矿井防爆自动封堵装置的设计应用

2022-01-27刘平

机械管理开发 2021年12期

刘平

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁 033602）

引言

中国是煤炭开采大国，开采量占世界总开采量的37%，同时，煤炭开采也是我国经济发展的主要力量。随着社会经济的不断发展，世界对于资源的需求也越来越大，煤炭开采行业日益繁荣。但是，我国的煤炭开采存在地质复杂、分布不均、结构多样等不利条件，使得矿难事故频繁发生，人员伤亡巨大。在对过往的安全事故进行分析研究后发现，很多事故都可通过自主逃生或采取一定的技术手段予以避免[1]。本文通过对煤炭矿井开采危险性进行分析，设计出一套有效的矿井防爆自动封堵装置，使瓦斯爆炸事故发生后依旧可以保持较好持续的通风，降低灾后损失，减少人员伤亡，从而更好地保护企业人员的财产安全。

1 自动封堵装置总体设计

现有的防爆门、盖系统主要有三种结构形式。第一种形式为用防爆门做封堵装置主体，事故发生后通过限位等装置将其恢复原状，但该方式不稳定、防爆门易被破坏，无法恢复的可能性大；第二种形式为运用备用封堵装置做封堵主体，使用备用封堵装置对通风井口进行封堵，该方式虽可避免第一种方式的弊端，但过程中需要复杂的机械结构，而且机械部件长期暴露在环境中，也可能因腐蚀、暴晒而丧失其功能；第三种形式抛弃了原有方式，使用新型封堵主体进行封堵。通过大量研究，决定采用第三种封堵方式进行封堵，同时结合汽车安全气囊的工作原理，设计出新型的自动封堵装置，如图1 所示。该装置通风良好，可在保证安全的前提下，保证通风井口内外人员完成动作，增加事故人员自救与外界人员施救的成功率[2]。

图1 自动封堵装置结构示意图

2 封堵气囊设计

2.1 封堵形式设计

现阶段的新型封堵主体的封堵形式主要有刚性结构封堵与柔性结构封堵两种形式。刚性结构封堵主体质量过大，气密性保持困难；柔性封堵结构需提供底部支撑，以此来平衡风机负压。上述两种方式都不符合本文封堵装置设计。

受汽车安全气囊自动弹出可保护汽车内部人员启发，采用安全气囊设计原理，设计出了新型的封堵主体封堵形式。安全气囊系统由传感器、气体感应器、安全气囊和微处理器四部分组成（见图2），在接收到汽车碰撞信号之后，系统立即会弹出气囊，在人员与汽车之间形成缓冲区，防止人员受到二次伤害，保障人身安全。

图2 安全气囊工作原理图

将安全气囊系统放置在通风井侧壁，当事故发生时，气囊可立即弹出，充满通风井口，对通风井口进行封堵，解决了上述封堵形式中质量大、气密性保持困难、难折叠、需底部支撑等一系列问题。

2.2 气囊结构设计

经分析研究，决定选用饼型气囊作为封堵主体，此形状可以有效避免因压力集中、膨胀震颤而导致气囊进气口偏折等问题，降低气囊缝纫要求，减少配套设备限制，使布料更加平整易折叠，方便使用。

气囊封堵主体需满足质量轻便、制作简单、易折叠等要求，因此在气囊进气口处应设计多条动力气柱，将气流导向入口，使外界空气直接进入气柱，加快充气速度。同时，动力气柱应呈发散状，端头不进行封堵，使气流可通过气柱流向囊题空腔，动力气柱的基本结构如图3 所示。

图3 动力气柱示意图

2.3 气囊材料选择

气囊材料作为封堵气囊的基本组成部分，是气囊封堵装置发挥作用的关键要素。材料需具备抗压强、耐高温、耐老化、抗撕扯的特性。聚酰胺纤维弹性好、抗冲击，具有良好的耐热性，同时聚酰胺纤维密度小，可以制作成紧密度较高的织物，拥有较好的气密性，符合气囊材料的选择标准。对聚酰胺纤维轧光及涂覆整理后，还可以降低透气率，增加布料气密性。

3 自动封堵辅助装置设计

3.1 表面结构设计

饼状气囊要实现封堵，除了需要自身结构合理外，下方辅助装置的合理设计也必不可少。良好的辅助装置设计可以使气囊延展更加顺畅，并有更好的密封性和气密性[3]。表面结构设计需注意以下几点：

1）为了减少冲击波对装置整体结构造成的冲击，支撑装置采用弹性网格的表面结构，网格空隙应适中。空隙过大会使折叠气囊陷入延展阻力，空隙过小则会增加冲击接触面积。

2）支撑结构的表面设计必须光滑。封堵体气囊在气动力的推动下进行延展，气囊延展动力小，而滚动展开后气囊初始状态下的质量较大，有凹凸点设计的表面则会阻碍气囊延展，加大延展时间，因此应保持支撑结构的表面光滑，尽量减少延展时的阻力，缩短延展时间。

3.2 支撑结构设计

支撑结构的连接必须可靠，以承受巨大的瞬时冲击力。同时，由于通风井口需运料运人，因此整个结构应便于安装和拆卸[4]。本设计采用永久性嵌入式连接，该方式可有效抵抗爆炸余波，稳固整体结构。但若四周皆采用永久性嵌入式连接，虽然可以较好地抵抗余波冲击，但安装拆卸困难，故最终设计左侧采用支撑连接，右侧采用角钢连接。支撑结构设计情况如图4 所示。

图4 支撑结构示意图

3.3 电路系统设计

电路系统是整个封堵装置的核心结构，主要有以下几个功能：感应防爆门、盖工作状态，传递冲击信号；控制电控弹簧锁，弹开弹力封门与电控门，启动充气设备，对气囊进行充气；当气囊充满后，及时反馈气囊状态，改变充气状态，使气囊保持在充盈状态；通过外部开关控制系统启闭，停止设备运行[5]。

根据设计要求，电路控制方案如图5 所示。电路控制方案原理：当防爆门、盖受到冲击力被掀开后，会触发物理传感器，传感器发送信号至逻辑门，逻辑门对数据进行分析，向变频控制器发出信号；变频控制器收到信号后启动风机，风机向气囊充气，使气囊延展并快速封堵井口；当封堵气囊达到压力最大值时，变频控制器内的阀值判断器将进行压力判断，从而调校外接电源频率，改变风机状态；当气囊内压力降低至气囊压力维稳最小值时，阀值判断器将再次改变触发信号，重新启动大风量供风模式，保持气囊内气压稳定。

图5 电路控制方案原理图

电路系统设计中，触发装置因主要监测防爆门、盖的工作状态，故选用物理传感器，该装置具有抗冲击能力强、密封好、防潮防湿、使用电压低等特点，较为适合该使用场景；压力传感器选择电容式空气压力传感器，本设计中主要测量气囊内气体的绝对压强，电容式空气压力传感器较为适合；为了方便工作人员对通风井口的密封检查以及定期维护，在通风井口外需安装外部强制控制开关，可有效避免因为人为的误操作而导致的封堵系统误启动。