在無軌膠輪車上的無線車載報警器在膠輪車速度失控攔截時能及時發(fā)出報警信號，及時有效地提醒其他車輛進(jìn)行避讓。該系統(tǒng)對解決當(dāng)前煤礦井下無軌膠輪車跑車事故效果顯著，具有較大的安全效益和社會效益。