吴前进

（沁和能源集团有限公司永安煤矿， 山西 晋城 048205）

引言

煤矿井下通风系统中的风门因通车、行人需要，经常出现两道风门同时被打开的情况，易发生风流短路或瓦斯超限事故，一般采用风门闭锁装置的办法解决这一问题。当前煤矿井下风门闭锁装置有电动式、风动式和机械式三大类。风门机械式闭锁装置应用范围广，具有生产成本低、性能可靠、故障率低等优点，在煤矿井下通风系统中应用最广泛[1-3]。沁和能源集团有限公司永安煤矿井下风门采用的是重锤+限位锁闭锁装置，应用效果理想，但是当巷道相对较矮时，该重锤+限位锁闭锁装置因重锤行程限制而无法有效地实现闭锁。

1 重锤+限位锁风门闭锁系统

1.1 结构分析

永安煤矿井下巷道风门采用的重锤+限位锁风门闭锁系统如图1 所示，主要由导向滑轮、闭锁器、改向滑轮、联锁钢丝绳、反向滑轮、柱状重锤、转动轴、底座、筒状滑槽等部件组成。闭锁器由支架、两个滑道、两个重锤、闭锁板组成，为重锤+限位锁风门闭锁系统核心部分；两根联锁钢丝绳分别连接闭锁器左右重锤和左右风门扇；导向滑轮、改向滑轮和反向滑轮主要是吊挂钢丝绳并起到调整钢丝绳受力方向的作用。

图1 重锤+限位锁风门机械闭锁系统示意图

1.2 工作原理

重锤+限位锁风门闭锁系统在井下单扇风门和双扇风门中均可以有效实现闭锁，保障井下通风系统的安全。其工作原理为：当打开左侧风门时，左侧重锤随即升起，进而推动闭锁板向右倾斜，将右侧重锤死死卡住，此时无法将右侧风门打开；当关闭左侧风门时，左侧重锤随即落下，闭锁板没有将右侧重锤卡住，进而可以打开右侧风门，此时右侧重锤随即升起，进而推动闭锁板向左侧倾斜，将左侧重锤死死卡住，此时无法将左侧风门打开。

2 旧式闭锁装置重锤行程分析及存在的问题

永安煤矿井下巷道风门采用的旧式重锤+限位锁风门闭锁系统重锤行程分析情况如图2 所示。

图2 旧式闭锁装置重锤行程分析示意图

图2 中，h 为巷道高度；x 为重锤长度；y 为滑槽长度；z 为重锤行程；r 为改向滑轮下沿到巷道顶板高度，约为200 mm。根据闭锁器的工作原理，基于重锤行程分析可知，y≥x＞z，同时y+z+r≤h，那么位移为：

因此，根据上述计算可知，该旧式闭锁装置重锤行程约为巷道高度的1/2，其行程受到巷道高度的制约，因此旧式闭锁装置的应用范围有限。理论计算和实践经验都表明：当煤矿井下巷道高度低于3.5 m时，基于最小无轨胶轮车行驶宽度2.4 m 条件下，设计单扇风门或双扇风门都无法保障旧式重锤+限位锁风门闭锁系统灵敏、可靠闭锁。

永安煤矿对于高度低于3.5 m 的巷道，其风门旧式重锤+限位锁风门闭锁系统主要采用以下方式解决闭锁系统的灵敏和可靠问题：第一，在闭锁装置安装处施工措施坑，可以有效增加闭锁装置重锤的最大行程，但是该方案额外增加了施工工程量，成本较大；第二，给连接钢丝绳留一定余量，等风门打开部分后钢丝绳才绷紧并带动重锤动作，该方案有效降低了风门闭锁的灵敏性，闭锁效果不佳。因此，必须考虑对旧式重锤+限位锁风门闭锁系统进行优化改进，使其能适用于高度低于3.5 m 的巷道风门。

3 闭锁装置的优化改进设计

旧式重锤+限位锁闭锁装置的工作过程可分为三部分：一是闭锁装置的重锤是在滑槽内进行上下运动，无法脱离滑槽的限制区域；二是重锤升起后会对闭锁板发生作用，进而对另外一侧重锤进行卡阻，从而起到闭锁作用；三是升起的重锤对于闭锁板的作用具有连续不间断性，进而对另外一侧重锤的卡阻保持连续不间断，从而闭锁作用会连续不间断。

基于旧式重锤+限位锁型闭锁装置的工作过程，在旧装置的基础上，经多次试验研究，提供了一种新型的闭锁装置，其结构与重锤行程分析如图3 所示。

在分析闭锁原理的基础上，进行了思路拓展并经多次研究试验，完成了新型闭锁装置的设计。新型闭锁装置主要由移动螺栓、闭锁板、闭锁板固定架、闭锁板连杆、顶盖、滑轮、钢丝绳、重锤滑槽、重锤、滑锤开口、底座等部件组成。装置中多个闭锁板实现了联动，完全能满足重锤+限位锁型闭锁装置的闭锁三要素，可以实现安全、可靠闭锁。

图3 中，y 为闭锁装置整体高度；x 为柱状重锤长度；m 为闭锁板间距。由图3 可知，x-m=100 cm。假定装置中闭锁板数量为N，为保证闭锁板联动的灵活可靠，一般取N≤4。各参数之间的关系为：

图3 新型闭锁装置结构及重锤行程分析示意图

4 新型闭锁装置的实践应用

沁和能源集团有限公司永安煤矿位于山西省晋城市沁水县嘉峰镇，井田面积4.76 km2，地质储量255.4 万t，设计生产能力为60 万t/年，开拓方式为斜井开拓，开采水平为+540 m，现主采山西组3 号煤层，综采放顶煤采煤工艺。

永安煤矿辅助回风下山下段四联巷断面为宽×高=5.5 m×2.9 m，为保障无轨胶轮车顺利通行，设计安装规格为2.4 m×2.6 m 的双扇风门，门扇宽度为1.2 m。如安装1.8 m 高的旧式闭锁装置，为保障闭锁装置的可靠性和灵敏度，根据式（1）计算可知，闭锁装置重锤行程至少应该要大于1.69 m，此时必须要在闭锁器所在巷道底板处下卧一深0.6 m 的措施坑，闭锁装置的安装过程复杂，工程量较大。

采用优化改进后的新型闭锁装置，只需要将新型闭锁装置中的重锤长度设置为500 mm、闭锁板间距设置为400 mm、采用4 个闭锁板、闭锁装置高度为2.1 m 时，其参数均符合公式（2）要求。此时，在新型闭锁装置的安装中不需要增加工程，其闭锁效果理想，可以实现辅助回风下山下段四联巷两道风门的灵敏、可靠闭锁。