王莊煤礦后備區(qū)井下單軌吊運(yùn)輸設(shè)計

樊利明

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

王莊煤礦核定生產(chǎn)能力為710萬t/a，主采3號煤層，煤層平均厚度6.5 m，采用綜采放頂煤一次采全高開采工藝，井下輔助運(yùn)輸主要以無極繩絞車和膠輪車運(yùn)輸方式為主。王莊煤礦由于持續(xù)穩(wěn)定高產(chǎn)，北部井田常規(guī)儲量開采殆盡，目前生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸向+540后備區(qū)轉(zhuǎn)移，后備區(qū)設(shè)計產(chǎn)能300萬t/a，服務(wù)年限17 a。隨著礦井生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，原設(shè)計絞車運(yùn)輸和膠輪車運(yùn)輸方式，設(shè)備投入多、耗材多、運(yùn)輸效率低、事故頻發(fā)等缺點(diǎn)越來越突出，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代化礦井的生產(chǎn)需要。為此，擬設(shè)計采用單軌吊運(yùn)輸方式來滿足后備區(qū)生產(chǎn)需求。

1 單軌吊簡介

單軌吊是用一條吊掛在巷道上空的特制工字鋼作軌道，由具有各種功能的吊掛車輛連成車組，用牽引設(shè)備牽引，沿軌道運(yùn)行的系統(tǒng)[1]。潞安集團(tuán)在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)從國外引進(jìn)了單軌吊輔助運(yùn)輸設(shè)備，并在漳村煤礦一次試驗(yàn)成功，隨后，集團(tuán)下屬現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井都在進(jìn)行單軌吊運(yùn)輸改造。目前，單軌吊已經(jīng)發(fā)展為10 t、16 t、25 t等多種型號，并且可以根據(jù)機(jī)車工作需要進(jìn)行增減驅(qū)動裝置，既可以滿足大型支架的運(yùn)輸，又能滿足日常材料和小型設(shè)備的運(yùn)輸，運(yùn)輸能力大，運(yùn)輸效率高。

現(xiàn)有單軌吊爬坡能力強(qiáng)，柴油機(jī)車可達(dá)30°，蓄電池機(jī)車達(dá)15°，水平轉(zhuǎn)彎半徑只需4 m，并且可以用于平巷和斜巷的連續(xù)不轉(zhuǎn)載運(yùn)輸，不受底板條件限制，巷道斷面空間利用率高，實(shí)現(xiàn)各種豎曲線、平曲線及復(fù)雜曲線運(yùn)行[2]。單軌吊可以實(shí)現(xiàn)采區(qū)車場到工作面的不轉(zhuǎn)載、不間斷的多岔道多支線直達(dá)運(yùn)輸，運(yùn)行阻力小，自動起吊、裝卸方便，減少了中間環(huán)節(jié)，消除摘掛鉤問題，實(shí)現(xiàn)了安全運(yùn)輸，特別是安全性能高，提升了企業(yè)形象[3]。目前，比較有代表性的單軌吊生產(chǎn)廠家有：芬瑞特礦山運(yùn)輸有限公司，代表車型DLZ110F型柴油機(jī)單軌吊機(jī)車，DLZ130F型柴油機(jī)單軌吊機(jī)車等，轉(zhuǎn)彎半徑水平≥4 m，垂直≥8 m，爬坡能力30°，牽引力20～330 kN；德國SMT Scharf GmbH 公司，代表車型為DZ 2200 4+4型柴油單軌吊，轉(zhuǎn)彎半徑水平≥4 m，垂直≥10 m，爬坡能力30°，標(biāo)準(zhǔn)牽引力180 kN。

2 單軌吊設(shè)備選型

王莊煤礦后備區(qū)輔助運(yùn)輸主要負(fù)責(zé)井下生產(chǎn)所需材料、設(shè)備的運(yùn)輸，在工作面回采期間，單軌吊還負(fù)責(zé)人員運(yùn)輸任務(wù)。按照后備區(qū)運(yùn)輸線路設(shè)計，最大運(yùn)輸線路為5 600 m，水平巷道沿煤層底板掘進(jìn)，上下起伏，坡度一般為3～7°，最大坡度12°，最大載重液壓支架為25.5 t 。

1) 牽引力 計算。根據(jù)單軌吊運(yùn)輸所需牽引力計算，運(yùn)輸最大載重液壓支架所需的牽引力不小于80 kN，具體計算如下：

F1≥(P1+2×P3+P2+2×P4)×(sinα+f· cosα)×9.8=78.34 kN。

式中：α為單軌吊運(yùn)輸坡度，取最大坡度為12°；P1為單軌吊運(yùn)輸載重，最大載重液壓支架為25 500 kg；P2為機(jī)車自重，取值7 500 kg；P3為起吊梁重，取值1 000 kg；P4為載人員重量，取值75 kg/人；f為機(jī)車運(yùn)行阻力系數(shù)，取0.02。

2) 制動力F制動計算。

F制動≥K×F2=2×64.88=129.76 kN

式中：K為防滑系數(shù)，取值2；F2為下滑力。

F2=(P1+2×P3+P2+2×P4)

×(sinα-f·cosα)×9.8=64.88 kN。

制動力不小于130 kN才能滿足使用要求。

綜上所述，機(jī)車選型必須同時滿足以下條件：牽引力≥80 kN，系統(tǒng)制動力≥130 kN，最大運(yùn)輸速度≥2.5 m/s，適應(yīng)巷道坡度范圍0～12°，水平轉(zhuǎn)彎半徑4 m，垂直轉(zhuǎn)彎半徑10 m?；诖耍跚f煤礦后備區(qū)選擇德國沙爾DZ1800型柴油機(jī)單軌吊運(yùn)輸系統(tǒng)，具體參數(shù)如下：驅(qū)動單元2+2，牽引力96 kN，制動力144 kN，整車重量7 500 kg，最大負(fù)荷29 000 kg。集裝箱選擇JZX-4型材料集裝箱，與起吊梁配合，能夠側(cè)翻卸載，并能在平板車上運(yùn)輸。選用I140E軌道，直線軌每節(jié)3 m，曲率半徑為4 m。

3 單軌吊運(yùn)輸設(shè)計及輔助系統(tǒng)

1) 單軌吊機(jī)車臺數(shù)N。

N=Nn/n+N1+N2=7/3+1+1=5(臺)

式中：Nn為每班需要列車數(shù)，Nn=(Kb·A)/(Z·G)=(3×16.7)/(2×4)=7(列)；A為最大班運(yùn)量，取班運(yùn)量的2倍，即16.7 t；Z為每列車集裝箱數(shù)量，取值2個；G為每集裝凈載重，取值4 t；Kb為運(yùn)輸不均勻系數(shù)，取值3；N1、N2分別為備用機(jī)車數(shù)和檢修機(jī)車數(shù)，取值1；n為每臺機(jī)車一班內(nèi)可往返次數(shù)，n=60t/T=60t/(Ty+Q)=3(次)；t為機(jī)車每班工作時間中運(yùn)料小時數(shù)，取值6；T為機(jī)車往返一次全部時間，T=Ty+Q=127 min；Ty為機(jī)車往返一次運(yùn)行時間，Ty=2L/60Vp×0.8=97 min；L為最大運(yùn)輸距離，取值5 600 m；Vp為機(jī)車運(yùn)行速度，取值2.4 m/s；0.8為速度影響系數(shù)；Q為裝卸和調(diào)車時間，取值30 min。

2) 軌道吊掛。結(jié)合王莊煤礦后備區(qū)水平巷道支護(hù)情況，單軌吊軌道采用錨桿懸吊，每個懸吊點(diǎn)采用兩根高強(qiáng)錨桿配合小橫梁(11號工字鋼)懸吊，錨桿規(guī)格為：D22 mm×2 600 mm，每節(jié)軌道兩端由單鏈或雙鏈吊掛于巷道頂部，使列車全部重量分散到各懸吊點(diǎn)上。按機(jī)車運(yùn)輸最大重量(支架)計算：支架自重25.5 t，機(jī)車運(yùn)送支架時承載部分長15.3 m；承載軌道數(shù)：15.3/3 = 6(根)；每根錨桿承載：25.5/(6×2)= 2.13 t。目前王莊煤礦采用錨桿錨固力均大于10 t，所以滿足要求。

3) 單軌吊機(jī)車運(yùn)行需要風(fēng)量。柴油機(jī)單軌吊在工作時，排出一定量的CO、NO、NO2等廢氣，對礦井巷道風(fēng)流有污染現(xiàn)象。所以，在使用柴油機(jī)車的礦井，必須要有一定的新鮮風(fēng)量對內(nèi)燃機(jī)排出的廢氣進(jìn)行稀釋，使之在巷道風(fēng)流中含量低于規(guī)程規(guī)定的數(shù)值。本設(shè)計選用的單軌吊車，是礦用防爆凈化低污染柴油機(jī)單軌吊機(jī)車，按照機(jī)車本身的技術(shù)特征，柴油機(jī)在井下工作時，每分鐘每馬力供給4 m3新鮮風(fēng)量，就能使機(jī)車排出的有害氣體在風(fēng)流中濃度低于工作環(huán)境允許的數(shù)值。根據(jù)要求，礦井使用柴油機(jī)單軌吊機(jī)車運(yùn)輸時，機(jī)車需要風(fēng)量為(機(jī)車功率按80 kW計算)：

QD=N·n·q/60

式中：N為每臺機(jī)車的功率，取值108.84馬力；n為同時運(yùn)行的最大機(jī)車臺數(shù)；Q為每馬力每分鐘機(jī)車需要風(fēng)量，取值4 m3/(馬力·分)；QD為全礦井單軌吊機(jī)車共需風(fēng)量，m3/s。

經(jīng)計算：本礦采掘面巷道按運(yùn)行1臺計算，機(jī)車需用供風(fēng)量為7.26 m3/s；+540水平巷道按運(yùn)行3臺計算，機(jī)車需用供風(fēng)量為21.77 m3/s。根據(jù)初設(shè)資料，+540水平采煤工作面巷道初期供風(fēng)量為26 m3/s，掘進(jìn)工作面初期風(fēng)量為40 m3/s，輔助運(yùn)輸大巷風(fēng)量為36.013 m3/s以上，使用柴油機(jī)單軌吊需用風(fēng)量均小于巷道正常配風(fēng)量，因此礦井的通風(fēng)能力完全滿足使用柴油機(jī)單軌吊機(jī)車的要求。

4 結(jié) 語

1) 目前，王莊煤礦后備區(qū)單軌吊運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)形成，除71采區(qū)地質(zhì)條件影響仍舊使用無極繩絞車運(yùn)輸方式外，后備區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了單軌吊運(yùn)輸。單軌吊運(yùn)輸系統(tǒng)在王莊煤礦后備區(qū)輔助運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用，極大地提高了礦井生產(chǎn)材料、人員、設(shè)備等的運(yùn)輸效率，對于礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)具有重要意義。

2) 為了保證單軌吊運(yùn)輸?shù)陌踩透咝剩瑧?yīng)當(dāng)建立完整的單軌吊運(yùn)輸管理制度和標(biāo)準(zhǔn)。

3) 由于王莊礦人員運(yùn)輸較頻繁，運(yùn)人與運(yùn)料同時進(jìn)行，可能造成物料運(yùn)輸遲緩等一系列問題，為保證人員安全運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)運(yùn)人系統(tǒng)與運(yùn)輸物料系統(tǒng)分開，建議掘?qū)ｉT運(yùn)人巷道，布置架空乘人裝置。