矿山井下机械设备安全防护设计与应用

矿山井下作业由于其特殊的工作环境，存在着诸多危险因素，如瓦斯爆炸、顶板冒落、粉尘污染、积水渗水以及复杂的地质条件等，这些因素时刻威胁着井下机械设备的正常运行以及作业人员的生命安全。

一、矿山井下机械设备安全防护设计基本原则

1.1 环境适应性原则

矿山井下作业环境复杂，长期处于高湿度、高粉尘、高腐蚀性气体的恶劣条件下，部分区域还存在瓦斯等易燃易爆气体。因此，防护部件需采用防腐蚀材料，如不锈钢防护罩能够有效抵御潮湿环境中的氧化腐蚀，镀锌钢板凭借其表面致密的镀锌层，可显著增强抗腐蚀能力。同时，防护部件的密封等级需达到IP65 以上，这一标准能够有效防止粉尘、水汽侵入设备内部，避免因粉尘堆积或水汽凝结导致的电气短路、机械部件锈蚀等问题。对于瓦斯矿井，设备的防护电器必须符合Exd Ⅰ级防爆标准，通过特殊的防爆结构设计，阻止内部爆炸火焰传播到外部环境，从根源上杜绝瓦斯爆炸事故的发生。

1.2 风险预判性原则

矿山井下机械设备运行过程中，潜在风险众多且难以直观察觉，因此集成传感器与预警功能至关重要。以掘进机为例，在其切割臂安装扭矩传感器，该传感器可实时监测切割臂工作时的扭矩变化。当扭矩超过额定值 1.2 倍时，系统立即发出声光报警，提醒操作人员设备可能出现过载情况，及时调整工作参数，避免因过度负载导致设备损坏或机械故障。对于提升机，钢丝绳作为关键承重部件，其安全性直接关系到人员和物料的运输安全。在钢丝绳上加装在线探伤装置，利用电磁感应或超声波等技术，实时监测钢丝绳内部的断丝数量和磨损程度。

1.3 应急可靠性原则

关键防护装置需具备“双重保护”，为设备运行提供更可靠的安全保障。以刮板输送机为例，在其链条运行路径上，既设置机械防跳槽挡板，通过物理阻挡的方式防止链条在运行过程中跳出轨道，又安装光电传感器实时检测链条偏移情况。当链条发生偏移时，光电传感器迅速捕捉到异常信号，并将其传输给控制系统。

1.4 人机协同性原则

防护装置的设计需充分考虑操作人员的作业需求，实现人机高效协同。一方面，防护装置需预留紧急操作空间，如在掘进机操作台周围保留 0.8 米安全距离，确保操作人员在紧急情况下能够自由活动，迅速进行操作或撤离。另一方面，采用可视化设计，如使用透明防护罩，使操作人员无需靠近设备即可清晰观察设备运行状态，及时发现设备运行过程中的异常情况，如部件磨损、物料堵塞等。

二、典型井下机械设备安全防护设计要点

2.1 掘进机安全防护设计

切割臂防护：在切割头与伸缩筒连接处加装防飞溅护罩（厚度⩾10mm 锰钢板），防止切割岩块飞溅；内置扭矩传感器与液压卸荷阀，当切割阻力超过额定值 1.1 倍时，自动降低切割速度，超过 1.2 倍时立即停机。

行走与截割范围防护：机身两侧安装红外对射传感器（探测距离 3米），人员进入危险区域时声光报警并减速；截割臂活动范围设置机械限位块，避免与巷道顶板、帮壁碰撞。

除尘与防爆防护：切割部配备高压喷雾降尘装置（雾粒直径 50-100μm ），同步启动切割臂防护罩内的粉尘传感器，浓度超过 20mg/m³ 时自动加大喷雾量；电机接线盒采用隔爆结构，防护等级达到ExdⅠ。

2.2 刮板输送机安全防护设计

链条与链轮防护：机头、机尾链轮加装弧形防护罩（覆盖链轮80% 以上），防护罩内侧设耐磨衬板（使用寿命 ≥1000 小时）；链条张紧处安装张力传感器，张力超过额定值 1.1 倍时报警，超过 1.2 倍时停机。

防卡链与防跳槽设计：中部槽两侧加装防跳槽立板（高度 ≥ 链条直径的 1.5 倍），链道内设置导向块；机头处安装刮板监测传感器，检测到刮板变形、缺失时立即停机。

过载与断链保护：驱动电机配备电流传感器，电流超过额定值1.2倍时自动切断电源；链条内置 RFID 标签，通过机头读卡器监测链条运行状态，断链时0.5 秒内触发紧急制动。

2.3 提升机安全防护设计

钢丝绳与卷筒防护：卷筒外侧加装防护栏（高度 ≥1.2 米），防止人员接触旋转部件；钢丝绳上安装磁粉探伤装置，每运行 100 米检测一次断丝、磨损量，超标时声光报警并锁定提升机。

制动与限速防护：采用盘式制动器 + 液压备用制动的双重制动系统，正常制动响应时间 秒，紧急制动时制动减速度控制在 0.5-1.5m/s² （避免冲击过大）；滚筒轴端安装编码器，速度超过额定值 15% 时自动减速。

深度指示与限位防护：数字式深度指示器实时显示提升位置（精度 ±50mm ），设置上、下限位开关（距终端位置 1-2 米时触发），同时配备机械缓冲器（如弹簧缓冲器），防止越程事故。

三、安全防护设计的智能化升级与应用

3.1 智能监测与预警系统

多参数融合监测：在机械设备关键部位部署高精度传感器网络，如在掘进机电机轴承处安装三轴振动加速度传感器（采样频率达1000Hz ），液压支架油缸设置压力传感器（精度 ±0.5MPa ），实时采集设备运行数据。通过井下工业以太网与地面监控平台建立毫秒级数据传输链路，运用大数据分析算法对振动、温度、压力等参数进行联合分析。

AI 视觉识别防护：在掘进机、装载机等移动设备关键位置安装红外热成像与可见光双光谱摄像头，结合深度学习目标检测算法，实现对作业人员的精准识别与定位。系统可在 5 米范围内以 98% 的准确率识别人员目标，当人员进入掘进机切割臂 3 米危险区域时，立即启动分级防护响应：首先触发高分贝声光报警器（音量 ≥100dB），同时设备运行速度降低至原速度的 30% ；若人员未及时撤离，设备将在 3 秒内安全制动，并通过语音广播系统发出撤离提示。

3.2 自适应防护控制

环境自适应调节：构建环境感知与智能响应系统，在防护罩内部集成粉尘浓度传感器（检测精度 0.1mg/m³ ）与湿度传感器（分辨率0.1%RH ）。当作业环境粉尘浓度超过 10mg/m³ 时，防护罩内置的伺服电机驱动毛刷装置自动启动，通过往复式清扫将附着粉尘清除；当空气湿度超过 90% 时，制动系统的 PTC 加热元件自动开启，将闸片湿度控制在 60% 以下，有效避免因潮湿导致的制动失效风险。

负载自适应保护：刮板输送机配备高精度称重传感器阵列（动态称重误差 ≤1% ），实时监测物料输送量。当输送量超过设计值的 80% 时，系统自动进入预警模式，通过变频调速器将运行速度从 1.5m/s 降至 1.2m/ s；若负载持续超过额定值，设备将逐步降速至 1.0m/s 运行，并启动过载保护程序，防止链条断裂等事故发生。

3.3 应急联动防护

设备 - 环境联动：建立环境安全与设备运行的联动控制网络，当瓦斯传感器检测到浓度达到 0.5% 时，防爆 PLC 控制器立即切断非防爆设备电源，同时启动局部通风机（风量 ≥150m³/min ）进行强力通风，并通过井下广播系统发布撤离指令。

远程应急控制：地面监控平台配备冗余备份的远程控制终端，通过光纤环网实现对井下设备的毫秒级远程操作。当提升机发生断链事故时，操作人员可通过双因素认证后远程触发液压抱闸装置，确保提升容器安全制动。

结语：

矿山井下机械设备安全防护设计需以 “ 环境适配 ” 为基础、以 “ 风险预判 ” 为核心、以 “ 智能升级 ” 为方向，通过针对性的结构防护、智能监测与应急联动，构建全链条安全屏障。尽管面临传感器环境适应性、老旧设备改造等挑战，但随着材料技术（如耐腐蚀合金）、智能传感技术的发展，防护设计的可靠性将持续提升。

参考文献

[1] 张君 . 基于 T R IZ 理论的矿用智能锚护机器人设计研究 [J]. 煤矿机电 ,2018,000(004):8- 12.

[2] 徐佳昕 , 游波 , 施式亮 , 刘何清 , 雷克江 . 基于模糊层次分析的深井热害风险评价及防治 [J]. 采矿技术 ,2018,018(006):68- 71.