郭曉君
(霍州煤電集團億隆煤業(yè)有限責任公司,山西 臨汾 041600)
煤礦井下通風系統(tǒng)復雜,通風設(shè)施數(shù)量大,管理困難。針對該問題,若能實現(xiàn)風門自動控制,就可以避免出現(xiàn)風門漏風、常開等問題,還可以根據(jù)需要對風流進行調(diào)整,同時有利于防治火災(zāi)[1-3]?;诖?,對億隆煤礦井下風門進行結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布局優(yōu)化升級[4-7],并在井下開展了應(yīng)用和效果檢驗。
億隆煤礦通風方式為中央并列式,通風方法為抽出式,主、副井筒為進風井,回風井回風。風井配備2 臺通風機,一備一用,型號為FBDCZ №25/2×250 kW,風機風量10 860 m3/min,靜風壓1 185.8 Pa。經(jīng)測算,風機標準工況下,礦井進風量11 066 m3/min,回風量10 223 m3/min。目前能夠滿足礦井正常生產(chǎn)所需的最低風量為11 469 m3/min,實際風量略低于設(shè)計風量,且進風井中風速較高、礦井通風阻力較大。億隆煤礦的通風系統(tǒng)相對脆弱,在無法進行整體通風系統(tǒng)改造的情況下,需要對局部通風系統(tǒng)進行優(yōu)化,提高其穩(wěn)定性。
1)大風壓行人風門??偦爻吠ǖ栏浇娘L門為手動風門,風門兩側(cè)的壓差較高,風門難以打開,造成礦工通行困難,通行過程中漏風量較大。在礦工通行后,由于風壓較大的原因,風門會猛烈關(guān)閉,給行人安全造成隱患,同時易于損壞風門。
2)聯(lián)動閉鎖行車風門。在礦井皮帶大巷和軌道大巷掘進過程中,每隔一段距離需要施工聯(lián)絡(luò)巷方便運輸和回風,需要設(shè)置風門,通常為2 道。為防止2 道風門同時敞開造成風流短路,需要對其安裝閉鎖裝置。礦井風門設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1。常見的閉鎖裝置為鋼絲繩(鍍鋅)聯(lián)動閉鎖。在安裝該閉鎖裝置后,電瓶車司機在通過風門時需要先制動停車,打開第1 道風門,并用風門掛鉤固定,然后啟動電瓶車,通過第1 道風門后再次制動停車,關(guān)閉第1 道風門,開啟第2 道風門,通過后再次關(guān)閉第2 道風門。這樣操作費時費力,頻繁剎車、打開車門同樣具有一定安全隱患。若司機忘記關(guān)閉風門還有可能造成大量漏風,對通風系統(tǒng)穩(wěn)定性造成損害。若采用有人值守風門,人力成本較高,且無效投入較大。
圖1 礦井風門結(jié)構(gòu)示意圖
3)平衡式自動行車風門。該風門施工時需在巷道兩側(cè)開挖硐室,工程成本較高,耗費人力物力。當風壓很大的情況下,該風門關(guān)閉之后可能無法正常打開,必須施加外力,大大影響自動風門的便捷性。一旦出現(xiàn)突然停電,會造成電瓶車無法通過,影響礦井的安全高效生產(chǎn)。當風門兩側(cè)的風壓較大時,兩扇風門可能無法同時嚴密閉合,導致風門漏風。面對大風壓的強負荷工作,還容易造成風門拉桿損壞,形成安全隱患。
通過上述分析,為提高風門通行效率,確保通過安全和通風系統(tǒng)穩(wěn)定,需要設(shè)計人力輔助風門開啟裝置,紅外傳感自動開啟風門,并將平面式和鈍角式人車同行風門改為半圓弧式,實現(xiàn)設(shè)置簡單、易操作、易維護,降低成本的同時提高安全效益。
根據(jù)風門結(jié)構(gòu)和通過原理,分別對小風門和大風門開啟進行設(shè)計優(yōu)化。
人車同行的風門若設(shè)計為大風門,則行人通過時也必須全部打開風門,通風斷面和風門阻力較大,存在漏風和開啟困難的問題。因此,可以在大風門上設(shè)計小風門,有利于行人通行。小風門的輔助開啟裝置包括把手、固定裝置、末端滾輪以及把手支點,詳見圖2。該裝置把手起始段至支點長50 cm,支點至滾輪長10 cm,動力臂長度是阻力臂的5 倍。由杠桿原理可知,施加在動力臂上的力量通過該輔助裝置可將5 倍的力量傳導至阻力臂,從而使通行人員輕松地打開風門。在把手上合適位置多開幾個孔,通過調(diào)整支點在把手上的位置可以對動力臂和阻力臂進行調(diào)整。當風壓較大時,可以選擇最短的阻力臂,這時傳遞最大的力量;當風壓較小時,可以選擇較長的阻力臂,提高輔助裝置和風門的使用壽命。井下人員通過時,拉開把手,通過滾輪行程把風門打開一個小距離,卸壓后可以輕松打開風門。
圖2 風門輔助開啟裝置結(jié)構(gòu)圖
自動氣動風門由普通風門、風門控制主箱機、紅外線傳感器、聲光語音箱和配重吊桶組成,風門控制主箱機是氣動控制裝置,如圖3。行人或電瓶車接近風門時,紅外線傳感器監(jiān)測,傳遞給主控制器,主控制器利用啟動裝置控制風門打開,行人或車輛通過風門后,由前方的紅外線傳感器監(jiān)測到,控制風門閉合。配重吊桶起到配重作用,降低氣動風門的阻力,可以根據(jù)風門阻力對配重進行調(diào)整。當風門執(zhí)行相應(yīng)動作時,聲光語音箱予以播報,提醒行人或車輛??刂浦飨錂C內(nèi)設(shè)置電磁閥,和兩側(cè)風門的壓風管路連通,實現(xiàn)風門的自動閉鎖功能。
圖3 自動氣動風門結(jié)構(gòu)圖
半圓弧式氣動風門是在上述氣動風門的原理上,對鈍角式氣動風門進行創(chuàng)新性改進而來的。
1)首先在上述氣動風門基礎(chǔ)上,增加行人風門(小風門)卸壓驅(qū)動裝置、門框、門扇等機械部件。該氣動風門要求先施工風門的墻體,并設(shè)置預(yù)埋件,對門框進行固定,預(yù)埋件的高度要與風門接口一致。半圓弧式氣動風門的門框需固定在墻壁上,并安兩個門扇,在其中1 個門扇上設(shè)置行人風門,另1 個門扇上設(shè)置卸壓孔,卸壓孔與驅(qū)動裝置連接。在門扇上方設(shè)置氣缸座,并鉸鏈氣缸活塞。氣動箱里電磁閥連接高壓風管,并控制各個氣缸開閉。
2)對風門的門扇進行改進。通常情況下風門的門扇是平直的,即平面式和鈍角式。半圓弧式是將風門的迎風側(cè)設(shè)計為半圓弧狀,和平面式與鈍角式門扇相比,其門扇的中部是半圓弧型的,使得門扇和風流夾角增加,大風門打開時風流的最大力矩位于門扇的中部,從而大大降低了風門門扇所受的風流力矩,降低了風流阻力,大風門開啟更加輕松。半圓弧式門扇迎風側(cè)弧面所受力矩情況如圖4,半圓弧式氣動風門運行原理如圖5。
圖4 門扇受力情況分析
圖5 半圓弧式氣動風門原理圖
由于普通風門存在開啟困難、安全性差、易造成通風系統(tǒng)紊亂等問題,利用小風門輔助裝置和半圓弧式啟動風門,改善了風門的開啟方式。
利用杠桿原理設(shè)計風門輔助開啟裝置,將力量最大增加5 倍,風門卸壓后能夠順利、輕松地打開風門。在把手上進行多孔設(shè)計,可以調(diào)整動力臂和阻力臂的大小,適應(yīng)不同的風壓情況。該設(shè)備小巧方便,易于安裝,操作簡單,在井下迅速推廣,應(yīng)用至今,大大降低了人員通過高風壓風門的難度,工作人員的行動效率提高50%,發(fā)揮了良好的作用。
半圓弧式氣動風門,在實現(xiàn)人車同行的基礎(chǔ)上,利用紅外線傳感器監(jiān)測人員和車輛位置,通過氣動箱里的電磁閥分別控制各部位的開閉,同時實現(xiàn)自動閉鎖,聲光語音箱可以對行人和車輛進行提醒,配重吊桶可以減輕啟動裝置負荷。該風門不用施工配套硐室,并利用高壓空氣作為動力,節(jié)省了電力成本;自動控制風門實現(xiàn)了無人值守,節(jié)省了人工成本。為了進一步降低風阻,創(chuàng)新性地將風門由鈍角式、平面式調(diào)整為半圓弧式,將風流最大力矩控制在門扇中部,從而減小了門扇風阻,更加有利于開閉。該系統(tǒng)在億隆煤礦運行一年來,優(yōu)化風門的開啟形式,大大提高通風系統(tǒng)的自動化、智能化水平,提高了通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低了工人勞動強度,提高了流動效率,杜絕了風門傷人事故。
1)針對風門風壓較大、風門難以開啟的問題,設(shè)計風門輔助開啟裝置。該裝置利用杠桿原理,能夠降低大壓差風門的開啟難度,通過調(diào)整力臂長度適應(yīng)不同的風壓情況,提高通行效率。
2)利用紅外線傳感器,設(shè)計了自動氣動風門,創(chuàng)新性地設(shè)計了半圓弧式風門,能夠?qū)L流的最大力矩控制在門扇的中部,從而降低風門開啟的風阻。該系統(tǒng)的應(yīng)用在實現(xiàn)人車通行互不影響的基礎(chǔ)上,降低了工程施工成本,節(jié)約了人力成本和電力成本,提高了礦井的智能化、自動化水平,使工作人員能夠更加便捷地通過,提高了生產(chǎn)效率。
3)電磁閥控制風門的基礎(chǔ)上,設(shè)計了自動閉鎖裝置。該裝置能夠?qū)L門聯(lián)鎖,避免同時開啟風門造成風流短路、危害通風安全的隱患。