井下災(zāi)區(qū)遠(yuǎn)距離自動(dòng)封閉裝置

文/于海森 王小林

災(zāi)區(qū)火區(qū)封閉一直是礦山救援工作的老大難問題。全國(guó)因建造密閉墻封閉通風(fēng)孔發(fā)生瓦斯爆炸而造成的救護(hù)隊(duì)人員傷亡事故，高居救護(hù)隊(duì)人員自身傷亡事故案例首位。井下災(zāi)區(qū)遠(yuǎn)距離自動(dòng)封閉裝置的研發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)了井下災(zāi)區(qū)火區(qū)遠(yuǎn)距離同時(shí)、自動(dòng)封閉，為安全救援創(chuàng)造了條件。

眾所周知，災(zāi)區(qū)火區(qū)封閉一直是礦山救援工作的老大難問題。建造密閉墻封閉災(zāi)區(qū)火區(qū)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工條件差，環(huán)境復(fù)雜多變，時(shí)間緊、任務(wù)重，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且緊靠災(zāi)區(qū)作業(yè)，特別是最后封孔階段，火區(qū)內(nèi)風(fēng)量及氣體成分會(huì)發(fā)生很大變化，風(fēng)量驟減，通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生改變，極易發(fā)生瓦斯聚積爆炸，造成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)因建造密閉墻封閉通風(fēng)孔發(fā)生瓦斯爆炸而造成的救護(hù)隊(duì)人員傷亡事故，高居救護(hù)隊(duì)人員自身傷亡事故案例首位。最典型的是2013年吉林八寶煤業(yè)“3·29”火災(zāi)事故搶險(xiǎn)救援過程中，封閉火區(qū)造成火區(qū)先后發(fā)生5次瓦斯爆炸，共造成包括集團(tuán)公司總工程師在內(nèi)的53人遇難，其中救護(hù)人員26人，教訓(xùn)極其深刻、沉痛。解決井下災(zāi)區(qū)火區(qū)安全封閉這一老大難問題，是礦山搶險(xiǎn)救援人員長(zhǎng)期以來的殷切期盼。為此，鄭州煤電股份有限公司礦山救援中心和河南萬合機(jī)械有限公司于2014年3月起，聯(lián)合開展井下災(zāi)區(qū)遠(yuǎn)距離自動(dòng)封閉技術(shù)研究。

裝置用途

井下災(zāi)區(qū)遠(yuǎn)距離自動(dòng)封閉裝置，就是在井下發(fā)生災(zāi)變需要快速密閉滅火時(shí)（主要是火災(zāi)和瓦斯事故），在指定巷道內(nèi)構(gòu)筑防爆密閉墻，將該裝置安置在密閉墻上，構(gòu)筑時(shí)密閉門處于打開狀態(tài)，保持巷道正常通風(fēng)，維持通風(fēng)系統(tǒng)基本穩(wěn)定，避免災(zāi)區(qū)火區(qū)內(nèi)瓦斯聚積爆炸。當(dāng)密閉墻構(gòu)筑完成后，作業(yè)人員快速撤到安全距離以外，啟動(dòng)遠(yuǎn)程控制裝置同時(shí)將進(jìn)回風(fēng)密閉門關(guān)閉，并自動(dòng)縮緊，從而保障災(zāi)區(qū)封閉作業(yè)人員安全。

裝置構(gòu)成

裝置主要由框架、門框、門體和氣動(dòng)、電動(dòng)控制裝置兩大部分組成。門框、門體之間采用銷軸鉸接，具體情況見下表。

關(guān)于主體框架尺寸選擇考慮因素，在滿足防爆抗壓強(qiáng)度安全的前提下，一是重量輕、尺寸小，便于運(yùn)輸安裝；二是門體0.98 m2的通風(fēng)面積基本可以滿足封閉期間通風(fēng)需求；三是便于救護(hù)人員佩戴儀器裝備順利通過；四是材料盡量選擇強(qiáng)度硬、耐腐蝕、抗沖擊的鋼材。

控制裝置主要由開關(guān)門氣缸、位置傳感器、氣動(dòng)控制箱、PLC可編程控制器（以下簡(jiǎn)稱“PLC控制器”）、開關(guān)按鈕、備用電源等組成。

表：裝置構(gòu)成

裝置工作原理

井下災(zāi)區(qū)遠(yuǎn)距離自動(dòng)封閉裝置，以壓縮空氣推動(dòng)氣缸活塞桿作為執(zhí)行動(dòng)力進(jìn)行關(guān)門動(dòng)作，同時(shí)以壓縮空氣帶動(dòng)氣缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)密閉門進(jìn)行鎖緊；以單片機(jī)為CPU核心的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可掛接多種傳感器，能對(duì)密閉門的關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行判斷，并發(fā)出指令，執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉門的遠(yuǎn)距離控制。

裝置動(dòng)作過程

按下關(guān)門按鈕，PLC控制器發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)電磁換向閥，高壓氣瓶通過氣路向關(guān)門氣缸供氣，關(guān)門氣缸動(dòng)作，開始關(guān)閉密閉門，當(dāng)密閉門關(guān)閉到位后，位置傳感器發(fā)出信號(hào)給PLC控制器，并在200 m外的PLC控制器顯示屏上顯示關(guān)閉信號(hào)。緊接著，PLC控制器發(fā)出信號(hào)，電磁閥動(dòng)作，鎖緊氣缸閥門，高壓氣瓶向鎖緊氣缸供氣，鎖緊氣缸推動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壓緊銷旋轉(zhuǎn)，將密閉門與門框鎖緊，并壓緊密封條，保證不漏氣，密閉嚴(yán)密。壓緊到位后，位置傳感器發(fā)出信號(hào)給PLC控制器，停止向鎖緊氣缸供氣，關(guān)門動(dòng)作結(jié)束。

打開密閉門時(shí)，按下開門按鈕，PLC控制器發(fā)出信號(hào)，控制電磁閥打開鎖緊氣缸閥門，高壓氣瓶向鎖緊氣缸供氣，鎖緊氣缸拉動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壓緊銷旋轉(zhuǎn)，解開閉鎖，位置傳感器發(fā)出信號(hào)給PLC控制器，停止向鎖緊氣缸供氣，并在200 m外的PLC控制器顯示屏上顯示解鎖信號(hào)。緊接著，PLC控制器發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)電磁換向閥，高壓氣瓶向開門氣缸供氣，開門氣缸推動(dòng)密閉門打開，當(dāng)密閉門打開到位后，位置傳感器發(fā)出信號(hào)給PLC控制器，停止向氣缸供氣，密閉門打開。

裝置性能

井下災(zāi)區(qū)遠(yuǎn)距離自動(dòng)封閉裝置適用于有瓦斯、煤塵爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中，特別適用于井下火區(qū)封閉。密封性好，可承受大于0.3 Mpa壓力的沖擊。門與門框之間柔性接觸，柔性材料阻燃抗高溫，保證高溫300 ℃不熔化，密閉不漏風(fēng)。

在500±20 Pa壓力下，對(duì)密閉門進(jìn)行過專門試驗(yàn)，泄壓速率不大于350 Pa/h，密封性能良好。

密閉門及連接構(gòu)件有足夠強(qiáng)度，具有良好的抗爆性能。在空間體積不小于300 m3的瓦斯爆炸環(huán)境中專門進(jìn)行過抗爆性試驗(yàn)，密閉門無明顯變形。

電動(dòng)控制裝置使用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱，額定工作電壓與礦井照明或通信系統(tǒng)電壓相匹配；氣動(dòng)執(zhí)行元件及管件耐壓性能滿足高壓氣源壓力要求。

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

能夠?qū)崿F(xiàn)井下災(zāi)區(qū)火區(qū)遠(yuǎn)距離同時(shí)、自動(dòng)封閉，保證封閉過程中有充足風(fēng)量，保證災(zāi)區(qū)火區(qū)系統(tǒng)穩(wěn)定，避免封閉災(zāi)區(qū)時(shí)因通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定引起瓦斯爆炸事故，為安全救援創(chuàng)造了條件。

能夠有效把機(jī)械傳動(dòng)、氣動(dòng)控制、電動(dòng)控制有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離自動(dòng)關(guān)閉、鎖緊、開啟密閉門，近距離氣動(dòng)關(guān)閉、鎖緊、開啟密閉門及手動(dòng)關(guān)閉、開啟密閉門功能。

電動(dòng)控制箱內(nèi)自備兩塊鋰電池電源，容量1萬2 000 mA，能滿足密閉門連續(xù)開關(guān)40次以上，也可使用井下12～127 V電壓電源。

動(dòng)力源首選裝置配備的高壓空氣瓶，也可以使用井下壓風(fēng)系統(tǒng)氣源。

在高瓦斯、煤與瓦斯突出及自然發(fā)火嚴(yán)重礦井，提前在采區(qū)之間、兩翼之間或采掘工作面安裝井下災(zāi)區(qū)遠(yuǎn)距離自動(dòng)封閉裝置，可以有效防治火災(zāi)事故。同時(shí)，在封閉火區(qū)時(shí)，安裝兩道該裝置，可以實(shí)現(xiàn)人員順利進(jìn)入災(zāi)區(qū)偵察。

災(zāi)區(qū)封閉施工作業(yè)過程中，可在災(zāi)區(qū)預(yù)設(shè)瓦斯、一氧化碳、氧氣、溫度等監(jiān)測(cè)傳感器，傳至地面調(diào)度室，指揮人員可以隨時(shí)監(jiān)控災(zāi)區(qū)氣體溫度變化情況，及時(shí)電話告知現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員。

門框邊預(yù)設(shè)各種管孔，便于各種傳感器線路進(jìn)出，有利于向?yàn)?zāi)區(qū)注氮?dú)?、液態(tài)二氧化碳等開展后期災(zāi)區(qū)治理。

2015年6月，該裝置研發(fā)成功，并在救援中心實(shí)地進(jìn)行試驗(yàn)、驗(yàn)證；2015年7月，開始在鄭煤超化礦和宋樓礦進(jìn)行推廣應(yīng)用；2015年8月，通過鄭煤集團(tuán)公司專家組驗(yàn)收；2015年11月，順利通過河南省科學(xué)技術(shù)廳鑒定；同月，《井下災(zāi)區(qū)遠(yuǎn)距離自動(dòng)封閉技術(shù)研究及應(yīng)用》論文，被國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局礦山救援指揮中心評(píng)為全國(guó)礦山救援優(yōu)秀論文；2016年1月，被河南省科學(xué)技術(shù)廳確認(rèn)為河南省科學(xué)技術(shù)成果，登記號(hào)：9412016Y0236；2016年5月，榮獲第七屆河南煤礦安全生產(chǎn)科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，被列為重點(diǎn)推廣項(xiàng)目；2016年11月，榮獲河南省煤炭工業(yè)管理辦公室科技成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。