斜巷挡车栏的强度分析与改进

内蒙古白音华海州露天煤矿有限公司 内蒙古西乌珠穆沁旗 026200

目 前，我国煤矿井下辅助运输仍以轨道运输为主，采用斜巷绞车提升下放车辆的轨道运输是煤矿辅助运输中的重要环节[1-2]。斜巷系统的设备设施较多，不确定因素多、参数变化大，加之操作程序复杂、操作人员素质参差不齐等的影响，跑车事故时有发生，直接威胁矿井安全生产和职工生命安全，同时带来较大的经济损失。

为此，《煤矿安全规程》(2016 年版) 第八十条规定：“开凿或者延深斜井、下山时，必须在斜井、下山的上口设置防止跑车装置”[3]27；第三百八十七条要求，倾斜井巷内使用串车提升时，必须设置跑车防护装置，在规定的各位置点安放阻车器[3]148。

矿井斜巷常用的跑车防护装置为挡车栏 (挡车门)，它是安装在上、下山，防止矿车跑车事故的安全装置，是在倾斜井巷内安设的能够将运行中断绳或脱钩的车辆阻止住的跑车防护装置之一。其形式有：左右开启的门式、上下起落的挡杠式、网式和地升式。按照原煤炭工业部 (〔1996〕第 615 号) 下发的《矿井斜巷防跑车和跑车防护装置基本技术要求》：当车辆以正常速度运行时，必须能顺利通过；当发生跑车时，必须能有效地拦住车辆。笔者以某煤矿 N2采区辅助运输上山 (斜长 550 m，坡度为 12°) 为例，假定在 N2-335 甩车场和转换道岔时，串车脱钩跑车，对上、下挡车栏进行强度校核。

1 冲击能量

绞车一次提升，串车在上部甩车道岔前自由跑下，撞击挡车栏所产生的冲击能量

式中：n为绞车一次提升最大拉车数量，台；m为矿车载质量，kg；mz为矿车质量，kg；v0为矿车开始跑车时的速度，m/s；g为重力加速度，取 9.80 m/s2；L为矿车开始跑车到上部或下部挡车栏的距离，m；α为巷道倾角，(°)；f1为矿车运行阻力系数，一般取0.015～0.020。

2 对挡车栏的冲击力

2.1 单台矿车

单台矿车脱钩跑车时，对挡车栏产生的冲击力

式中：vt为矿车在碰撞时的速度，m/s；W1为单台矿车跑车时对挡车栏产生的冲击能量，J；t为矿车与挡车栏碰撞的时间，柔性挡车栏一般取 0.25 s，刚性挡车栏一般取 0.20 s。

2.2 多台矿车

串挂的多台矿车[4]与挡车栏碰撞时，由于前后 2台矿车间距离很小，当第 1 台矿车的撞击过程尚未完成时，又被第 2 台矿车撞击，因而出现撞击重叠效应。因此，计算串挂车辆的总冲击力时，每台车都应考虑增加一个小于 1 的叠加系数ξi[4-5]。

串挂的多台矿车跑车时，对挡车栏产生的总冲击力

式中：i为串挂矿车的数量，台；ξi为靠近尾车第i台矿车的叠加系数，ξi=1.1 -0.2i。

通过上述分析，结合 N2 采区辅助运输上山的相关数据进行计算，得出发生跑车时，矿车对上、下两部挡杠式挡车栏所产生的冲击能量和冲击力，结果如表 1 所列。采用相同分析方法，若采用网式挡车栏，其所受到的冲击能量和冲击力如表 2 所列。

对比表 1、2 可知：在同一坡度时，载荷越大、跑车距离越长，冲击时间越短，冲击能力越大，爆发出的冲击力越大，造成的破坏也越大。

3 挡杠式挡车栏的强度校核

为确保挡车栏对失控车辆的阻拦效果，对现用挡车栏进行校核[6]。挡车栏的挡杠上某点的抗弯极限冲力

式中：δb为挡杠的强度极限，12 号矿用工字钢取 600 MPa，20b 普通工字钢取 460 MPa；Wx为挡杠所用型材的抗弯模量，cm3；L为挡杠最下端到碰头或最上端等某一位置的长度，m。

表1 跑车时挡杠式挡车栏所受冲击力Tab.1 Impact of bar-typed tramcar stop at time of tramcar being out of control

表2 跑车时网式挡车栏所受冲击力Tab.2 Impact of net-typed tramcar stop at time of tramcar being out of control

利用式 (4) 校核跑车时碰头处的抗极限冲击力F碰和挡车栏上端、固定座的抗极限冲击力F顶，结果如表 3 所列。

表3 挡杠式挡车栏的强度校核结果Tab.3 Strength checking results of bar-typed tramcar stop

由表 3 可知，采用 12 号矿用工字钢制作的挡杠在抗极限冲击力方面，仅仅满足 N2 采区辅助运输上山上部挡车栏要求，最下端安装的挡车栏无法有效阻挡失控车辆；在选用相同单重、抗弯模量较大的 20b普通工字钢后，挡杠的抗极限冲击力增大，挡车效果有所改善。

4 网式挡车栏强度校核

假定 N2 采区辅助运输上山使用网式挡车栏，对其进行强度校核。网式挡车栏均采用 4 根φ24.5 mm钢丝绳和板式绳卡及地脚螺栓紧固，受力均匀。

网式挡车栏所承受的最大剪切力

式中：n2为网式挡车栏地脚螺栓或固定钢丝绳螺栓的总数量，个；Fτ为网式挡车栏每条地脚螺栓或固定钢丝绳螺栓所受径向剪切力，N。

网式挡车栏所产生的最大拉力

式中：N1为网式挡车栏每条地脚螺栓或固定钢丝绳螺栓的轴向紧固力，N；μ为网式挡车栏固定钢丝绳压板与钢丝绳之间摩擦因数，取 0.15。

经计算，网式挡车栏所受最大剪切力和产生的最大拉力如表 4 所列。

表4 网式挡车栏的强度校核结果Tab.4 Strength checking results of net-typed tramcar stop

由表 4 可知：在斜巷发生跑车过程中，网式挡车栏提供的抗极限冲击力是固定的，主要受限于 M20螺栓的拉力，同样不能有效阻止失去控制的车辆。

5 改进措施

5.1 挡杠式挡车栏的改进

(1) 用抗弯模量大的型钢替代 12 号矿用工字钢制作挡杠，增加其抗冲击能力，并将挡杠的开启机构改成拉力更大的电动或液压驱动。

(2) 在挡杠的下端设置缓冲气缸或缓冲液压缸，延长脱钩矿车与挡车栏碰撞时间，降低冲击力。

(3) 将固定式挡杠改为滑动式，并设缓冲弹簧或缓冲钢丝绳[7]，增加撞击作用时间，减少冲击力。

(4) 将挡杠加宽至轨道同宽，并与轨道有效搭接，失控车辆沿挡杠撞击巷道顶板，使失控车辆掉道，终止跑车。

5.2 网式挡车栏的改进

(1) 在地锚压板上加铸衬垫，增大摩擦因数，失控车辆带动钢丝绳一同滑动，通过摩擦力消耗部分动能。

(2) 将地锚压板改成缓冲气缸或缓冲液压缸，增加碰撞时间，减小矿车对挡车网的冲击。

(3) 采用新型材料替代钢丝绳，提高挡网的强度，增加网与缓冲装置连接的可靠性。

6 结语

经对煤矿斜巷用挡杆式和网式挡车栏进行强度分析，可知某煤矿 N2 采区辅助运输上山采用的 2 种挡车栏在强度方面均不能有效阻止失控车辆，特别是绞车道最下端安装的挡车栏更是无法阻挡车辆。针对上述问题，笔者提出相应的改进措施，重新制作挡车栏并安装在煤矿废旧倾斜巷道内，进行跑车试验，其阻挡效果明显增加，能够有效控制车辆继续运动，将受波及区域控制在最小范围，保证作业人员及大巷人员的安全，为煤矿辅助运输的安全运行积累了经验。