斜巷挡车栏自动起落装置的研究与设计

李伟华 张杭杭

（山东能源枣矿集团高庄煤业有限公司，山东 微山 277605）

矿井斜巷提升运输是矿井生产环节的重要组成部分，贯穿于矿井的各个生产环节，关系到煤矿所有设备与材料的运输斜巷运输系统的安全运行，对矿井安全生产和保障矿工生命健康意义重大。据统计，矿井斜巷轨道运输事故伤亡人数约占煤矿事故总伤亡人数的18%。斜巷轨道运输事故主要包括矿车自由逃逸（跑飞车）事故、带绳跑车事故、矿车掉道上道事故、行车行人或行车时有人在绞车眼不安全范围内施工造成的事故、物件生根不牢等其他事故。其中，矿车自由逃逸（跑飞车）事故和带绳跑车事故占据相当大的比例[1]。本文研究的重点是通过自动化手段降低因跑车造成的事故损失。

1 研究背景

高庄煤业公司某斜巷全长217m，运输最大距离180m。运输要求能够提升两辆矿车（表1），下车场为120°甩车场，采用JD-2.5型（40kW）调度绞车作为提升设备。绞车及相关安全设施安装位置见图1，绞车部分参数见表2。

图1 现场概况及安全设施示意图

表1 斜巷参数及提升要求

根据《煤矿安全规程》及公司相关规定，除在上车场安装“一坡三挡”等安全设施外，为防止绞车在运行过程中出现跑车、溜车等状况，在下把勾变坡点上方设置了第二道挡车栏，在运输距离超过100m的巷道必须安设超速捕车器，要求“把钩人员应根据绞车运行速度及斜巷长度在矿车距离下把勾挡车栏小于100m时方可打开下把勾挡车栏”。

表2 JD-2.5型（40kW）调度绞车部分参数

但在现场操作过程中，存在较多不便。一是受井下环境影响，人员很难判断矿车位置，经常提前升起或滞后升起挡车栏。提前升起，该挡车栏的作用就大打折扣，滞后升起，就要紧急刹车，对钢丝绳的使用寿命及绞车状态产生较大影响；二是人员要走出安全硐室观察矿车位置，特别是有甩车场的斜巷，把勾人员必须到直巷段才能观察到矿车位置，从而存在较大的安全隐患。

2 装置的研究设计

2.1 方案研究

为解决现场存在的安全隐患，保证斜巷运输安全，在原有安全设施基础上实现下把勾挡车栏自动升起，高庄煤业公司技术人员进行了大量研究、现场测试。

原有安全设施存在的问题在于：一是需要人工判断矿车所在位置，并且要完成相关操作，存在判断不准确性，操作不稳定性；二是人工判断、操作时要走出安全硐室，存在较大的安全隐患。该设计的目的主要就是克服这两点，实现挡车栏升降自动化。

针对人员判断不准确的问题，技术人员设计选用矿车传感器（电感式接近开关，以下统称为矿车传感器），即将矿车传感器安装到指定位置，当有矿车通过时，传感器向装置主机发出信号，经斜巷运输挡车栏自起装置主机对声信号进行处理，并发出相关指令。同时，通过声光报警等方式提示下把勾人员矿车已经到达升起挡车栏的位置，挡车栏正在升起时，提醒下把勾人员注意观察挡车栏是否已升起，如果未升起应立即采取人工升起或打定点停止绞车运行等措施。

2.2 装置设计

斜巷运输挡车栏自起装置主要包括主机（处理器、矿车传感器、声光报警模块）、升降按钮、动作执行电磁阀及相关连接管线等。

矿车传感器的安装。矿车传感器的安装位置应根据绞车运行速度、斜巷长度、挡车栏升起所用时间等进行计算。

查阅表2，JD-2.5型（40kW）调度绞车最大绳速为1.46m/s，最小绳速为1.16m/s，平均绳速为1.31m/s，为保证装置可靠性，取最大绳速为计算速度，即v=1.46m/s。

挡车栏升起速度受压风风压大小及巷道高度等因素影响明显，现场实测挡车栏升起时间一般为3～8s。为确保挡车栏完全升起，技术人员设定挡车栏升起所用时间为t1=10s，同时，为防止特殊情况发生，给人员充足时间处理，设定挡车栏升起时间系数必须大于2，即挡车栏必须在矿车到达前t2=20s完全开启。所以，从接收到升起挡车栏信号到矿车到达挡车栏位置所用时间应不小于t=t1+t2=30s。根据绳速和所用时间计算，得金属传感器安装位置，即到下把勾挡车栏的距离：

l=vt=1.46×30=43.8m

另外，经测试将传感器置于矿车轮毂下方为最有效监测点，安装方式见图2。因矿车轮毂与两轨道之间存在间隙，防止矿车运行中偏向某一轨道，造成传感器检测不到矿车通过，矿车传感器安装时应成对安装。同时为防止单组传感器因某些原因检测失败，在第一组传感器上方10m处增设第二组传感器，保证传感器检测效果。

主机、升降按钮、动作执行电磁阀等可根据需要置于下把勾操作硐室等便于观察操作地点，并对照工作原理图（图3）进行连接。

2.3 装置工作原理

当有松车任务时，开启调度绞车，绞车磁力启动器内松车组接触器及辅助触点K1（见图4）接通，装置进入检测阶段。当矿车经过传感器处，传感器发出信号，处理器接收、处理信号并发出指令，声光报警发出“矿车到位，挡车栏升起”的提醒，动作执行电磁阀动作，KM1接通，电磁阀到A2位，管路接通，挡车栏升起。待矿车通过后，按下双联按钮降落按钮，挡车栏落下。如果把勾人员未进行降落挡车栏操作，处理器默认3min后自动降落挡车栏。

图2 传感器安装图

图3 挡车栏控制工作原理图

当有提车任务时，K1辅助触点不接通，装置不执行矿车检测任务，把勾人员按下“升起”按钮，挡车栏升起，待矿车通过后，按下“降落”按钮，挡车栏降落，如果自升起3min内未进行降落操作，装置将自动降落挡车栏，至此装置、设施全部恢复到初始待命状态。

根据控制需要及便于调试，技术人员选用西门子S7-200 CPU222作为装置的处理器，通过编程的方式来完成整个装置的信息处理及指令发出任务。电气原理见图4。

另外，根据检修测试、应急等需要，在该装置之外加设了一套手动阀。手动阀与电磁阀用三通并接，能够单独完成挡车栏的升降工作，便于日常气控设施检修。

图4 电气原理图

3 装置现场应用

该装置现已在高庄煤业公司西三某巷道及采区轨道巷等巷道应用。在应用该装置的斜巷运输巷道内完全杜绝了因矿车跑飞车、人员为观察矿车位置等原因造成的人员受伤的运输事故，有效地保障了人员的安全及公司利益，具有较高的经济及社会效益。