煤矿斜巷运输行车安全防护系统概述及设计

谢永利，杨 征，李战海，黄永安，张慧峰，郑 昕，李盟洁，李茂庆

(1.陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林 719302；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710000；3.陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

煤炭是我国的主体能源。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70%左右，预计到2050年还将占到50%以上[1]。在煤矿生产过程中，井下作业一旦发生安全事故，就会对井下工作人员造成极大的安全隐患，当前我国经济的快速增长，对煤炭行业安全健康发展提出了更高的要求，要不断加强和完善煤炭安全管理系统，促进我国煤炭行业健康、持续的发展[2]。

矿井辅助运输是煤矿运输系统的重要组成部分，也是矿井安全生产的重要环节，主要担负煤矿生产中的材料、人员、设备等运输任务，辅助工作条件的优劣将直接影响矿井的生产和安全，近年来，关于如何提升矿井辅助运输安全也进行了相关的研究和探讨[3-7]。其中，煤矿斜巷运输环节多、战线长、分布面广，应用的地理环境复杂多变，一些急弯衔接和洞内视线环境影响，对行车安全操作和安全防护手段要求较高。尤其是随着无轨辅助运输技术的不断发展[8]，载重汽车、无轨胶轮车等由于其较高的运输效率、优异的性能，在井下使用频率愈加频繁[9-10]，其中有的小绞车流动性强，这容易导致各种运输事故。在这些事故中，斜井巷跑车事故是危险性最大，也是较易发生的一类事故[11-12]。

钢丝绳牵引矿车组在倾斜井巷中运行时，可能因断绳或连接装置断开或脱钩，矿车向下坠落；也有因在倾斜井巷上口的摘挂钩操作失误，造成矿车向下飞车，无轨胶轮车发生刹车失灵出现失速，这种现象通称为斜井跑车，极易造成人身伤亡。倾斜井巷发生跑车的多为重车或超重车，除可能造成车辆、轨道、巷道的损坏外，还可能撞坏电源主线路和风、水干管等重要设施，可导致矿井生产中断，造成重大经济损失。因此，探索提升煤矿辅助运输安全的有效途径，尤其是对斜井巷道行车安全防护，具有非常重要的现实意义。

1 行车安全防护设施的设计方案

斜巷运输一旦有失速事故发生就会造成严重的经济损失，更为严重的甚至可能造成人员伤亡。目前的防跑车系统大多是针对于轨道运输车辆，是一种被动的阻拦机构，并不适用于井下无轨胶轮车的失速阻拦。以陕北榆神矿区小保当矿井为例，根据矿区实际，设计了一套行车安全防护设施系统，该防护系统能多方位对失速车辆进行拦截，实现柔性阻车，进一步提高矿井辅助运输斜巷行车安全性。

1.1 整体设计

行车安全防护设施系统主要有3个部分，新型矿用阻车器、矿井安全防护装置和行车安全缓冲装置。小保当一矿副斜井全长约3 800 m，坡度6°，设2处弯道，弯道半径50 m，从经济性、事故发生概率和频率等方面考虑，在矿道直行路段分别布置阻车器和行车安全缓冲装置，在行车方向急转弯路段布置纳米吸能安全防护装置，整体防护设施系统设计如图1所示。

图1 小保当行车安全防护系统示意Fig.1 Schematic diagram of driving safety protection system

1.2 新型阻车器

煤矿副斜井阻车装置主要包含了3个子系统，分别是阻车装置、测速及遥控装置、控制系统。其中阻车装置包含解锁机构、阻车泡沫和吸能结构，控制系统包含控制器、下位机、声光信号等。阻车装置如图2所示。阻车装置安装在煤矿巷道硐室。当车辆速度超过限速时，测速及遥控系统做出响应，控制系统对速度信号和遥控信号进行分析判断，阻车装置从巷道硐室滑出，对失速车辆进行柔性阻车。当发生车辆脱档、刹车失灵、司机操作失误等现象时，除了限速装置会及时动作外，硐室工作人员亦可手动启动阻车装置，防止车辆损坏和人员伤亡等重大安全事故。

图2 阻车器阻车装置结构示意Fig.2 Structure diagram of vehicle arresting device

1.3 纳米吸能安全防护装置

由于矿井实际情况复杂，失速原因多样，为了保护矿道附属设施，减少人员伤亡，在煤矿斜巷道路两侧壁安装纳米吸能安全防护装置，目前矿井大多数采用墙壁悬挂橡胶轮胎进行防护，吸能效果较差，且极易发生大变形回弹。纳米吸能安全防护装置是一款应用于特殊路段的行车安全防护设施，该防护设施可设置在隧道、弯道、悬崖路段、长大下坡等高危路段。为了符合煤矿巷道运输实际需求及满足相关矿用标准要求，设计了一款矿用纳米吸能安全防护护栏，用于巷道急转弯路段。该安全防护设施主要由防撞标准块和锚固紧固组件组成，防撞标准块包括立柱、箱体、转珠、弹簧和纳米流体耗能体组成。当车辆失速后时，纳米吸能安全防护装置受到冲击时，依次发生导向轮旋转，耗能核压缩，吸能体压缩，导向轮压缩，多级耗能，效果显著，可以使失速车辆平稳停车，如图3所示。

图3 纳米吸能安全防护装置结构示意Fig.3 Structure of nano energy absorbing safety protection device

1.4 行车安全缓冲装置

行车缓冲装置是专用于矿道行车安全设计的一款矿用防撞垫，如图4所示。该结构主要由导向板、磨阻块，防撞端游、伸缩支架以及动力装置组成。目前煤矿大多采用简易砂桶进行防护，刚性较强，一旦发生碰撞对车辆人员伤害较大。当车辆失速时，车辆驾驶员可以主动选择碰撞行车缓冲装置，避让其他重要附属设施，行车缓冲装置采用了纳米吸能新材料，防护效果良好，是行车安全防护系统的一个重要组成部分。

图4 行车安全缓冲装置示意Fig.4 Schematic diagram of driving safety buffer device

根据小保当一号井副斜井巷道实际，对矿道斜井运输行车安全防护进行了系统研究和设计，整套设计充分考虑了不同失速情况，对煤矿斜井运输及井下工作人员实现多重、全方位防护，各部分防护设施相互配合，相互补充，有效减少碰撞对巷道附属设施破坏的概率，降低了对煤矿井下工作人员的伤害。此研究设计也对煤矿附属运输安全，尤其是对煤矿斜巷运输行车安全防护研究提供了参考，可以根据煤矿实际地质及位置情况进行设计。

2 存在的问题及发展趋势

2.1 矿道行车安全防护存在的问题

目前，在煤矿生产运输中，为了预防斜巷跑车事故的发生，设计了多种形式的斜巷跑车防护装置，主要有弹簧缓冲、钢带变形能缓冲、摩擦盘缓冲以及钢丝绳变形能缓冲等，均为部分防护。针对煤矿副斜井辅助运输，尤其是对行车安全防护设施系统的研究较少。

2.1.1 煤矿地质情况复杂，难以建立统一防护标准

由于技术和地理条件的限制，煤矿运输巷道断面小，运输路线长，暗斜井多，拐弯半径小，且不同地区煤矿地质差异较大，副斜井运输情况复杂，难以建立统一的防护标准。

2.1.2 运输管理体制落后，行车安全防护重视不足

由于很多煤矿建设时期较早，没有统一规划，对运输物料、人员布局不合理，经常出现超重、超拉、超宽、超高，造成巷道拥挤，次序混乱。煤矿事故中瓦斯爆炸、地面塌陷、煤矿透水等事故多发，因此关于煤矿安全的研究主要集中在生产安全方面，对运输安全系统研究较少，因而对煤矿斜巷运输行车安全防护重视不足，而行车安全具有极大的不确定性、偶然性，需要引起重视。

2.1.3 工作人员操作不规范，运输车辆维护不足

在煤矿实际生产运输过程中，部分司机无证开车，或者开车制动行为不规范，应对故障技术能力不足，应对突发事件能力不足。同时，由于井下运输车辆复杂，且车辆维护不足，不能及时发现车辆故障，存在极大的运输安全隐患。

2.2 矿道行车安全防护发展趋势

煤矿辅助运输安全越来越得到相关部门及管理者的重视，设计新型的无轨胶轮车安全防护装置是煤矿井下斜巷运输必不可少的安全措施之一，也是未来井下安全的一个发展趋势。

2.2.1 推进煤矿斜巷运输安全防护标准化改革

标准化、制度化是指导和规范煤矿辅助运输安全设计的重要基础。相关管理部门和领域专家要加快煤矿辅助行车运输行业及防护产品标准的建立。同时，创建先进、合理的防护典范工程，积极推进斜井运输安全防护新技术、新装备在生产中的应用。

2.2.2 做好煤矿安全教育培训工作常态化

人是所有业务的核心要素。要加强对管理人员、技术人员、操作人员的培训。加强学习和安全宣传教育，增强员工的安全意识，提高员工业务水平，经常开展规章制度、事故案例以及业务技能培训教育。

2.2.3 提高煤矿综合管理水平，严格落实追责制度

安全工作重在落实。煤矿经营和管理者，要提高煤矿综合管理水平。相关管理部门要严格落实各项法律法规制度，做到有法可依，对存在隐患拒不处理，对重大事件及隐患要追究有关领导的责任。

2.2.4 积极推进安全防护新技术、新装备的应用

科学技术的发展也为煤矿辅助运输安全提供了新的可能，安全防护是运输设备所必须的，斜井防护装置尤为重要，齐全、性能优越的各种安全防护装置的应用为斜井行车安全运输提供了保障，无人驾驶等技术也为运输安全提供了新的可能。

3 结语

介绍了我国煤矿斜巷运输行车安全防护系统的研究及应用现状，并以陕北榆神矿区小保当矿井实际为例，设计了一套矿井斜巷行车安全防护设施系统，该防护系统能多重全方位对斜巷运输安全进行防护，减小井下车辆和人员损伤概率。通过对我国煤矿斜巷运输行车安全防护现状的分析，指出目前我国煤矿行车安全防护系统存在的问题，并对未来的发展趋势进行了展望。