緩坡斜巷無軌車輛失速保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

楊福珍

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

防爆無軌膠輪車(含礦用人車、材料車等運(yùn)輸車輛)目前已在許多大型礦井中大量使用，不過車輛在使用過程中，由于工人超速行駛、操作不當(dāng)、掛檔失敗或者剎車制動失效等原因而發(fā)生安全事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

近年來，煤礦井下無軌膠輪車引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生，國家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)察局要求各煤礦企業(yè)要進(jìn)一步加強(qiáng)井下無軌膠輪車使用的安全管理，采取有效的保護(hù)措施，保障人員運(yùn)輸安全。

《煤礦安全規(guī)程》(2016版)第392條明確規(guī)定：“長坡段巷道內(nèi)必須采取車輛失速安全措施”。因此，無論從安全生產(chǎn)實(shí)際需要方面，還是從國家政策層面，降低無軌膠輪車安全事故，實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車速度失控后的主動防御和保護(hù)，是非常迫切和必要的。

1 問題的提出

杭來灣煤礦參照神府礦區(qū)大柳塔、榆家梁等礦井的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，采用斜井開拓。其中副斜井為緩坡斜井，傾角5.5°，采用折返式繞行設(shè)計(jì)，總長約3 130 m(中間設(shè)50 m水平緩沖段)，井筒凈寬5.6 m、墻高1.8 m，凈斷面積22.4 m2。礦井輔助運(yùn)輸采用防爆無軌膠輪車連續(xù)運(yùn)輸，從礦井工業(yè)場地直達(dá)工作面連續(xù)運(yùn)輸。

2011年9月，該礦作業(yè)人員乘坐無軌膠輪人車從副斜井入井200 m后，發(fā)現(xiàn)車輛不能正常換檔、剎車失靈，滑行中撞在左側(cè)巷幫上，造成事故。

為避免類似事故的發(fā)生，造成人員傷亡和車輛損失，提高副斜井無軌膠輪車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。有必要研發(fā)設(shè)計(jì)一種先進(jìn)有效的車輛保護(hù)裝置或措施。

2 設(shè)計(jì)面臨的問題

目前，安全監(jiān)察部門和車輛使用企業(yè)應(yīng)對無軌膠輪車事故主要有以下3種措施。

2.1 從車輛生產(chǎn)源頭入手

進(jìn)一步嚴(yán)格無軌膠輪車產(chǎn)品的準(zhǔn)入條件，逐步提高生產(chǎn)企業(yè)的準(zhǔn)入門檻，促進(jìn)無軌膠輪車產(chǎn)品整體水平穩(wěn)步提升，從根源上提高車輛安全性。

2.2 從管理方式入手

嚴(yán)禁非防爆機(jī)動車輛入井，嚴(yán)禁采用非專用人車運(yùn)送井下作業(yè)人員。嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定，加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng)、用前安全檢查、定期檢驗(yàn)檢修和運(yùn)行管理，不得擅自拆除車輛安全保護(hù)設(shè)施。井下駕駛無軌膠輪車的作業(yè)人員必須具有與駕駛車輛對應(yīng)的機(jī)動車輛駕駛證和崗位操作資格，嚴(yán)禁不具備資格人員在井下駕駛車輛。

2.3 從運(yùn)行環(huán)境入手

加強(qiáng)巷道管理，在事故多發(fā)地段，沿巷道壁兩側(cè)掛設(shè)廢舊輪胎，一旦發(fā)生跑車事故，由司機(jī)不斷調(diào)整駕駛方向，用車身和廢舊輪胎產(chǎn)生摩擦，使車輛降速；或者參考高速公路下坡避險(xiǎn)車道設(shè)置方法，在巷道中設(shè)計(jì)一段向上斜巷，斜巷底板上堆積沙子等柔性材料，起到降速、停車的目的[1]。

以上防治措施中，第1種措施雖然可以降低無軌膠輪車發(fā)生失速的概率，但無法杜絕車輛安全事故的發(fā)生。車輛發(fā)生事故后，仍可能造成失控后發(fā)生車毀人亡的事故，風(fēng)險(xiǎn)源仍存在。第2種措施與礦井安全生產(chǎn)管理水平密切相關(guān)，但由于目前煤礦管理水平、工人的技術(shù)水平良莠不齊，若安全監(jiān)察不到位，還是易發(fā)生車輛安全運(yùn)行事故，且該措施也無自動保護(hù)功能。第3種措施主要是針對事故發(fā)生后的應(yīng)對，是一種比較有效的防治方案，但其使用效果和司機(jī)的駕駛水平、應(yīng)急反應(yīng)密切相關(guān)。車輛失控后，一般車速比較快，若司機(jī)操作不當(dāng)或反應(yīng)滯后，就可能發(fā)生車輛撞擊、側(cè)翻等安全事故，達(dá)不到預(yù)期效果。且在巷道中設(shè)置斜巷，不易解決巷道通風(fēng)問題。當(dāng)車速過快時(shí)，車輛能否按照理想的狀態(tài)駛?cè)氡茈U(xiǎn)巷道有待驗(yàn)證，故在實(shí)際應(yīng)用中，采用此類巷道作為車輛避險(xiǎn)措施的礦井比較少。

上述幾種無軌膠輪車跑車事故的防治措施，存在可靠性不高，使用效果不理想等缺點(diǎn)。對此，經(jīng)過仔細(xì)研究，實(shí)地走訪礦山設(shè)備企業(yè)，針對該礦副斜井輔助運(yùn)輸線路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用一種新型無軌膠輪車失速保護(hù)裝置，在無軌膠輪車發(fā)生速度失控時(shí)，可以給車輛提供一個(gè)外在的可靠而且平穩(wěn)的拉力，使車輛逐漸減速制動，避免持續(xù)向下跑車。該系統(tǒng)相比其它的減速制動措施，制動效果好，對人員和車輛損傷小，實(shí)現(xiàn)了對無軌膠輪車速度失控的主動防御和保護(hù)，有效地降低了無軌膠輪車速度失控后發(fā)生事故風(fēng)險(xiǎn)的概率，極大地提高了無軌膠輪車運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性。

3 失速保護(hù)裝置設(shè)計(jì)方案

3.1 失速保護(hù)裝置系統(tǒng)組成及工作原理

3.1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由2個(gè)部分組成：其一為車載設(shè)備，全部安裝在無軌膠輪車車輛本體上；其二為巷道內(nèi)設(shè)備，設(shè)置在運(yùn)行線路巷道上。

車載設(shè)備：車載設(shè)備由本安電源、車載傳感器、車載無線基站、尾鉤釋放裝置、尾鉤等設(shè)備組成。這些設(shè)備與車輛本體均無直接聯(lián)系，有獨(dú)立的液壓、機(jī)械制動、電控等系統(tǒng)，安裝后不改變車輛原有的機(jī)械、電氣操控以及機(jī)械制動等性能。

巷道內(nèi)設(shè)備：巷道內(nèi)設(shè)備由巷道控制箱、本安型無線基站、阻攔繩索—吸能器系統(tǒng)、巷道LED報(bào)警顯示屏等設(shè)備組成。

3.1.2 工作原理

無軌膠輪車失速保護(hù)系統(tǒng)分為機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。

機(jī)械系統(tǒng)采用尾鉤掛阻攔繩索的方式進(jìn)行制動。在車輛因制動失靈，發(fā)生失速跑車后，司機(jī)緊急踩下尾鉤釋放裝置的踏板，釋放尾鉤。由于此時(shí)車速還處于上升階段，司機(jī)仍可以較易控制車輛行駛方向，保持車輛直道行駛，避免撞擊側(cè)巷。當(dāng)車輛尾鉤行進(jìn)到阻攔繩索所在位置時(shí)，連接兩吸能器的阻攔繩索就會被尾鉤捕捉，對車輛施加恒定的外力，使車輛減速制動，緩沖一定距離后，最終使車輛停下來。由于被捕捉車輛受到外力方向?yàn)橄蚝?、向下，并且吸能器提供的力較為均衡，故對車輛及其內(nèi)人員沖擊較小。車輛尾鉤具備防脫功能，確保阻攔索進(jìn)入尾鉤后不會脫出。阻攔繩索可在尾鉤內(nèi)竄動調(diào)整，車輛無側(cè)翻危險(xiǎn)[1]。

電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測尾鉤的狀態(tài)，并將車輛信息及時(shí)上傳至基站。接收到機(jī)械制動系統(tǒng)釋放尾鉤的信號后，車載無線基站將發(fā)出車內(nèi)聲光報(bào)警信號，提示車內(nèi)人員尾鉤已經(jīng)釋放，做好應(yīng)對準(zhǔn)備。同時(shí)，在巷道內(nèi)通過LED顯示屏同步報(bào)警，提醒其他車輛有效避讓。該信息同時(shí)經(jīng)過基站上傳至地面監(jiān)控中心系統(tǒng)[2-4]。

車輛制動系統(tǒng)示意如圖1所示。

1-踏板;2-油壺;3-油管；4-尾鉤;5-阻攔繩索;6-吸能器

3.2 方案設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

巷道參數(shù)：緩坡斜井，傾角5.5°，采用折返式繞行設(shè)計(jì)，總長約3 130 m(中間設(shè)置50 m水平緩沖段)。

運(yùn)輸車輛參數(shù)：無軌膠輪車總質(zhì)量(含載重)為2～13 t；運(yùn)送人員車速≤15 km/h；運(yùn)送材料車速≤18 km/h；車輛最大行駛速度≤38 km/h；需要安裝的車輛數(shù)為30輛。

3.2.2 方案

在副斜井巷道內(nèi)共設(shè)計(jì)6組(12道)阻攔繩索-吸能器，設(shè)置位置均在直段巷道上。第1組設(shè)置在距井口約600 m處，之后每隔500 m設(shè)置一組。

每個(gè)吸能器輸出摩擦力標(biāo)定以正常使用的最小質(zhì)量2 t的車輛進(jìn)行設(shè)計(jì)標(biāo)定，滿足最小質(zhì)量的車輛攔截使用，同時(shí)，在吸能器繩輪內(nèi)儲備有足夠的鋼絲繩，滿足大質(zhì)量13 t的車輛攔截使用。

每組制動單元設(shè)有兩道阻攔繩索，阻攔繩索所處地面需做局部處理，以保證尾鉤能順利掛住阻攔繩索。

每道捕捉系統(tǒng)由2組阻攔繩索-吸能器組成，一用一備，每組阻攔繩索布置原則是相鄰2組阻攔繩索之間間距為50 m。

阻攔繩索-吸能器硐室設(shè)計(jì)尺寸：斜井井筒砼底板以上凈高度為1.3 m，砼底板以下下挖1 m×1 m(長×寬)，水平凈深度為1.2 m。

底板以上開挖部分用水泥砂漿將裸露表面進(jìn)行保護(hù)，副斜井巷道每個(gè)吸能器位置所掘硐室采用100 mm厚度水泥砂漿層進(jìn)行保護(hù)。

3.3 失速保護(hù)裝置配置

副斜井無軌膠輪車失速保護(hù)系統(tǒng)配置見表1。

表1 副斜井無軌膠輪車失速保護(hù)系統(tǒng)配置

4 失速保護(hù)系統(tǒng)驗(yàn)證及使用效果

4.1 失速保護(hù)系統(tǒng)驗(yàn)證

2013年該礦根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，同年12月安裝完畢，由建設(shè)單位組織安全部門、設(shè)備廠家、設(shè)計(jì)、施工單位進(jìn)行驗(yàn)收，并對系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)均達(dá)到了預(yù)期效果，車輛和人員均得到安全保護(hù)，具體測試流程如下。

總質(zhì)量約為15 t的無軌膠輪車以60 km/h的速度駛來(超載、超速)。

在距離阻攔索[5-6]約 30 m距離時(shí)，司機(jī)釋放尾鉤。尾鉤釋放后，在自身重力和拉簧的作用力下落向地面，并緊貼地面隨車輛前行。

尾鉤勾住阻攔索并鎖定。

尾鉤勾住阻攔索后，開始減速制動，緩沖制動減速度在0.5～2.5 g范圍內(nèi)。

車輛被成功緩沖制動，人員無不良生理反應(yīng)，并能安全下車。

4.2 使用效果分析

該礦無軌膠輪車速度失控保護(hù)系統(tǒng)[7]自2013年12月投用后，副斜井未發(fā)生過車輛運(yùn)行傷亡事故。每年對系統(tǒng)進(jìn)行失速測試[8-9]，系統(tǒng)測試攔截效果達(dá)100%。實(shí)際生產(chǎn)過程中，曾發(fā)生過2次保護(hù)裝置啟用，其中一次距副斜井井底約750 m處，由于超速駕駛，系統(tǒng)自動報(bào)警，司機(jī)緊急啟動裝置；另一次在副斜井中部距井口約1 680 m處，材料車下行過程中發(fā)生失速后，保護(hù)系統(tǒng)及時(shí)啟動，安全欄截。經(jīng)事后分析，2次攔截均達(dá)到失速保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置的預(yù)期效果[10-12]。

5 結(jié)論

無軌膠輪車速度失速保護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠有效阻攔速度失控的無軌膠輪車，吸能器能夠把無軌膠輪車的動能轉(zhuǎn)化為吸能器自身的熱能并消耗掉，起到良好的制動效果，大大降低了跑車事故的危害。

該系統(tǒng)可以確保在無軌膠輪車各種速度失控狀態(tài)下，對其實(shí)現(xiàn)有效制動，并確保司機(jī)和乘員的人身安全。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有可靠性較高、操作簡潔、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)安裝簡單，不會造成原有車輛結(jié)構(gòu)及性能的改變。安裝在無軌膠輪車上的無線車載報(bào)警器在膠輪車速度失控?cái)r截時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，及時(shí)有效地提醒其他車輛進(jìn)行避讓。該系統(tǒng)對解決當(dāng)前煤礦井下無軌膠輪車跑車事故效果顯著，具有較大的安全效益和社會效益。