煤礦井下柔性輔助運輸系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

周耀光，陳清華，常聚才

（1.淮北礦業(yè)股份公司朱仙莊煤礦，安徽宿州 234111;2.安徽理工大學能源與安全學院，安徽淮南 232001）

煤礦井下柔性輔助運輸系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

周耀光1，陳清華2，常聚才2

（1.淮北礦業(yè)股份公司朱仙莊煤礦，安徽宿州 234111;2.安徽理工大學能源與安全學院，安徽淮南 232001）

針對礦井目前已有運輸方式 （系統(tǒng)）存在的問題，設(shè)計了一種煤礦井下新型的輔助運輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在起伏的多坡度巷道中，只利用一部絞車就可以實現(xiàn)礦車的往返運輸。并根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)要求，設(shè)計了不需防跑車裝置的無輪礦車及有輪礦車的安全閉鎖裝置。同時，利用有限元分析軟件對有輪礦車安全閉鎖裝置中制動爪強度進行了校核分析，分析結(jié)果表明制動爪完全能夠承受礦車發(fā)生跑車時的沖擊載荷。設(shè)計的成果應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場，降低了運輸成本，減少了安全事故的發(fā)生，取得了較好的效果。

輔助運輸;柔性系統(tǒng);設(shè)計

鋼絲繩軌道運輸設(shè)備簡單、操作方便，在煤礦得到廣泛應(yīng)用，一般可分為有極繩和無極繩運輸兩大類。在地勢比較單一的斜巷中，利用有極繩運輸，一般采用單絞車沿傾斜巷道牽引礦車上行，礦車自溜向下運行的方式。但在地勢起伏段比較多的礦井巷道中，則必須采用多對絞車配合來回牽引，增加了運輸環(huán)節(jié)，造成運輸安全隱患多，加大了生產(chǎn)單位安全管理難度，也容易出安全事故。針對這些問題，一些煤礦嘗試采用架空索道運輸方式，取得了一定成效，但由于需要架設(shè)承載或牽引鋼絲繩，對于頂板條件較差和地形較為復雜的礦井，顯然經(jīng)濟性較差和不太適用。因此，設(shè)計能夠在多坡度、地形比較復雜的井下巷道中安全、高效和低成本運行的物料運輸系統(tǒng)十分重要。

1 輔助運輸方案設(shè)計

1.1 運輸系統(tǒng)的設(shè)計概述

整個系統(tǒng)主要由絞車、導向輪、鋼絲繩導向架、礦車和牽引鋼絲繩等組成，在巷道的一端固定設(shè)置可正、反轉(zhuǎn)的絞車，在機頭端和機尾端的巷道底板上，分別錨固機頭端導向輪和機尾端導向輪，牽引鋼絲繩以機頭端導向輪和機尾端導向輪為導向支撐，以絞車為牽引設(shè)備構(gòu)成可循環(huán)的牽引機構(gòu)，礦車定位設(shè)置在牽引鋼絲繩上，牽引礦車往返運行，在起伏的巷道中，只利用一部絞車就可以實現(xiàn)礦車的往返運輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對牽引鋼絲繩容易咬繩的情況，改進絞車襯墊并在其后端設(shè)置鋼絲繩導向架。鋼絲繩導向架主要作用是對鋼絲繩進行導引作用，防止咬繩現(xiàn)象的發(fā)生。鋼絲繩導向架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋼絲繩導向架結(jié)構(gòu)

1.2 牽引礦車的改造

（1）無輪礦車的改造 煤礦安全規(guī)程規(guī)定有輪礦車的斜巷運輸系統(tǒng)中每個斜坡都必須設(shè)置3個以上的防跑車裝置。因此，牽引礦車可設(shè)計為無輪礦車，直接在巷道底板上運輸，通過與地面摩擦來實現(xiàn)防止礦車的跑車，不需要設(shè)置專門的防跑車裝置，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了輔助運輸成本。

（2）有輪礦車的改造 有輪礦車必須設(shè)防跑車裝置，在綜合分析現(xiàn)有的防跑車裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計一種新型防跑車安全閉鎖裝置。礦車防跑裝置如圖3所示。防跑裝置由制動爪、固定銷軸等組成，礦車正常工作時制動爪通過鋼繩懸掛于牽引鋼絲繩上，如果出現(xiàn)鋼絲繩脫鉤或斷裂，制動爪下落抵住軌道枕木，起到及時制止礦車跑車的目的。

圖3 礦車防跑裝置

制動爪能否起到及時防止礦車跑車事故發(fā)生的關(guān)鍵是:制動爪是否能夠承受得住礦車重量沖擊，從而有必要對制動爪強度進行校核分析。利用Cosmos/Works軟件對制動爪進行靜力分析，并基于應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)論對制動爪尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行校核，由于制動爪分析屬于中小型問題，此處優(yōu)先使用FFE算法進行問題求解。制動爪材料為45號鋼。對礦車防跑車裝置的制動爪進行實體網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分數(shù)7778個，節(jié)點數(shù)13746個。

礦車防跑車裝置靜態(tài)應(yīng)力變化如圖4所示。假設(shè)礦車跑車后制動爪上承受沖擊力為20kN，則1個鋼板上受力為10kN，即在每個制動爪的爪尖施加1個10kN的力。結(jié)果表明礦車的防跑車裝置在此載荷的作用下，產(chǎn)生的最小應(yīng)力為15750Pa，發(fā)生在制動爪的中部;最大應(yīng)力為73.5MPa，發(fā)生在制動爪和固定銷軸的連接部位的前端。

圖4 制動爪的靜態(tài)應(yīng)力

模型在載荷的作用下趨向于扭曲變形，制動爪的扭曲位移和變形情況如圖5。可以看出，在爪尖施加力為10kN，產(chǎn)生的最大位移為27.44mm，發(fā)生在礦車防跑車裝置的制動爪尖處，此時礦車防跑車裝置的安全系數(shù)為5.83414，制動爪完全可以滿足礦車制動要求，達到安全閉鎖需要。

圖5 制動爪扭曲位移

2 現(xiàn)場應(yīng)用

設(shè)計的輔助運輸系統(tǒng)在朱仙莊煤礦865－3S工作面回風材料斜巷安裝并進行了工業(yè)性應(yīng)用試驗。865－3S工作面回風材料斜巷是連接863巖軌巷和865－3S工作面回風巷的一條斜巷，主要用于865－3S工作面回風及進料。總長約80m，巷道最大坡度25°，工作面剖面如圖6所示。

圖6 865－3S工作面回風材料斜巷剖面

系統(tǒng)安裝示意如圖7所示，整個系統(tǒng)由絞車、導向輪盤、鋼絲繩導向架、地滾、礦車、牽引鋼繩等組成，在巷道底板上，可以間隔設(shè)置為鋼絲繩提供支撐的地滾，用于在巷道坡度較大，鋼絲繩與地面接觸時起到改向?qū)б饔?，導向輪盤安裝于機頭和機尾實現(xiàn)鋼絲繩導向和循環(huán)。并進行了礦車牽引試驗，效果良好，截止目前，一直用于865－3S工作面所需材料的運輸。

圖7 運輸系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

（1）設(shè)計了煤礦井下柔性輔助運輸系統(tǒng)。在巷道的一端固定設(shè)置可正、反轉(zhuǎn)的絞車，在機頭端和機尾端的巷道底板上，分別錨固機頭端導向輪和機尾端導向輪，牽引鋼絲繩以機頭端導向輪和機尾端導向輪為導向支撐，以絞車為牽引設(shè)備構(gòu)成可循環(huán)的牽引機構(gòu)，礦車定位設(shè)置在牽引鋼絲繩上，牽引礦車往返運行，在起伏的多坡度巷道中，只利用一部絞車就可以實現(xiàn)礦車的往返運輸。

（2）進行了無輪礦車的改造。不需要設(shè)置專門的防跑車裝置，通過與地面摩擦來實現(xiàn)防止礦車的跑車，在能夠保證安全性的前提下，不用設(shè)置“一坡三擋”，大大簡化了運輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（3）研制了一種新的有輪礦車安全閉鎖防跑車裝置。礦車前后各布置一套制動爪，平時通過固定銷軸將制動爪吊在礦車的牽引鋼絲繩上，一旦出現(xiàn)斷繩或脫鉤事故，制動爪迅速落下抵住軌道枕木，實現(xiàn)對礦車的制動防止跑車事故的發(fā)生。

（4）現(xiàn)場應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠在多坡度、地形比較復雜的井下巷道中安全、高效和低成本地進行物料運輸。

［1］于學謙.礦山運輸機械［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2009.

［2］金向陽.王坡礦井輔助運輸系統(tǒng)改造設(shè)計［J］.煤炭工程，2008（3）:7－9.

［3］張秀良，李建忠，王 輝.狹窄井巷架空人料運輸系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用［J］.煤礦機械，2010，31（4）:177－179.

Design for Underground Flexible Auxiliary Transportation System of Mine and Its App lication

ZHOU Yao-guang1，CHEN Qing-hua2，CHANG Ju-cai2

（1.Zhuxianzhuang Colliery，HuaibeiMining Co.，Ltd，Huaibei234111，China; 2.Energy＆Safety School，Anhui University of Science＆Technology，Huainan 232001，China）

In order to solve the problem of transportation system in mine，this paper designed new auxiliary transportation system for underground mine.This system could realize round－trip ofmining car by awinch in rolling roadway.Formeetingmine safety requirement，safety lock device ofno－wheel car and wheel carwithout catcher dragwas designed.Strength ofbrake ratcheton safety lock device in wheel carwas checked by finite element software.Result showed thatbrake ratchet could bear impact load when car sliding occurred.Application of this design in mine could reduce transportation cost and safety accident.

auxiliary transportation;flexible system;design

TD526

A

1006-6225（2011）04-0046-02

2011－03－28

安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目 （KJ2010A090）

周耀光 （1967－），男，安徽滁州人，工程師，一直從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)與管理工作，現(xiàn)任朱仙莊煤礦采煤礦長。

［責任編輯:周景林］