立风井防爆井盖自动运行技术研究

摘要： 针对单主扇矿井，利用力学原理对立风井防爆井盖在关闭和开启两种情况下的受力平衡进行分析，论述了自然风压对平衡锤配重选择的影响，确定了平衡锤配重选择的理论依据和计算方法，该计算方法对矿井在主扇停风期间能保证防爆井盖自动开启从而及时地利用自然通风，确保矿井停风期间的安全具有重要意义。

Abstract： According to the coal mine with one main fan， the mechanical principle is used to analyse force equilibrium of the anti-explosion manhole cover at the conditions of close and opening. The influence of the choice of balance hammer quality by natural wind pressure has been discussed and the the theoretical basis and calculation method of the choice of balance hammer quality is determined.This calculation method will be very important to ensure the safety of the mine during the time of wind stopping for its function of automatically open anti-explosion manhole cover when main fan suddenly stopped.

关键词： 防爆井盖；平衡锤；自然风压；主扇

Key words： anti-explosion manhole cover；balance hammer；natural wind pressure；main fan

中图分类号：TD724 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）34-0122-02

0 引言

立风井防爆盖作为矿井主要通风机的附属装置，具有在发生爆炸事故时保护主扇以及在主要通风机意外停止运行时能自动打开以便充分利用自然风压进行通风的作用，因而立风井防爆盖的合理设置关系到矿井的安全生产[1，2]。

《煤矿安全规程》第一百二十四条规定主要通风机停止运转期间，对由1台主要通风机担负全矿通风的矿井，必须打开井口防爆门和有关风门，利用自然风压通风；对由多台主要通风机联合通风的矿井，必须正确控制风流，防止风流紊乱[3]。但在实际的设计、安装及使用过程中，有一些问题往往被人忽略，造成防爆盖不能自行运行。本文就单台主要通风机担负全矿通风的情况，针对防爆井盖的合理安设提出一些建议及处理方法。

1 防爆盖平衡状态下的受力分析

1.1 防爆盖关闭状态下的平衡受力 防爆盖在关闭状态下其作用力主要有以下几方面：防爆盖内外的气压差的作用力（负压通风情况下，该力与防爆盖重力作用同向）、平衡锤的拉力、防爆盖自身的重力、支座的支承力、密封槽密封油的浮力。防爆井盖示意图如图1。

根据示意图给出受力分析图，如图2，忽略密封油的浮力，则大气压、主扇负压二者作用下的防爆盖内外压差F0-F1、防爆盖的所受的重力G、密封槽对防爆盖的支承力f、平衡锤的拉力F之间是平衡的：

f+F=（F0-F1）+G（1）

F=nmgcos？准（2）

F0-F1=？驻PS（3）

其中：

f——密封槽对防爆盖的支承力，N

？驻P——防爆盖内外的静压差，Pa

S——防爆盖的压力有效面积，m2

G——防爆盖重力，N

m——平衡锤质量，kg

n——平衡锤个数，个

ɡ——重力加速度，N/kg

？准——关闭时油绳与垂直方向的夹角

把公式（2）、（3）带入公式（1）中化简，得：

f+nmgcos？准=？驻PS+G（4）

1.2 防爆盖打开状态下的平衡受力分析 防爆井盖打开后，当其达到开启平衡状态时，其受力主要为平衡锤在垂直方向上的拉力与防爆盖自身的重力（因自然通风的速压产生的作用力相对于防爆盖重量而言非常小，故可以忽略），其作用力满足如下关系：

nmgcos？兹=Mg（5）

其中：

M——防爆盖质量，kg

m——平衡锤质量，kg

n——平衡锤个数，个

ɡ——重力加速度，N/kg

？兹——关闭时油绳与垂直方向的夹角

2 防爆盖自动运行中平衡锤配重计算

2.1 主扇停转时防爆盖自动开启的平衡锤配重 由公式（4）可知，密封槽对防爆盖的支承力f将随ΔP的变化而变化。当f=0时，防爆盖处于开启的临界状态，此时一旦ΔP进一步减小，防爆盖就会自动打开。当主扇因故突然停转时，ΔP将表现为矿井自然风压的大小，防爆盖要自动打开，则此时应满足条件为：

nmgcos？准？叟ΔPS+G（6）

这里需要注意的是ΔP，它的减小有两个因素：一是主扇停止运转，二爆炸事故时产生的巨大的冲击波的作用，这里只对主扇停止运转的情况进行分析。主扇停止运转后，它对防爆盖产生的压力会在很短时间内消失，当自然风压帮助主扇做功时，ΔP为正值，当自然风压不帮助主扇做功时，ΔP为负值。

由上式（6）可知，一旦矿井防爆井盖安设完毕，即防爆盖重量、油绳安装角度、平衡锤个数定的情况下，平衡锤的重量取决于矿井自然风压的大小。此时，单个平衡锤的质量可以表示为：

m=（ΔPS+G）/（ngcos？准）（7）

2.2 主扇恢复运行时防爆盖自动关闭的平衡锤配重 前有所述，当防爆盖处于开启平衡状态时，平衡锤的拉力与防爆盖的所受的重力是平衡的，由公式（5）可知，每个平衡锤的质量为：

m=M/（ncos？兹）（8）

当有外力F’破坏了这个平衡时，防爆盖就会自动下降关闭。这个外力F’就是主扇启动后产生的“吸力”，该值的大小取决于主扇运行后，防爆盖内外的压差。在该“吸力”的作用下，防爆盖就会自动下降关闭，并且在关闭的过程当中，大气压、自然风压、主扇“吸力”三者对防爆盖的关闭作用力也越来越大，且大于平衡锤因油绳角度的变化所增加的对防爆盖的开启作用力。

需要说明的是，防爆盖升起的高度不是无限的，否则主扇启动后就不会对其产生“吸力”的作用[4]。经现场观察，防爆盖的底边与油槽上沿间的距离以200～400mm为宜，不能超过500～600mm，否则主扇负压对它的“吸力”将会大幅度减少，甚至不能克服平衡锤的作用而造成不能自动关闭。

2.3 防爆盖自动运行的平衡锤配重计算公式及自然风压影响分析 根据上述分析，平衡锤的配重的上下限计算应满足公式（7）和（8），化简后如下：

（ΔPS+G）/（ngcos？准）？燮m？燮M/（ncos？兹）（9）

从上述公式中可以看出，实际安设防爆盖时，应考虑矿井自然风压的影响；同时，当对已安设的防爆盖也应该经常测定矿井自然风压，找出最大值，以便及时调整平衡锤的质量从而保证平衡锤的质量满足上述关系式。

3 防爆盖自动运行中其他设施的要求

3.1 平衡锤支架上的油轮组数量、排列方式的确定以及悬挂绳的选择 如果选用2个滑轮的滑轮组，及钢性较大的钢丝绳，在长时间不动作的情况下，势必在平衡锤一侧造成悬挂绳成“死弯”，从而影响自动打开，甚至不能打开。所以，在选用油轮组及悬挂绳时，滑轮组要选择轮数多且呈园环状均布排列的及柔性好的钢丝绳时，效果比较好。在实际应用中也是证实了这一点。

3.2 平衡锤自由移动的空间 在保证防爆盖自动工作的同时，还要保证平衡锤自由移动的空间，以防止其在升降过程中对支架及支架基础的破坏：

①防止在钢丝绳行进过程中脱出滑轮槽；

②防止平衡锤在上升过程中对滑轮组及支架的撞击；

③防止平衡锤在下降过程中对支架基础的破坏。

4 结论

平衡锤配重的合理选择是防爆井盖的自动运行的关键，其配重应满足公式（9）的要求，在实际工作中应经常测定自然风压的大小，以便及时调整平衡锤的重量。在防爆井盖配重取值范围内，应尽量靠近下限，以便防爆井盖在关闭时操作方便。

参考文献：

[1]张国枢.通风安全学[M].北京：中国矿业大学出版社，2004.4.

[2]黄元平.矿井通风[M].北京：中国矿业大学出版社，2003.6.

[3]国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2011.1.

[4]杨联合，刘云涛.中央风井防爆井盖配重的选择计算及应用[J].矿山压力与顶板管理，2000，（3）：85～87.

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