缓坡斜巷无轨车辆失速保护系统的应用

杨福珍

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

防爆无轨胶轮车(含矿用人车、材料车等运输车辆)目前已在许多大型矿井中大量使用，不过车辆在使用过程中，由于工人超速行驶、操作不当、挂档失败或者刹车制动失效等原因而发生安全事故，造成人员伤亡和财产损失。

近年来，煤矿井下无轨胶轮车引发的事故时有发生，国家煤矿安全生产监察局要求各煤矿企业要进一步加强井下无轨胶轮车使用的安全管理，采取有效的保护措施，保障人员运输安全。

《煤矿安全规程》(2016版)第392条明确规定：“长坡段巷道内必须采取车辆失速安全措施”。因此，无论从安全生产实际需要方面，还是从国家政策层面，降低无轨胶轮车安全事故，实现无轨胶轮车速度失控后的主动防御和保护，是非常迫切和必要的。

1 问题的提出

杭来湾煤矿参照神府矿区大柳塔、榆家梁等矿井的建设经验，采用斜井开拓。其中副斜井为缓坡斜井，倾角5.5°，采用折返式绕行设计，总长约3 130 m(中间设50 m水平缓冲段)，井筒净宽5.6 m、墙高1.8 m，净断面积22.4 m2。矿井辅助运输采用防爆无轨胶轮车连续运输，从矿井工业场地直达工作面连续运输。

2011年9月，该矿作业人员乘坐无轨胶轮人车从副斜井入井200 m后，发现车辆不能正常换档、刹车失灵，滑行中撞在左侧巷帮上，造成事故。

为避免类似事故的发生，造成人员伤亡和车辆损失，提高副斜井无轨胶轮车辅助运输系统运行的安全性。有必要研发设计一种先进有效的车辆保护装置或措施。

2 设计面临的问题

目前，安全监察部门和车辆使用企业应对无轨胶轮车事故主要有以下3种措施。

2.1 从车辆生产源头入手

进一步严格无轨胶轮车产品的准入条件，逐步提高生产企业的准入门槛，促进无轨胶轮车产品整体水平稳步提升，从根源上提高车辆安全性。

2.2 从管理方式入手

严禁非防爆机动车辆入井，严禁采用非专用人车运送井下作业人员。严格按照有关规定，加强日常维护保养、用前安全检查、定期检验检修和运行管理，不得擅自拆除车辆安全保护设施。井下驾驶无轨胶轮车的作业人员必须具有与驾驶车辆对应的机动车辆驾驶证和岗位操作资格，严禁不具备资格人员在井下驾驶车辆。

2.3 从运行环境入手

加强巷道管理，在事故多发地段，沿巷道壁两侧挂设废旧轮胎，一旦发生跑车事故，由司机不断调整驾驶方向，用车身和废旧轮胎产生摩擦，使车辆降速；或者参考高速公路下坡避险车道设置方法，在巷道中设计一段向上斜巷，斜巷底板上堆积沙子等柔性材料，起到降速、停车的目的[1]。

以上防治措施中，第1种措施虽然可以降低无轨胶轮车发生失速的概率，但无法杜绝车辆安全事故的发生。车辆发生事故后，仍可能造成失控后发生车毁人亡的事故，风险源仍存在。第2种措施与矿井安全生产管理水平密切相关，但由于目前煤矿管理水平、工人的技术水平良莠不齐，若安全监察不到位，还是易发生车辆安全运行事故，且该措施也无自动保护功能。第3种措施主要是针对事故发生后的应对，是一种比较有效的防治方案，但其使用效果和司机的驾驶水平、应急反应密切相关。车辆失控后，一般车速比较快，若司机操作不当或反应滞后，就可能发生车辆撞击、侧翻等安全事故，达不到预期效果。且在巷道中设置斜巷，不易解决巷道通风问题。当车速过快时，车辆能否按照理想的状态驶入避险巷道有待验证，故在实际应用中，采用此类巷道作为车辆避险措施的矿井比较少。

上述几种无轨胶轮车跑车事故的防治措施，存在可靠性不高，使用效果不理想等缺点。对此，经过仔细研究，实地走访矿山设备企业，针对该矿副斜井辅助运输线路特点，设计采用一种新型无轨胶轮车失速保护装置，在无轨胶轮车发生速度失控时，可以给车辆提供一个外在的可靠而且平稳的拉力，使车辆逐渐减速制动，避免持续向下跑车。该系统相比其它的减速制动措施，制动效果好，对人员和车辆损伤小，实现了对无轨胶轮车速度失控的主动防御和保护，有效地降低了无轨胶轮车速度失控后发生事故风险的概率，极大地提高了无轨胶轮车运输系统的安全性。

3 失速保护装置设计方案

3.1 失速保护装置系统组成及工作原理

3.1.1 系统组成

该系统主要由2个部分组成：其一为车载设备，全部安装在无轨胶轮车车辆本体上；其二为巷道内设备，设置在运行线路巷道上。

车载设备：车载设备由本安电源、车载传感器、车载无线基站、尾钩释放装置、尾钩等设备组成。这些设备与车辆本体均无直接联系，有独立的液压、机械制动、电控等系统，安装后不改变车辆原有的机械、电气操控以及机械制动等性能。

巷道内设备：巷道内设备由巷道控制箱、本安型无线基站、阻拦绳索—吸能器系统、巷道LED报警显示屏等设备组成。

3.1.2 工作原理

无轨胶轮车失速保护系统分为机械系统和电控系统。

机械系统采用尾钩挂阻拦绳索的方式进行制动。在车辆因制动失灵，发生失速跑车后，司机紧急踩下尾钩释放装置的踏板，释放尾钩。由于此时车速还处于上升阶段，司机仍可以较易控制车辆行驶方向，保持车辆直道行驶，避免撞击侧巷。当车辆尾钩行进到阻拦绳索所在位置时，连接两吸能器的阻拦绳索就会被尾钩捕捉，对车辆施加恒定的外力，使车辆减速制动，缓冲一定距离后，最终使车辆停下来。由于被捕捉车辆受到外力方向为向后、向下，并且吸能器提供的力较为均衡，故对车辆及其内人员冲击较小。车辆尾钩具备防脱功能，确保阻拦索进入尾钩后不会脱出。阻拦绳索可在尾钩内窜动调整，车辆无侧翻危险[1]。

电控系统实时监测尾钩的状态，并将车辆信息及时上传至基站。接收到机械制动系统释放尾钩的信号后，车载无线基站将发出车内声光报警信号，提示车内人员尾钩已经释放，做好应对准备。同时，在巷道内通过LED显示屏同步报警，提醒其他车辆有效避让。该信息同时经过基站上传至地面监控中心系统[2-4]。

车辆制动系统示意如图1所示。

1-踏板;2-油壶;3-油管；4-尾钩;5-阻拦绳索;6-吸能器

3.2 方案设计

3.2.1 设计依据

巷道参数：缓坡斜井，倾角5.5°，采用折返式绕行设计，总长约3 130 m(中间设置50 m水平缓冲段)。

运输车辆参数：无轨胶轮车总质量(含载重)为2～13 t；运送人员车速≤15 km/h；运送材料车速≤18 km/h；车辆最大行驶速度≤38 km/h；需要安装的车辆数为30辆。

3.2.2 方案

在副斜井巷道内共设计6组(12道)阻拦绳索-吸能器，设置位置均在直段巷道上。第1组设置在距井口约600 m处，之后每隔500 m设置一组。

每个吸能器输出摩擦力标定以正常使用的最小质量2 t的车辆进行设计标定，满足最小质量的车辆拦截使用，同时，在吸能器绳轮内储备有足够的钢丝绳，满足大质量13 t的车辆拦截使用。

每组制动单元设有两道阻拦绳索，阻拦绳索所处地面需做局部处理，以保证尾钩能顺利挂住阻拦绳索。

每道捕捉系统由2组阻拦绳索-吸能器组成，一用一备，每组阻拦绳索布置原则是相邻2组阻拦绳索之间间距为50 m。

阻拦绳索-吸能器硐室设计尺寸：斜井井筒砼底板以上净高度为1.3 m，砼底板以下下挖1 m×1 m(长×宽)，水平净深度为1.2 m。

底板以上开挖部分用水泥砂浆将裸露表面进行保护，副斜井巷道每个吸能器位置所掘硐室采用100 mm厚度水泥砂浆层进行保护。

3.3 失速保护装置配置

副斜井无轨胶轮车失速保护系统配置见表1。

表1 副斜井无轨胶轮车失速保护系统配置

4 失速保护系统验证及使用效果

4.1 失速保护系统验证

2013年该矿根据设计进行施工，同年12月安装完毕，由建设单位组织安全部门、设备厂家、设计、施工单位进行验收，并对系统进行测试，测试数据均达到了预期效果，车辆和人员均得到安全保护，具体测试流程如下。

总质量约为15 t的无轨胶轮车以60 km/h的速度驶来(超载、超速)。

在距离阻拦索[5-6]约 30 m距离时，司机释放尾钩。尾钩释放后，在自身重力和拉簧的作用力下落向地面，并紧贴地面随车辆前行。

尾钩勾住阻拦索并锁定。

尾钩勾住阻拦索后，开始减速制动，缓冲制动减速度在0.5～2.5 g范围内。

车辆被成功缓冲制动，人员无不良生理反应，并能安全下车。

4.2 使用效果分析

该矿无轨胶轮车速度失控保护系统[7]自2013年12月投用后，副斜井未发生过车辆运行伤亡事故。每年对系统进行失速测试[8-9]，系统测试拦截效果达100%。实际生产过程中，曾发生过2次保护装置启用，其中一次距副斜井井底约750 m处，由于超速驾驶，系统自动报警，司机紧急启动装置；另一次在副斜井中部距井口约1 680 m处，材料车下行过程中发生失速后，保护系统及时启动，安全栏截。经事后分析，2次拦截均达到失速保护系统设置的预期效果[10-12]。

5 结论

无轨胶轮车速度失速保护系统整体结构设计合理，能够有效阻拦速度失控的无轨胶轮车，吸能器能够把无轨胶轮车的动能转化为吸能器自身的热能并消耗掉，起到良好的制动效果，大大降低了跑车事故的危害。

该系统可以确保在无轨胶轮车各种速度失控状态下，对其实现有效制动，并确保司机和乘员的人身安全。实际应用表明，该系统具有可靠性较高、操作简洁、实用性强的特点。该系统安装简单，不会造成原有车辆结构及性能的改变。安装在无轨胶轮车上的无线车载报警器在胶轮车速度失控拦截时能及时发出报警信号，及时有效地提醒其他车辆进行避让。该系统对解决当前煤矿井下无轨胶轮车跑车事故效果显著，具有较大的安全效益和社会效益。