无轨胶轮车失速保护安全设施的研究现状与设置

2020-08-11牛宝玉

煤 2020年8期

牛宝玉

(中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北邯郸 056031)

伴随着安全高效无轨胶轮车辅助运输方式的推广应用，无轨胶轮车运行的斜井井筒长度也越来越长，无轨胶轮车运输事故时有发生。为提高无轨胶轮车运输的安全性，新的《煤矿安全规程》第三百九十二条规定无轨胶轮车在长坡道巷道内运输时，应采取车辆失速安全措施。

近年来，国内相关机构对无轨胶轮车失速保护安全设施进行了研究，有些研究成果已进入实际应用，有些成果尚待实践检验。本文总结分析了这些研究成果，并基于对车辆失速后速度变化的分析研究，提出了安全设施的设置方法。

1 车辆发生失速的原因

对于具有煤安标志的防爆无轨胶轮车，车辆运行过程中发生失速的原因有：

1) 车辆在长大坡度斜井或斜巷上以正常速度下行行驶过程中，为了保证一定的安全速度，需要不间断地使用车辆制动系统刹车，频繁的刹车制动将使车辆的刹车部件温度急剧升高，当刹车毂温度达到一定值后，刹车就将失效，随之车辆失去速度控制。

2) 车辆日常检修、维修保养不及时、不到位，车辆制动系统存在隐患，车辆运行过程中制动系统失灵、失效失去速度控制。

3) 操作不当、操作失误引起车辆失去速度控制。

第一种情况可以根据倾斜巷道的坡度、行驶速度和车辆载重量，控制连续行驶的斜巷长度、设置缓坡路段、采用湿式制动器等，将制动刹车部件的温度控制在衰退温度以下予以避免发生车辆失速。第二、三种情况，通过加强车辆检修、维修保养制度的建立和严格执行，以及对驾驶员进行专业培训、持证上岗等，来预防车辆发生失速。受人、车、环境的综合影响，运输车辆发生失速的隐患总是存在的，这就要采取车辆失速保护安全设施，对失速车辆和司乘人员进行保护。

2 车辆失速速度

车辆失速速度是车辆失速保护安全设施设计、设置的重要参数，因此对车辆失速后速度的变化进行研究是十分必要的。按照理论速度计算模型，将车辆传动阻力和正常路面滚动摩擦阻力和巷道风流速度均按没有进行处理，车辆失速速度可简化按下式计算：

(1)

式中：V为车辆失速后的瞬时速度，m/s；V0为车辆失速时的速度，m/s；L为车辆失速下行的距离，m；g为重力加速度，取9.81 m/s2；α为巷道倾角，(°)。

表1为巷道倾角6°时，失速车辆速度与失速下行距离的关系。

由表1可以看出：

表1 失速车辆速度与下行距离(巷道倾角6°)

1) 车辆失速速度随下行距离增加而快速提高，失速下行约400 m时，车辆速度即可达到100 km/h；

2) 同一失速下行距离，车辆失速时的初速度对失速速度几乎没有影响。

3 失速保护安全设施研究现状

无轨胶轮车失速保护安全设施的研究，主要在对失速车辆进行阻拦和避险两个方面开展，并且两个方面的车辆失速安全保护设施在一些矿井进行了推广使用或试验。

3.1 阻拦系统

国内倾斜井巷串车提升运输系统中，广泛采用在车场、变坡点等处设置阻车器预防发生串车跑车；在变坡点下方、巷道中间间隔一定距离设置阻拦装置对发生跑车的车辆进行阻拦，避免跑车事故进一步扩大，这方面的技术和装备已经比较成熟，实际使用中也取得了良好的效果。

无轨胶轮车运输与轨道串车提升不同，无轨胶轮车是有人驾驶或有司乘人员的车辆，因此要求阻拦系统装置一定要具有柔性，以最大程度保护司乘人员的安全。虽然轨道提升运输的防跑车阻拦装置种类较多，但因都属于刚性碰撞类型，因而不适用于无轨胶轮车失速安全保护。

目前国内无轨胶轮车失速保护阻栏方面的研究分为柔性阻车器和阻拦系统。

1) 柔性阻车器系统[1-2]。该系统主要由阻车器、车速监测系统、车载遥控、控制系统组成。设置在巷道内的测速雷达监测巷道内运行无轨胶轮车的速度，一旦发现车辆失速，失速的相关信息传递到车辆上的接受装置，车载的遥控系统发出控制信号，安装在斜巷(斜井)内倒车硐室或巷道帮部的执行机构推动阻车器至巷道内，失速车辆车轮首先与阻车泡沫发生弹性碰撞，继而失速车辆碾压住阻车泡沫后与地面产生摩擦阻力，起到刹车作用，迫使车辆减速停车。阻车器采用梯形的聚氨酯泡沫材料和支撑材料制成。根据现场模拟试验，阻车泡沫动作到位时间为3.5～4 s，车辆阻停距离在10～12 m，试验表明阻车系统能够起到缓冲和阻停事故车辆的效果。

2) 阻拦系统。①阻拦网阻拦系统[3]：该系统由液压吸能装置、机械传动装置、柔性阻拦网、张网系统、地锚系统和控制系统等组成。当车辆发生失速进入测速区域，电气系统给张网执行机构发出信号，阻拦网迅速弹起，失速车辆运动到柔性阻拦网设置位置时，车头部分被阻拦网包络，并下行一段距离。下行过程中，在阻拦系统的钢丝绳和吸能器提供的阻拦力作用下，失速车辆被阻栏减速停车。柔性阻拦网选用迪尼玛(Dyneema)材料制作，迪尼玛是一种超强聚乙烯纤维织带，具有很高的强度。②阻拦索系统[4-6]：系统包括车载设备和巷道内设备两部分。车载设备包括车辆尾钩释放装置、尾钩、车载传感器、车载无线基站和本安电源；巷道内设备包括阻拦索-吸能器系统、控制装置、本安型无线基站和报警显示屏。胶轮车正常速度行驶时，阻拦索在巷道底板以下，不影响车辆正常通行，当车辆发生失速后，车辆上的速度监测装置向巷道内的无线基站发出信号，阻拦装置接收到信号后，阻拦索升起，当车辆行驶到阻拦装置时，车辆尾钩勾住阻拦索，在阻拦索吸能器的作用下，车辆减速下行一段距离后，失速车辆被平稳的栏停。

3.2 避险系统[7-11]

避险系统是通过设置成上坡的车道和较大阻力系数制动床，依靠势能和摩擦阻力做功来消去失速车辆动能达到减速停车的目的。避险车道由引道和强制减速段(制动床)构成，其中引道主要功能是引导失控车辆安全驶入强制减速段的车道，从避免失速车辆侧翻和围岩条件等考虑，引道与主道的夹角建议取10～12°。引道长度一般根据布置确定；强制减速段采用上坡布置，铺设一定厚度散粒集料，目的是使失控车辆尽快停车，车辆减速停车后不倒溜。避险车道倾角建议取8～12°；避险车道的结构参照《公路工程技术标准》。

避险车道强制减速段长度按下式计算确定：

(2)

式中：Lb为避险车道长度，m；V为驶入速度(失速车辆驶入避险车道的速度)，m/s；β为避险车道倾角，(°)；fz为避险车道散粒材料的阻尼系数，对2.36～4.75 cm粒径的豆砾石取0.25[12]；g为重力加速度，m/s2。

表2为正常运行速度20 m/h时，驶入速度与避险车道强制减速段长度的关系。由表2可知，其长度一般要大于井下自然扩散通风允许的6 m距离，需要设立专用的通风巷道或钻孔通风。

表2 驶入速度与避险车道强制减速段长度关系

4 失速安全保护系统比较分析

从上述几种车辆失速保护装置的工作原理看，阻车器系统的阻车时间短，动能释放快，对车辆和人员的冲击比较大。如果阻拦的失速速度高，需要阻车泡沫的体积就越大，故适用于较低失速速度车辆的保护。由于车辆发生失速的时间、地点的不确定，故相同长度的巷道内需要布置的个数较多；另外阻车泡沫材料是一次性的，不能重复使用。

阻拦网阻拦系统和阻拦索系统均为失速车辆提供了缓停时间，即失速车辆在阻拦系统发生作用后，阻拦装置的吸能器通过钢丝绳或阻拦索对失速车辆持续提供了一个反向作用力，失速车辆有一个减速停车的过程，减速度也可进行调节，因此可以最大程度保护车辆和人员安全，可以对较大失速速度的车辆进行有效的阻拦，巷道设置道数可以减少，并且可以重复使用。

阻车器系统和阻拦网系统均独立于运输车辆，不需对运输车辆进行改造，而阻拦索系统则需要对现有运输车辆进行改造或选用带有阻拦尾钩的车辆。

根据地面道路避险车道的实际使用情况，避险车道能够到对失速车辆起到安全保护作用，避免了失速车辆发生车辆损毁和人员伤亡的重大事故，可以为失速车辆提供有效的避险场所，并且可以重复使用。但避险车道的工程较大，投资较高。在煤矿设置避险车道时，其长度一般要超过6 m，不能扩散通风，还需要另外布置通风联络巷。

5 失速安全保护设施的设置

5.1 设置位置

车辆失速保护是针对车辆在运行过程中发生的随机性、偶然性失速，因此车辆发生失速的时间和地点都是不确定的、难以预测的，因此只能根据失速保护设置的性能或预设的失速保护速度等在巷道内分段设置失速保护安全设施。阻拦系统一般设置在巷道的直线段，避险系统要在巷道的拐弯处和直线段分段设置避险车道。

5.2 设置间距

1) 阻栏系统。尽管阻车器、阻拦系统阻止失速车辆运动的方式不同，但都是通过采用吸能装置吸纳失速车辆的动能，达到阻止失速车辆继续下行的目的，故可以根据阻拦装置阻拦能量(吸能量)按下式计算确定设置的间距。

(3)

(4)

式中：L为设置的间距(最大的失速下行距离)，m；E为安全保护装置的吸能量，J；E0为车辆失速时的动能，J；V0为车辆正常行驶速度，m/s；m为车辆质量，kg；g为重力加速度，取9.81 m/s2；α为巷道倾角，(°)；f为路面阻力系数。

为了提高阻拦的可靠性，在每个阻拦地点应布置两道阻拦装置，间隔50 m，保证第一道阻拦失败后，第二道能够发挥作用。

2) 避险系统。避险车道的设置间距应根据巷道倾角、驶入速度(失速车辆驶入避险车道速度)的设定值和避险车道总工程量等合理确定。结合地面运输中失速车辆安全驶入避险车道速度的统计资料，从失速车辆能够安全进入避险车道避险、司乘人员的心理状态以及避险车道总工程量等考虑，失速车辆驶入避险车道的速度建议不超过120 m/h，按此速度依公式(3)计算的设置间距约在500 m。