机械常开混合式跑车防护装置的设计与应用

贾晓楠

（山西西山煤电股份有限公司镇城底矿， 山西 古交 030200）

引言

矿井运输系统中，矿车主要负责井下施工所需材料的运入和矸石及其他废弃物的运出，矿车运输具有较强的适应性和承载性，且维护费用低[1]。但其受运输条件恶劣、单车运量小、运输频繁等不不利因素的影响，易出现运行事故，特别是对于大角度倾斜巷道而言，如发生跑车情况，轻则造成设备损坏，重则导致人员伤亡，因此在斜巷运输过程中必须安装防跑车装置进行有效拦截，减少事故损失[2-4]。为了对跑车进行有效拦截，某煤矿针对矿井斜巷运输的实际情况，利用废旧材料，通过反复试验和改进，最终设计完成了一款斜巷跑车防护装置，应用效果良好。

1 工程概况

某煤矿轨道运输斜巷中缺少有效的防护装置，不符合《煤矿安全规程》关于跑车防护的相关要求，为了保证矿井斜巷运输安全，同时降低设备安装和维护成本，决定利用矿井自有材料设计跑车防护装置。该矿1采区轨道上山斜巷绞车坡长220 m，倾角25°，巷道断面12 m2，负责向采区工作面运送材料和排出矸石废料，同时巷道一侧具有行人功能。绞车坡上变坡点处安装了一套气动式自动阻车器，上变坡点向下5 m处和下变坡点向上5 m处各安装了一套挡车梯，该巷道采用的支护方式为锚网套棚支护。

2 防跑车装置应用现状及设计思路

目前煤矿斜巷挡车设施种类较多，按照其类型主要分为三种，即：刚性挡车器和柔性挡车器及组合挡车器。其优缺点如下：

1）刚性挡车器成形较好，易于设计和安装，但发生跑车后矿车损坏严重，且挡车器难以复原；

2）柔性挡车器在挡车时对矿车的损坏较小，且挡车器易于复原，但其设计安装复杂，成型难度较大；

3）混合挡车器利用钢丝绳进行挡车，并以阻尼气缸作为辅助缓冲，在挡车时对矿车和设备本身的损坏最小，易于恢复，使用效果较好。

基于以上分析，混合式挡车器在跑车防护过程中具有较大的优势，因此，根据矿井斜巷实际情况进行分析，最终决定采用机械常开混合式跑车防护装置。

3 跑车防护装置设计原理

本次设计的跑车防护装置为机械常开混合式，主要通过矿车对引导装置撞击打开防护栏。矿车在运行过程中如果出现跑车情况，矿车会不断加速向下运动，并高速撞击引导装置撞杆，在受到极大撞击力的情况下，撞杆急速向后运动并撞击引导装置的机关挂钩，挂钩旋转使挂钩另一端下降，脱开悬挂的钢丝绳，放下防护栏，对高速矿车进行拦截。

上述常开混合式跑车防护装置正常发挥作用要确保两点，一是矿车具备较高的速度，保证引导装置撞杆对挂钩具有足够的冲击力，确保钢丝绳脱落；二是失控矿车在撞击跑车防护装置时有可能具有极高的速度，而跑车防护装置完全打开需要一定时间，因此撞杆和防护网之间要具有足够的距离，确保矿车撞击撞杆向下运动至防护网时，防护网已经完全打开。因此在上述跑车防护装置的设计中需要对三个要素进行计算，一是巷道倾角。不同的巷道倾角使矿车平行于巷道的重力分力不同，则矿车的加速度不同，撞击时的速度有较大差异；二是矿车失控位置与跑车防护装置之间的距离，距离不同，撞击速度也不同；三是撞杆与防护栏间的距离，距离过短无法保证防护栏全部展开。

4 机械常开混合式跑车防护装置的设计

4.1 参数计算

本次机械常开混合式跑车防护装置的设计和试验对象为该矿1采区轨道上山绞车坡，根据巷道实际情况对跑车防护装置的设计参数进行计算。该绞车坡长220 m，倾角25°，巷道断面12 m2。绞车坡参数计算示意图见图1。

图1 绞车坡参数计算示意图

假设矿车正常运行速度v1，矿车自挡车梯处失控下落的最高速度v2，撞击跑车防护装置时速度为v3。挡车梯至引导装置距离为120 m，达到v2速度至撞击引导装置的距离为52 m。本次利用自由加速度计算矿车失控自由下落的末速度和自由下落时间，然后根据实验获得引导装置的反应时间，可反算出引导装置撞杆距离跑车防护装置的最短距离。

按照最极端情况，假定矿车通过挡车梯后就出现失控自由下落，则矿车自挡车梯处失控后的最高速度v2的计算如下：

式中，s为挡车梯至跑车防护装置的距离，取120 m；矿车正常运行速度v1，取1.2 m/s。

将数值代入公式（2）得出：自由下落时间t=5.3 s。将s和t的数值代入式（1）可得v2=45 m/s。

通过试验，矿车撞击引导装置撞杆至防护栏下落的时间约0.5 s，则撞击跑车引导装置撞杆时速度v3计算公式为：

将t=5.3 s代入式（4）计算可得挡车梯到引导装置撞杆的距离s1=99.6 m，将s1和t代入式（3）计算可得v3=40.3 m/s。

引导装置撞杆至防护栏的距离计算公式为：

将v3、v1数值代入公式（5）计算得出s2=21.3 m。

根据式（5）的计算，引导装置撞杆至防护栏的最小距离应不超过21.3 m。该结果是针对1采区轨道上山实际情况进行计算得出，仅适用于该巷道，矿井其他巷道参数需另行计算。

4.2 结构的设计

本次设计的跑车防护装置分为两部分，具体如下：

1）防护栏，见图2-1。防护栏为长方形框架，长、宽分别为2 m和1.5 m，框架有规格50的角铁焊制，其上以200 mm为间距吹出直径20 mm的圆孔，且上下左右对称分布。在利用直径18.5 mm的钢丝绳自圆孔内穿入，编织为网格状，其正交处互相错压，在错压位置使用同样规格的钢丝绳和卡扣固定。每段钢丝绳穿过圆孔后截断，使其相互独立且利于维护，钢丝绳穿过角铁后使用同样规格的钢丝绳和卡扣固定。在框架一端焊接两个铰支座，间距800 mm，铰支座厚度15 mm，且带有两个直径35 mm的圆孔。在巷道顶梁上焊接两个相同规格铰支座，间距760 mm左右，防护栏和巷道顶梁上的铰支座采用钢制销柱进行连接，长850 mm，销柱两端打开口销。

2）撞击引导装置，见图2-2。撞击引导装置底座为两根1.8 m方钢，两端焊接长方形钢板，方钢间距30 mm。方钢一端200 mm处施工一个通孔，其中铰接一根长1.5 m的可自由转动的撞杆，方钢另一端200 m处也施工一个通孔，装上机关挂钩，在撞杆受到外力撞击时能向后转动，并碰撞机关挂钩尾部。防护栏与机关撞钩间采用6 mm直径的钢丝绳进行连接，在防护栏上安装改变钢丝绳方向的导向轮，见图2-3。失控的矿车撞击跑车防护装置时速度可能较高，因此防护网与撞杆的距离必须大于计算的最小安全距离，确保矿车撞击撞杆后到达防护网时，防护网能够全部打开。

图2 机械常开混合式跑车防护装置结构图

5 试验分析

本次在1采区轨道上山绞车坡向下约40 m处安装了上述机械常开混合式防跑车装置，并进行了跑车试验，试验结果表明：该装置能够在跑车时进行有效地阻止，但由于巷道支护条件问题，未能在有效距离内完全阻止失控矿车。根据现场情况对该装置前后2m处的巷道进行了加强支护，具体为巷道顶梁施工锚杆使其与顶板岩石紧密贴合，对该段巷道喷浆加固，并将受力顶梁进行联锁。巷道加强支护后再次进行了跑车试验，试验结果较好。