煤矿救援用便携式气钉枪的分析与应用

句世伟

（山西省朔州市应急救援队， 山西 朔州 036002）

引言

矿山救护队是处理矿山灾害的专业队伍，工作任务繁重、危险系数极高。矿山救护队遇有风障、木板密闭墙等木质设施时，主要依靠铜顶斧手工操作，建造过程费时费力且工作效率低，有时会因建造设施质量差、灾区停留时间较长等问题，导致队员自身伤亡。特别是火区燃烧过程中放出大量热量使得燃烧产物具有较高的温度进而产生浮力作用的危险环境，必须根据指挥部的命令在必要的地点建造风障、木板密闭墙等设施，以减少高温气体或烟雾对救援人员的伤害。救护队救援装备管理创新，一方面是把本单位的装备作为一个系统来进行管理，调动各种积极因素，合理利用管理资源，提高装备管理的质量与效益；另一方面是把装备管理与救护队现有救援装备全面联系起来，通过科学高效的装备管理，提高救护队整体水平，最终提升保障力和战斗力[1]。

矿用便携式气钉枪设计的目的一方面是解决矿山救护队员在灾区内建造木板密闭时费时费力的弊端，加快密闭速度，缩短矿山救护队员在灾区的工作时间，降低矿山救护队员在灾区的危险性；另一方面，此种设备可用于矿井所有木质设施的钉制工作，操作简单，使用方便，工作效率较高，替代了原有的钉锤操作，大大提高了操作的安全系数。人和装备是战斗力的主体与客体，改善矿山救护手段、使用智能应急救援装备可极大地提高救援队伍战斗力，也是建设现代化矿山救护队的主攻方向。建造木质设施时间紧迫，木板密闭墙构筑越早、越快，队员安全性越大。因此，一个安全、快速、高效的木质设施建造设备就显得尤为重要。

1 矿用便携式气钉枪技术分析

1.1 工作原理

矿用便携式气钉枪工作原理为使用滑动活塞来驱动一个长的刀片，当活塞头部的气压大于其底部的气压时，活塞被向下推动；当活塞底部的气压大于其顶部的气压时，活塞保持不动，触发装置通过引导压缩空气的流动来改变平衡状态。当扳动矿用便携式气钉枪扳机时，触发阀关闭，并打开一个通道与空气相通。当触发阀就位时，压缩空气不能流到阀门活塞上边的空间，导致阀塞下部比上部气压更大，阀塞上升，此时压缩空气可以流到活塞的顶部，压缩空气使活塞和刀片向下运动，并将射钉射出枪膛。当活塞向下运动时，空气通过一系列的孔把活塞筒中的空气推到回气舱中，随着越来越多的空气流进枪膛，气压不断升高。当释放矿井便携式气钉枪扳机的时候，压缩空气使阀塞返回原位，并阻止空气流到活塞的头部，由于没有向下的气压，回气舱中的压缩空气将活塞头部顶起来，活塞头部上方的空气从射钉枪中排到大气中。

1.2 配套设施

便携式气钉枪安全工作压力为0.4～0.7 MPa，经过技术改造可将装有18 MPa 压力的空气瓶通过减压器连接到一个可以承受5 MPa 的储气装置，并使储气装置内的压力始终保持在0.4～0.7 MPa 之间，储气装置设有一个转换头，能同时连接多把便携式气钉枪，当储气装置压力达到5 MPa 以上时，多余的气体经储气装置的安全阀排出，确保使用安全[2-3]。

1.3 关键技术途径

便携式气钉枪主要根据气动原理，就是以压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递和信号传递。气动是利用撞击作用或转动作用产生的空气压力使其运动或做功，气动就是以压缩空气为动力源，带动机械完成伸缩或旋转动作。因为是利用空气具有压缩性的特点，吸入空气压缩储存，空气便像弹簧一样具有了弹力，然后用控制元件控制其方向，带动执行元件旋转与伸缩。

便携式气钉枪是利用压缩空气冲击气枪钉子使其发挥作用，其关键技术是：

1）金属撞击部分的井下防爆技术：若钉子材料不符合标准，在井下工作过程中可能会因为撞击产生电火花造成危险，或者钉子材料磨损过快造成更换周期快，从而增加装备成本和维护保养负担。

2）气源稳定技术：阀门活塞与活塞头连接部分或塑料管由于密封不良可能出现漏气现象，而储气罐减压阀也可能导致气源不稳定现象出现。

3）解决矿用便携式气钉枪技术方法：根据设计结构更换气枪的钉子材料，将金属撞击部分更换为铜质材料或包铜。外壳可设计成铝制材料，降低气枪自身重量，同时也可解决井下防爆问题。便携式气钉枪气源储存装置的设计，利用减压器将外部不稳定气源注入储存装置，保证气源的稳定性。

1.4 特点

1）便携式气钉枪与日常手工钉锤操作相比提升了工作效率，在危险区域内建造风障、板墙等木质设施时效率更高、质量更好，缩短了救援人员在危险区域内停留时间，提升了安全系数。

2）为确保便携式气钉枪的安全指数，在设计时对便携式气钉枪嘴加装了弹性锁定装置，确保了便携式气钉枪嘴在对准物体按压时才能正常工作；并对气钉枪使用的钉子进行了改进，利用铜制钉子解决了在煤矿井下使用的防爆问题。

3）气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、相对液压系统安全些。而且工作介质是取之不尽的空气，没有成本，排气处理简单，不污染环境。

4）利用空气的压缩性可贮存能量。在短时间释放能量以获得间歇运动中的高速响应，以实现缓冲。对冲击负载和过负载有较强的适应能力，在一定条件下可使气动装置有自保能力。

5）全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。但使用寿命受气源洁净度和使用频率的影响较大。

2 便携式气钉枪的应用

2.1 地面使用效果

经多次测试，使用矿用便携式气钉枪建造4 m2的木板密闭墙时，6 名队员配合可以在5 min 之内完成建造，并且质量合格；2 L 的空气瓶充满18 MPa 空气，可以完成三道4 m2木板密闭墙的密闭操作，相比传统的钉锤操作，气钉枪不会出现弯钉，减少了重复补钉，建造的木板密闭墙质量更好，速度更快，工作效率更高，建造板墙时间缩短了60%以上[4-5]。具体操作数据详见表1。

表1 便携式气钉枪实验数据统计

2.2 井下使用效果

建造井下的风门、临时木板密闭墙、调节风窗及其他木质结构设施时，正常情况下在灾区内建造一道18 m2的木板密闭墙需要40 min，但使用该设备后建造一道18 m2的木板仅需要18 min。利用矿用便携式气钉枪时，能够提高建造效率，比传统施工方法节约60%以上的时间，提升了井下工作人员的工作效率。

2.3 存在的问题

经过多次实践应用，矿用便携式气钉枪在煤矿井下操作时也存在着一些实际问题，影响救援速度，具体如下：防爆问题解决成本较高，气钉枪外观材料设计不合理，铜质钉子虽然满足井下防爆标准，但是造价过高，增加成本。便携式气钉枪需煤矿防爆标志，煤矿防爆标志难以申请。在对矿井较大断面进行封闭时气枪只有一个，其他人员还是得用传统手工斧建造木质设施，出现工具不够用现象。储气瓶体积较大，而且重量偏大，对于救援人员携带下井工作很不方便，甚至影响救援速度，耽误救援时机。

2.4 解决措施

1）联系厂家制作防爆型钉子，材料尽量选择性价比高的，减少使用成本。同时气钉枪外观设计要合理，外壳可设计成铝制材料，降低气枪自身重量，在对井下木质结构施工中，符合防爆要求。

2）与具备资质的厂家联合对便携式气钉枪进行改进，塑料管及活塞接头连接部分密封严。申请煤矿专用防爆标志。

3）在储气瓶出气口加装气枪连接头，调节储气瓶压力，使储气压力能够至少供应两把便携式气枪使用，进一步提升工作效率。

4）缩小储气瓶体积，利用高压脉冲装置中的现有空气瓶作为储存瓶，并设计背负式或手提式装置，降低便携式气钉枪装置的质量和体积，更适用于现场的操作环境，进一步发挥实战功能。

5）通过精密车削，控制活塞接头形状和位置度以及活塞的沟槽直径和圆度。塑料管选用防爆、防潮、耐高温、耐腐蚀的材料。

2.5 推广应用情况

该设计在多家矿山救护队模拟巷道经过了多次试验和改进，总体实验效果良好，达到了设计的预期目标，鉴于目前国内外没有此种设备，且装备研发成功后发展前景较好，研究成果将在全国各矿山救护队及煤矿行业推广使用。

3 结论

1）先进的应急救援装备能有效提高应急救援能力，减少人员伤亡和财产损失。便携式气钉枪操作简单、携带方便、动作迅速，使用过程中气钉枪可由单人独立操作，省时省力，能够提升救援人员在灾区内工作的安全系数。

2）煤矿发生火灾、爆炸事故时，若产生大量有毒有害气体和高温现象，快速建造木板密闭墙或风障等设施是保护救援人员、降低事故损失的重要条件，使用便携式气钉枪可大大提高木质设施的建造效率。

3）便携式气钉枪的设计有较强的实用性，能够最大限度地减少救援人员在灾区的时间，确保救援人员安全，具有易维护、速度快等优势。因此，便携式气钉枪在煤矿事故应急抢险救援工作中发挥了重要作用。