一种煤矿井下电动防爆专用救援保障车的性能设计

高昌乐

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315)

0 引言

目前国内矿井专用救援保障技术与西方发达国家相比较为落后，特别是供救援队员使用的井下专用救援保障车基本为零，国外井下快速机动救援车辆均为防爆柴油机车辆，若发生矿难事故后，井下存在无氧、有毒气体等危险环境，防爆柴油机车辆均无法正常运行[1]。

按照传统的救援方式，救援人员要从井口步行至事故地点。每次入井救援人员需佩戴或配用约16 kg的氧气呼吸器，携带约15 kg的救援工具、设备等，通常井下救援人员的行走速度最快仅能达到4～5 km/h。救援人员抵达事故现场困难，拖延宝贵的救援时间，降低被救人员的生存率，不利于救援工作的快速开展[2]。此外，救援人员所携带的呼吸器最大续航时间仅为4 h，救援人员井下工作时间有限，影响救援人员的有效救援时间，无法对超过距井口10 km甚至更远的距离进行施救；在井下救援工作中，地面指挥人员与井下的通讯全靠救援人员下井过程中携带的有线步话机，进行简单的通话沟通，使得地面指挥人员无法准确地掌握井下情况，无法进行精确的救援指导和保障工作；井下救援存在无氧、有毒气体、巷道岩土松动等危害及不确定环境，对井下救援人员的生命安全造成严重威胁[3]。救援人员步行下井进行施救工作，暴露在危险环境下的时间较长，因此存在较高的安全风险，危及救援人员的生命健康[4]。

救援效率低、救援能力差、工作强度大、通信难度大、安全风险高，严重制约了井下救援工作的顺利开展。因此，迫切需要研制一种以防爆电池为动力源，能够在井下无氧、有毒气体等危害环境中行驶的车辆，运送救援人员下井，从而替代救援人员步行下井的工作模式，同时在车上搭载可在爆炸性环境中正常运行的通讯指挥系统、车载供氧系统，具备车内环境检测、灾区气体监测、有线和无线通信、警示、广播等[5]。提高救援效率、救援能力，降低救援人员工作强度和安全风险。

1 救援保障车组成

救援保障车为机、电、液一体化产品，应用于发生矿难事故后，运送救援人员下井进行救援[6]。该车以防爆锂电池组为动力，永磁防爆电动机为动力输出，采用两轴设计，整车主要由车架、车身、转向系统、驱动系统、车轮、悬架、制动系统、液压系统、动力电池和电气系统等组成。各系统在设计时将结构紧凑和增加效率作为整车设计的两大原则，并具有防爆功能[7]。

救援保障车的主要技术方案包括以下几个方面。①救援保障车为电动车，乘员数12人(包括司机)，驾驶室布置3个座椅，后部为人员及设备仓，整车以防爆锂电池为动力源，防爆电机为动力输出，采用两轴设计，前桥为转向桥，四轮驱动。②整车采用4组电池，动力系统中置，电池箱位于车辆中部两侧，保证良好的前后轴载比例，提高操作的平顺性。③前、后悬为少片变截面钢板弹簧，有利于减小轮胎磨损，提高驾驶和乘坐舒适性。④设计专用车架，由位于两边的纵梁和若干横梁组成，结构简单，承载能力强，便于其他零部件和总成的安装；车身为非承载式车身，车身上有多个维修门，便于维修[8]。⑤转向系统采用机械式液压助力转向系统，技术成熟稳定、可靠性高，即使车辆的液压系统出现故障，失去助力，还是能够依靠机械系统进行转向，由于液压助力的作用，减轻了驾驶员的工作强度。⑥制动系统采用湿式制动器，散热好，体积小，制动转矩大，热稳定和制动稳定性好，寿命长，满足井下制动防爆要求。⑦电池管理系统收集、处理电池组实时信息，记录分析电池组的剩余容量和累计使用时间，预测电池组的寿命周期，提供电池组故障报警、维护提醒，以及紧急情况实时报警；整车控制系统实现整车及动力系统控制和管理，提升整车性能。

2 救援保障车功能

矿井专用救援保障车的主要功能包括以下几个方面：①整车设计一体化布局[3]。救援装备的模块化设计布局、液压模块设计布局、电气驱动系统设计布局。②救援保障车应急通讯系统的研制。无线通讯系统、有线通讯系统。③气体监测系统。车内外环境气体检测。④救援保障车载供氧系统研究。供氧系统模式的研究、供氧系统模块设计。⑤其它系统研究。车辆自救系统研究、车辆警示和扩音系统[9]。

2.1 车身一体化布局

救援保障车由前仓、驾驶室、人员设备仓3个仓室及四驱底盘组成，整车布置的主要特点为：①为保证整车人员及设备布置空间，要考虑车辆离去角、接近角、转弯半径等因素，整车6 310 mm×1 950 mm×2 350 mm(长×宽×高)，轴距3 450 mm，接近角大于35°，离去角大于16°。②前仓内主要放置液压动力站及液压自救绞盘；驾驶室布置3个座椅，副驾座椅下方放置电气控制箱；人员设备舱内放置9个座椅，4组电池箱放置在整车中部两侧座椅下方，右侧电池箱上方设置储物柜，用于集中存放救援设备及通讯设备；车厢尾部安装光缆防线装置，用于通讯光缆收放[10]。③前桥为转向驱动桥，双电机中间布置，分别驱动前后桥。

2.2 通讯指挥系统

救援保障车配置应急救援无线通讯系统，系统包含11台无线基站、2台固定基站及相关设备箱。系统基于WiFi-MESH数字通讯技术，在地面救援指挥中心、井下救援基地、救援队员之间建立稳定的网络连接。从地面指挥中心到井下救援基地采用有线光缆连接，从井下救援基地到救援灾区采用无线MESH移动基站级联。井下救援基地提供整套的救援通信附加功能，可以实现救援队员的语音、视频数据、定位服务等与地面指挥中心的数据交互。救援点的视频数据(红外摄像头)采集、救援人员定位、语音与地面各级指挥中心的通信实时连接。应急救援通讯网络如图1所示。

图1 应急救援通讯网络Fig.1 Emergency rescue communication network

无线移动基站型号：WRN，单台无线基站无线传输直线距离为500～2 000 m，11台设备可形成11级网络，覆盖面最大可达22 km。无线基站如图2所示。

图2 无线基站Fig.2 Wireless base station

固定基站型号：KT112-F，设有4个有线接入口，传输方式为单模光纤。固定基站如图3所示。

图3 固定基站Fig.3 Fixed base station

2.3 有线通讯光缆布线装置布缆

救援保障车配置人工辅助布缆装置，该装置主要由放缆支架、可调阻尼芯轴、阻尼调整手柄、光缆辊锁紧手轮、放缆导向轮组、防护罩、光缆辊等机构组成。该装置能够在较短时间内完成光缆辊的更换及重新展开布缆工作，布缆速度最高可达12 km/h，操作人员不超过2名。

人工辅助布缆装置结构如图4所示，当跟随放缆时，设备将随着车辆行进，操作人员监控光缆放线状态，将光缆铺设在车辆行驶过的路径上，光缆的拉力始终维持在光缆许可范围以内。在放线过程中，阻尼调整手柄工作在有阻尼档位，可以执行调整阻尼档位、停止放线等操作。当人工放缆时，此状态主要适用于车辆无法进入，需要操作人员亲自拖拽光缆进入的场合。在此模式下，阻尼调整手柄工作在无阻尼档位，操作人员将直接卷放光缆，设备仅提供必要的保持拉力，以保证光缆拖拽时不出现松散现象。当每辊光缆放线完成后，将阻尼调整手柄打至“锁定”档位，芯轴不再转动，通过松动锁紧手轮，将光缆辊从左侧抽出，将新的光缆辊子从左侧放入芯轴，再通过锁紧手轮将其锁定在芯轴上，将阻尼调整手柄打至“无阻尼”“有阻尼”档位，即可展开新的工作循环。

图4 人工辅助布缆装置Fig.4 Manual auxiliary cable laying device

2.4 环境气体监测

为满足井下救援时气体监测需求，单独配备气体监测系统。该系统由气体监测传感器及显示屏组成，具备实时车内外环境气体监测功能，可检测O2、CO、CH4、NO2等气体浓度。并具备气体浓度超标时进行报警功能，数据传输功能及实时显示功能。

2.5 氧气供给

车载供氧系统，配备成套供氧设备，确保与救援队员供氧设备快速对接，供氧量可满足救援小队12人4 h氧气供给，大大增加救援队员井下救援时间。

2.6 自救功能

驾驶室前仓配备5 T牵引绞盘一台，确保救援保障车井下陷车时，通过自动绞盘能够将整车拉起自救[11]。绞盘选用毅源传动设备有限公司产品，产品型号：YVH12000。

绞盘参数见表1。牵引绞盘如图5所示。

图5 牵引绞盘Fig.5 Towing capstan

表1 YVH12000参数Table 1 The parameters of YVH12000 capstan

2.7 警示功能

救援保障车配备高音喇叭，能够在井下通过扩音器通知警示救援人员，左前方设置爆闪警示灯，让车辆周边人员可在灾区快速识别救援保障车辆位置，起到警示作用[12-13]。

3 结论

随着国家对矿业生产安全的重视程度越来越高，对于煤矿事故应急处理技术手段的要求也随之增高。文中研究内容填补了国内电动防爆矿井专用救援保障车的空白，在发生矿难事故后，能有效、快速开展井下无氧、有毒气体等恶劣危险环境中的救援行动，确保事故发生后最大限度地减少人员伤亡和财产损失。产品的推广应用将逐步替代井下步行救援的工作模式，提高救援中心整体救援能力，对维护人民群众的生命安全和社会稳定有积极的影响。