郭杰，王旭東，鄧奇根

(1.山西晉煤集團(tuán) 坪上煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作454000)

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速高效發(fā)展，礦井開采技術(shù)日益進(jìn)步，以綜合掘進(jìn)機(jī)為主的掘進(jìn)技術(shù)已廣泛應(yīng)用到煤礦開采行業(yè)中，成為煤礦采掘活動(dòng)中的核心生產(chǎn)要素。在綜合掘進(jìn)過程中，冒頂、煤與瓦斯突出、粉塵、高溫、噪聲、高潮濕等各種危害普遍存在[1-2]。在我國(guó)礦井頂板事故中，已有統(tǒng)計(jì)表明，巷道冒頂導(dǎo)致的死亡事故80%以上發(fā)生在掘進(jìn)工作面及巷道交叉口，其中，以掘進(jìn)工作面更為普遍[3-5]。煤與瓦斯突出的規(guī)律表明：煤與瓦斯突出多數(shù)發(fā)生在采煤、掘進(jìn)工作面，其中大多數(shù)發(fā)生在掘進(jìn)工作面[6]。掘進(jìn)過程中產(chǎn)生大量的煤塵及有毒有害氣體，機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和局扇運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生噪聲，噴霧除塵及巷幫淋水造成的井下空氣潮濕，深井工作面的地?zé)峒熬C合掘進(jìn)機(jī)等機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量形成的高溫[7-9]都嚴(yán)重影響綜合掘進(jìn)機(jī)司機(jī)和工人的身心健康和工作效率。

目前，我國(guó)各煤礦掘進(jìn)機(jī)使用普遍[10-12]，并開發(fā)有掘進(jìn)機(jī)周圍人體紅外報(bào)警系統(tǒng)，部分掘進(jìn)機(jī)安裝有掘進(jìn)機(jī)人體自動(dòng)檢測(cè)保護(hù)裝置，應(yīng)用紅外感應(yīng)器、邏輯控制器、語(yǔ)音報(bào)警和警示燈對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行合理配置，構(gòu)成掘進(jìn)機(jī)司機(jī)安全防護(hù)裝置。部分掘進(jìn)機(jī)通過安裝和使用高壓降塵裝置，能有效降低掘進(jìn)機(jī)切割煤巖過程中的粉塵質(zhì)量濃度。但掘進(jìn)機(jī)司機(jī)多數(shù)直接暴露于工作環(huán)境中，部分掘進(jìn)機(jī)安裝有簡(jiǎn)易的司機(jī)棚，但對(duì)司機(jī)的職業(yè)安全健康防護(hù)較為困難，掘進(jìn)機(jī)外觀如圖1所示。

1 掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室研制

我國(guó)煤礦對(duì)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)操作普遍規(guī)定：掘進(jìn)機(jī)司機(jī)作業(yè)時(shí)注意力要高度集中，注意觀察掘進(jìn)機(jī)周圍頂板、底板、煤壁等異常情況。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)是掘進(jìn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)第一工作人員，不僅要進(jìn)行忙碌的采掘作業(yè)，而且還得面臨著冒頂、煤與瓦斯突出、粉塵、噪聲及高潮濕等諸多風(fēng)險(xiǎn)和危害[13-14]。在惡劣的工作環(huán)境中，精力和關(guān)注度難以保持高度集中，因此，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)是事故的易發(fā)對(duì)象。

根據(jù)井下掘進(jìn)實(shí)際，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)特征，研制出一種具有抗壓、防塵、防毒性氣體、防噪聲、防潮濕及自救等功能于一體的掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室。司機(jī)室左側(cè)設(shè)計(jì)成操作控制臺(tái)，右側(cè)為安全門，方便掘進(jìn)機(jī)司機(jī)出入，整體看起來類似于一個(gè)小型避難倉(cāng)，同時(shí)具有控制室功能，司機(jī)室立體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 司機(jī)室立體結(jié)構(gòu)

外殼采用抗壓式設(shè)計(jì)，殼體一側(cè)設(shè)有密閉性能良好的出入門，在殼體的前方、后方和兩側(cè)設(shè)有6 mm厚可觀察室外的防爆玻璃窗，在抗沖擊的同時(shí)也保證了掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的視野不受限制。殼體根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為頂殼和側(cè)殼，殼身采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外依次為反彈層、隔熱層和高強(qiáng)度反應(yīng)層。殼體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-減震層；2-高強(qiáng)度反應(yīng)層；3-隔熱層；4-反彈層；5-緊密連接件

反彈層為碳纖維材質(zhì)，碳纖維質(zhì)量比金屬鋁輕，強(qiáng)度比鋼鐵高，且具有耐腐蝕、高模量的特性，可以有效增加外殼的拉伸性，外殼在受到外力擠壓時(shí)不易變形。其中，頂殼設(shè)置減震層，內(nèi)部為若干彈簧，兩端分別連接支撐板和抗壓框架；高強(qiáng)度反應(yīng)層材質(zhì)為鍍鋅鋼板，耐腐蝕，硬度大，遇到?jīng)_擊時(shí)能夠有效發(fā)揮作用，是車殼的第一道保障。隔熱(濕)層采用異氰酸酯和聚醚為主要原料，在發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑等多種助劑的作用下，具有保溫、耐火及防水(潮)功能，充填在反彈層和高強(qiáng)度反應(yīng)層之間，并使用若干緊密連接件固定，防止沖擊或變形時(shí)發(fā)生滑移。

將自制的壓風(fēng)自救系統(tǒng)引入司機(jī)室，一旦出現(xiàn)意外情況，司機(jī)室能夠肩負(fù)避難倉(cāng)的作用。通過室內(nèi)接入的壓風(fēng)管路，使室內(nèi)始終處于正壓狀態(tài)，通過單向閥排氣，一旦發(fā)生突出事故時(shí)，有毒氣體無(wú)法進(jìn)入司機(jī)室內(nèi)，同時(shí)也隔絕外部粉塵進(jìn)入，兼有降溫作用。司機(jī)室良好的密閉性能可有效防止煤塵、高濕空氣和瓦斯等進(jìn)入。自救裝置安裝在室內(nèi)后壁右側(cè)，緊急情況下能夠供氧與供水；除塵裝置安裝在防護(hù)窗上，可以有效除掉可視窗上的落塵，為司機(jī)提供良好的視野。

2 局部降溫裝置研制

隨著礦井開采的深度不斷增加，熱害問題成為影響開采的又一大危害[15-16]。每到夏秋季就會(huì)迎來5～6個(gè)月的高溫期，部分礦井井下溫度居高不下，再加上機(jī)電散熱，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的體感溫度高達(dá)33～36 ℃，高溫作業(yè)大幅降低了工作效率，極易引發(fā)各類事故。雖然部分有熱害的礦井井下建立了集中降溫制冷系統(tǒng)，但該系統(tǒng)價(jià)格昂貴、能耗高，局部高溫作業(yè)很難采用[17-18]。

如采用電氣設(shè)備進(jìn)行降溫，因煤礦的開采環(huán)境特殊，電氣設(shè)備必須具有防爆證書，且需通過煤安(MA)認(rèn)證?？紤]到使用條件、成本和安全等問題，研制一種安全、輕便、可靠、有效、投資少且能耗低的局部降溫裝置勢(shì)在必行，基于這些要求，研制一種不使用電源作為制冷能源的局部降溫裝置。該降溫裝置不使用電能，節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)循環(huán)，且設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生電火花，可有效防范井下火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)。

降溫裝置由外殼、通風(fēng)管路、通水管路、閥門、表冷器、油水分離器、渦流管、風(fēng)流分路器、降噪器、風(fēng)動(dòng)齒輪、各種卡扣和固定組件等組成，如圖4所示。

外殼出風(fēng)口采用自動(dòng)調(diào)節(jié)百葉窗，百葉窗裝有風(fēng)動(dòng)齒輪，由壓風(fēng)驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)風(fēng)向的自動(dòng)搖擺，可靈活調(diào)節(jié)風(fēng)向，提高人體的舒適感。通風(fēng)管路與井下壓風(fēng)管路及多排風(fēng)流分路器相連，可以通過調(diào)節(jié)閥(即風(fēng)開關(guān))控制風(fēng)速、風(fēng)量及噪聲。通水管路與井下水管及表冷器相連，通水管內(nèi)通有井下低溫水，可以通過調(diào)節(jié)閥(即水開關(guān))控制水速和水量。表冷器位于通風(fēng)管路的前側(cè)，內(nèi)有流動(dòng)的恒低溫水，通風(fēng)管路的來風(fēng)，吹入表冷器的翅片之間，進(jìn)行熱量交換降溫，管內(nèi)的恒低溫水流過金屬管道內(nèi)腔，渦流器產(chǎn)生的冷風(fēng)流過金屬管道外壁進(jìn)行熱交換，達(dá)到冷卻的目的。流經(jīng)表冷器的水連接到井下水管中，做到節(jié)能、無(wú)浪費(fèi)。渦流管的工作原理：壓縮空氣噴射進(jìn)入渦流室，氣流以高速旋轉(zhuǎn)流向渦流管的熱氣端出口，一部分氣流通過控制閥流出，剩余的氣體被阻擋后，在原氣流內(nèi)圈以同樣的轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)，且流向渦流管的冷氣端。井下壓風(fēng)通過通風(fēng)管路進(jìn)入渦流管，熱風(fēng)端排出司機(jī)室，冷風(fēng)端連接風(fēng)流分路器，風(fēng)流分路器上安裝有多個(gè)降噪器，降噪器的出風(fēng)口吹向表冷器。表冷器的作用：一是通過水循環(huán)均衡冷風(fēng)的溫度，可以避免尖銳的冷風(fēng)直接吹向司機(jī)；二是降噪器的風(fēng)流通過表冷器后變得分散，擴(kuò)大了冷風(fēng)的輻射范圍，提高了降溫效果。渦流管作為整個(gè)降溫裝置的冷源，在進(jìn)氣流量0.6 m3/min，壓力≥0.6 MPa，溫度30 ℃的工況條件下，經(jīng)過渦流管作用后冷段最低溫度可達(dá)-20 ℃。在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用過程中，可以通過調(diào)節(jié)渦流管閥門，控制冷熱輸出比例及氣體流量大小。此外，該裝置采用的是正壓供風(fēng)，對(duì)司機(jī)室具有防塵、防止毒性氣體侵入等功能。

1-外殼及百葉窗；2-進(jìn)水管；3-進(jìn)風(fēng)管；4-油水分離器；5-渦流管；6-閥門組件；7-降噪器；8-卡扣固定組件；9-表冷器；10-風(fēng)流分路器

以壓風(fēng)及供水為動(dòng)力的降溫裝置具有安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)可靠、節(jié)能舒適等特點(diǎn)。夏秋季高溫時(shí)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室室內(nèi)的溫度降幅可達(dá)7～9 ℃，司機(jī)的體感溫度可恒定在25～28 ℃。

3 視覺安全輔助裝置研制

為有效解決司機(jī)在割煤時(shí)視線變差的問題，防止掘進(jìn)機(jī)司機(jī)將身體伸出司機(jī)室察看，在工作面以外10～15 m內(nèi)安裝激光射線儀。激光射線儀可在掘進(jìn)工作面的兩幫和頂部各打出一道梯形門型輪廓高清晰度的紅色激光線，可以根據(jù)掘進(jìn)巷道的尺寸精確設(shè)置這個(gè)“門”的寬度和高度，為掘進(jìn)方向及掘進(jìn)人員提供精準(zhǔn)的參照物，如圖5～6所示。

圖5 激光射線儀

圖6 激光輪廓

為了讓掘進(jìn)機(jī)司機(jī)能夠更準(zhǔn)確地掌握工作面割煤和轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行情況，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室內(nèi)安裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，顯示器采用30.48 cm(12吋)防爆平板電腦，配合2個(gè)具有自動(dòng)防塵保護(hù)功能攝像頭，一個(gè)監(jiān)控工作面，另一個(gè)監(jiān)控轉(zhuǎn)載機(jī)與40 t溜子搭接部位。上述設(shè)備的使用，保證了所施工巷道的工程質(zhì)量，極大地提高作業(yè)人員的工作效率，并有效地降低了人為失誤等意外事故的發(fā)生概率。

4 電纜拖移裝置和轉(zhuǎn)載機(jī)小跑車研制

掘進(jìn)機(jī)工作期間，為避免掘進(jìn)機(jī)擠壓電纜，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝要設(shè)專人看護(hù)，為減少人員進(jìn)入工作面，最大程度降低人員傷亡事故[19]。通過現(xiàn)場(chǎng)勘察，研制了掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)電纜拖移裝置并對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)小跑車進(jìn)行了改進(jìn)。利用滑輪將電纜吊起來，并與掘進(jìn)機(jī)保持0.8 m以上的安全距離，這樣隨著掘進(jìn)機(jī)割煤巖前后移動(dòng)，電纜同時(shí)隨著滑輪移動(dòng)，既保證了電纜不被擠壓，又省去了掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)電纜看護(hù)人員，掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)電纜拖移裝置如圖7所示。

圖7 掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)電纜拖移裝置

掘進(jìn)機(jī)工作期間，為避免掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)掉道，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝要設(shè)專人在轉(zhuǎn)載機(jī)附近觀察運(yùn)轉(zhuǎn)情況，以備掉道時(shí)能夠及時(shí)聯(lián)系掘進(jìn)機(jī)司機(jī)，停機(jī)進(jìn)行處理，為減少轉(zhuǎn)載機(jī)看護(hù)人員，通過對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)小跑車進(jìn)行改造，在轉(zhuǎn)載機(jī)與溜槽搭接部位處連接鋼板，卡在40 t溜槽上，既避免了轉(zhuǎn)載機(jī)掉道現(xiàn)象，又省去了轉(zhuǎn)載機(jī)看護(hù)人員，如圖8所示。

圖8 改進(jìn)的轉(zhuǎn)載機(jī)小跑車

掘進(jìn)機(jī)司機(jī)綜合安全防護(hù)裝置，在多個(gè)煤礦得到了推廣應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：達(dá)到了掘進(jìn)工作面割煤巖期間只需掘進(jìn)機(jī)司機(jī)一個(gè)人作業(yè)的目的，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面綜合掘進(jìn)期間50 m內(nèi)單人作業(yè)的生產(chǎn)工藝。

5 結(jié) 論

(1)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室的研制及應(yīng)用，確保了掘進(jìn)工作面唯一的掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處于相對(duì)封閉的司機(jī)室內(nèi)，可有效避免小型頂板冒頂、煤與瓦斯突出等事故，兼具有防塵、防毒性氣體、防噪聲、防潮濕及自救等功能。

(2)以壓風(fēng)及供水為動(dòng)力的局部降溫裝置，具有安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)可靠、節(jié)能舒適等特點(diǎn)。

(3)掘進(jìn)工作面配備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、激光射線儀等視覺安全輔助裝置，給掘進(jìn)機(jī)司機(jī)提供良好的視野，保證了所施工巷道的工程質(zhì)量。

(4)研制的掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)電纜拖移裝置及改進(jìn)的轉(zhuǎn)載機(jī)小跑車減少了掘進(jìn)機(jī)工作期間工作面作業(yè)人員數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面綜掘期間50 m內(nèi)單人作業(yè)生產(chǎn)工藝。

(5)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)綜合安全防護(hù)裝置的研制及推廣應(yīng)用，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的職業(yè)安全健康由被動(dòng)防護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)防，極大地改善了工人的工作環(huán)境，提高了作業(yè)人員的工作效率，降低了事故發(fā)生的概率，提升了工人的勞動(dòng)幸福感。