黨家河煤礦轉(zhuǎn)接輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)研究

趙海興

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

無軌膠輪車是煤礦井下的輔助運(yùn)輸設(shè)備之一，被國家煤礦安監(jiān)局確定為煤礦安全生產(chǎn)先進(jìn)適用推廣技術(shù)裝備，助推了高效、現(xiàn)代化礦井建設(shè)的進(jìn)程。但是傳統(tǒng)的中小型煤礦尤其是大傾角斜井開拓煤礦仍然采用小電機(jī)車和小絞車牽引的有軌輔助運(yùn)輸方式，既嚴(yán)重制約了礦井的開采效率又給井下工作人員帶來了安全隱患。山西高平科興龍馬煤業(yè)為斜井開拓煤礦，現(xiàn)布置有主斜井、副斜井和回風(fēng)立井三個井筒，核定生產(chǎn)能力為0.90Mt/a。礦井副斜井裝備一臺纏繞式單滾筒提升機(jī)擔(dān)負(fù)串車或平板車運(yùn)輸，在井下采用無極繩連續(xù)牽引車擔(dān)負(fù)設(shè)備及液壓支架的運(yùn)輸任務(wù)。2019年7月27日，龍馬煤業(yè)井下在采區(qū)運(yùn)輸巷與工作面運(yùn)輸巷交叉處運(yùn)輸液壓支架時(shí)發(fā)生一起事故，造成1人死亡，事故直接經(jīng)濟(jì)損失約114.5萬元。

近年來國內(nèi)一些大傾角提升礦井已經(jīng)對井下有軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了無軌化改造。山西天地王坡煤業(yè)行人斜井裝備架空乘人裝置擔(dān)負(fù)礦井人員上、下井任務(wù)；傾角23°的副斜井鋪設(shè)軌道擔(dān)負(fù)除人員以外的輔助提升任務(wù)，在井底換裝后采用無軌膠輪車運(yùn)輸人員、材料及設(shè)備，極大地提高了運(yùn)輸效率和安全性[1]。山西呂梁東江煤業(yè)采用主、 副斜井運(yùn)輸方式, 主斜井一側(cè)裝備一臺主運(yùn)帶式輸送機(jī)擔(dān)負(fù)煤礦煤炭提升任務(wù); 在另一側(cè)裝備一臺架空乘人裝置擔(dān)負(fù)全礦人員的運(yùn)輸任務(wù), 運(yùn)輸距離為 700m；傾角20°的副斜井設(shè)計(jì)有長度700m的軌道輔助運(yùn)輸, 主要用于物料及綜采設(shè)備入井，在井底進(jìn)行換裝后采用無軌膠輪車運(yùn)輸。東江煤業(yè)對井下部分軌道運(yùn)輸改造為無軌輔助運(yùn)輸后，輔助運(yùn)輸人員至少減去50%以上；綜采工作面舊面回撤、新面安裝總時(shí)間由原來的90d縮短至30d，輔助運(yùn)輸綜合效率提高30%以上[2]。山西蘭花玉溪煤礦設(shè)計(jì)的主斜井井筒內(nèi)一側(cè)裝備一臺主斜井帶式輸送機(jī)，另一側(cè)裝備一臺架空乘人裝置；傾角20°的副斜井布置長度1400m的軌道運(yùn)輸；在井下?lián)Q裝后采用轉(zhuǎn)接輔助運(yùn)輸，目前第一個綜采工作面已正常生產(chǎn)。

由此，考慮副斜井傾角17°的鶴壁煤業(yè)陜西黨家河煤礦采用轉(zhuǎn)接輔助運(yùn)輸方式[3]，即在斜井巷道采用架空乘人或軌道運(yùn)輸方式，在煤礦井下進(jìn)行換裝后采用無軌膠輪車運(yùn)輸方式可提高人員、材料及煤礦生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)輸效率及安全性。

1 黨家河煤礦概況

鶴壁煤業(yè)陜西黨家河煤礦可采儲量約為125.50Mt，礦井生產(chǎn)能力 1.50Mt/a，全礦井服務(wù)年限為59.8a。生產(chǎn)盤區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測計(jì)算值為8.93m3/t[4]。礦井采用斜、立井綜合開拓，在工業(yè)場地內(nèi)布置主斜井、副斜井和回風(fēng)立井三個井筒。根據(jù)井田面積、煤層分布范圍特點(diǎn)、工作面年推進(jìn)度、開采技術(shù)裝備水平和通風(fēng)需要，將井田劃分為四個盤區(qū)，從東到西開采順序依次為Ⅰ盤區(qū)→Ⅱ盤區(qū)→Ⅲ盤區(qū)→Ⅳ盤，各盤區(qū)基本特征見表1。在井田中部沿東西方向布置一組大巷，每組大巷包括1條主運(yùn)輸大巷、1條輔助運(yùn)輸大巷和2條回風(fēng)大巷，每條大巷間距40m，井田開拓平面布置如圖1所示。四條大巷均為半圓拱形斷面，將每個盤區(qū)分為南北兩部分獨(dú)立開采。井下大巷均沿煤層布置，掘進(jìn)矸石量小。

表1 四個盤區(qū)基本特征

圖1 井田開拓平面圖

圖2 井筒及井底車場平面布置示意圖

井筒及水平井底車場平面布置如圖2所示。主斜井配置寬度為1200mm的鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)用于煤炭提升，在帶式輸送機(jī)一側(cè)布置吊椅中心距為1440mm的雙向架空乘人裝置，左右兩排架空乘人裝置吊椅中心分別距輸送機(jī)和巷道側(cè)壁為960mm和750mm，滿足煤炭安全規(guī)程的規(guī)定。副斜井由雙滾筒單繩纏繞式絞車牽引軌道串車(軌距900mm)提升渣石廢料或下放材料及設(shè)備[5]，雙排軌道礦車的中心距為1650mm。井筒具體尺寸和運(yùn)輸條件見表2。

表2 井筒尺寸及運(yùn)輸條件

Ⅰ盤區(qū)輔運(yùn)大巷斷面如圖3所示，巷道底板硬化，可雙向會車運(yùn)行；工作面運(yùn)輸巷道、膠帶運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道斷面如圖4所示。巷道底板未硬化，長度約3000m，滿足不同載荷的車輛單向運(yùn)行。

井下?lián)Q裝硐室布置在副斜井底，硐室內(nèi)鋪設(shè)有雙軌道，且設(shè)計(jì)有32t+5t的移動起重機(jī)方便吊裝，換裝硐室剖面及起重機(jī)安裝如圖5所示。膠輪車硐室設(shè)計(jì)符合《煤礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車安全使用規(guī)范》(AQ 1064)的要求，距離換裝硐室20m(見圖2)。

圖3 輔運(yùn)大巷斷面圖(mm)

圖4 工作面運(yùn)輸巷道斷面圖(mm)

圖5 井下?lián)Q裝硐室剖面及起重機(jī)安裝示意圖(mm)

2 輔助運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 輔助運(yùn)輸工藝確定

由前文可知，煤礦井下的巷道條件、煤層開采傾角及運(yùn)輸距離完全適合無軌膠輪車運(yùn)輸，而且現(xiàn)有車輛的外形尺寸、技術(shù)性能、功用及巷道適應(yīng)性均可滿足煤礦開采需求。借鑒王坡煤業(yè)、呂梁東江煤業(yè)和蘭花玉溪煤礦的轉(zhuǎn)接輔助運(yùn)輸方式，在井下并列式換裝[6]保證有軌轉(zhuǎn)接無軌運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性、盡量實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。

2.2 人員運(yùn)輸

如前文所述，人員從主斜井通過架空乘人裝置運(yùn)行1150m到達(dá)井底，然后步行到乘車點(diǎn)，乘坐無軌膠輪車沿箭頭方向經(jīng)過輔運(yùn)大巷到達(dá)目的地，如圖2所示。

2.3 材料運(yùn)輸

井上材料存放及換裝場地空間大，距井口大約50m；地面設(shè)置有埋入式軌道，軌面與路面齊平，軌道礦車由雙向駕駛的電機(jī)車牽引運(yùn)行，單次最多可牽引10輛礦車。在軌道正上方設(shè)置有龍門起吊裝置，方便軌道礦車點(diǎn)到點(diǎn)裝卸貨物。

散裝物料從副斜井通過軌道礦車運(yùn)輸?shù)骄聯(lián)Q裝站，單輛礦車承載能力1.5t，絞車單鉤牽引10輛礦車入井或升井；礦車進(jìn)入換裝硐室，通過32t+5t起重機(jī)換裝到無軌膠輪車運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。長件物料(錨索)通過軌道平板車運(yùn)輸入井，然后將長件物料擺放并捆綁到窄型雙向駕駛無軌膠輪車，直接運(yùn)送到綜采工作面指定地點(diǎn)。當(dāng)井下需要混凝土硬化巷道時(shí)，先將石子和沙子在地面進(jìn)行混合，在井下?lián)Q裝后通過材料運(yùn)輸車運(yùn)輸至施工地點(diǎn)，添加水泥攪拌后使用。

2.4 綜采設(shè)備的運(yùn)輸

為了保證綜采工作面設(shè)備如采煤機(jī)、液壓支架、中部槽和移變等運(yùn)輸?shù)陌踩?，可將大型設(shè)備進(jìn)行拆解，各部件采用軌道平板車運(yùn)輸、井下?lián)Q裝和無軌膠輪車轉(zhuǎn)接輔助運(yùn)輸。由于井下輔運(yùn)大巷和工作面運(yùn)輸大巷近水平，因此采用無軌膠輪車運(yùn)輸工藝，可極大地提高效率。

3 無軌膠輪車設(shè)計(jì)及車型配置

3.1 無軌膠輪車設(shè)計(jì)

3.1.1 防爆動力系統(tǒng)確定

由于該礦井為斜井開拓、瓦斯礦井，鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車的鋰電池采用串聯(lián)后放置在隔爆箱內(nèi)在井下完成充放電，其安全性有待于進(jìn)一步加強(qiáng)研究和驗(yàn)證[7]。因此，所有無軌膠輪車動力系統(tǒng)均設(shè)計(jì)為防爆電噴柴油機(jī)，滿足國家煤礦安全監(jiān)察局國安監(jiān)技裝[2018]39號文要求：井工煤礦須使用國Ⅲ及以上標(biāo)準(zhǔn)的防爆柴油機(jī)無軌膠輪車?？稍诰录幼⒉裼?，維持車輛連續(xù)運(yùn)行。防爆電噴柴油機(jī)采用組合式電控單體泵系統(tǒng)，由單體泵、高壓油管、噴油器總成、油泵、電磁閥、 ECU以及各類傳感器等組成[8]，采用氣啟動電子安全保護(hù)方式。防爆電控單體泵技術(shù)已批量應(yīng)用于防爆柴油機(jī)無軌膠輪車上，試驗(yàn)表明可降低柴油機(jī)排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性[9]。無軌膠輪車用三種防爆電噴柴油機(jī)以《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ Ⅳ 階段)》(GB 20891—2014)為檢驗(yàn)依據(jù)，測試數(shù)據(jù)見表3。

3.1.2 整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

20座人員運(yùn)輸車為整體式結(jié)構(gòu)，由加強(qiáng)型汽車底盤設(shè)計(jì)而成，前后鋼板彈簧懸架，機(jī)械傳動，后雙輪驅(qū)動；長度不大于6000mm，寬度不大于1950mm，高度不大于2215mm，轉(zhuǎn)彎半徑不大于7000mm；行車制動采用全液壓控制多盤濕式制動器的制動系統(tǒng)，駐車制動采用安全型多盤濕式制動器；完全適合在近水平巷道運(yùn)行。整車外形如圖6所示。

表3 三種防爆電噴柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖6 人員運(yùn)輸車外形圖

為了方便物料的換裝，材料運(yùn)輸車設(shè)計(jì)為鉸接式、液力機(jī)械傳動，可使貨廂上邊沿離地1600mm、貨廂后翻自卸最大舉升高度3200mm。由圖2可知換裝站起重機(jī)的起吊鉤距地面的高度為4030mm，換裝時(shí)用起吊鉤將礦車提升后，調(diào)整兩個起吊鉤的高度差傾斜卸載物料，具體如圖7所示。

圖7 散料換裝示意圖

材料運(yùn)輸車整車載荷確定為5t和8t，采用四輪驅(qū)動，鋼板彈簧懸架；具有工作、緊急和駐車制動功能[10]，還設(shè)計(jì)有駕駛艙車門開啟制動和柴油機(jī)熄火制動功能；外形結(jié)構(gòu)如圖8所示。為了使車輛在輔助運(yùn)輸大巷可雙向會車運(yùn)行，整車寬度不大于1980mm；同時(shí)要保證整車倒車視線良好，整車前后車體高度設(shè)計(jì)為齊平；貨物裝卸載便利快捷，貨廂底板須高于輪胎最高點(diǎn)且保留一定的間隙，由此貨廂的寬度和長度可完全容納煤礦用集裝箱或軌道礦車，且保證在運(yùn)輸過程中沒有相對位移。5t和8t材料運(yùn)輸車寬度和最大自卸高度相同。

圖8 鉸接式材料運(yùn)輸車外形圖

由工作面運(yùn)輸巷道尺寸可知，鉸接式雙向駕駛運(yùn)輸車寬度尺寸設(shè)計(jì)為1600mm，由于整車的同側(cè)設(shè)計(jì)有前后獨(dú)立操縱的駕駛室且需要自卸功能，由此載荷確定為3t；靜液壓機(jī)械傳動，雙橋四輪驅(qū)動，鋼板彈簧懸架；可側(cè)翻自卸，最大自卸高度小；貨廂尾部隨車配置自裝卸起吊設(shè)備，適應(yīng)性更廣泛，整車外形結(jié)構(gòu)如圖9所示。由于貨廂的長度小于錨索的長度，因此將錨索等長物料縱向擺放到駕駛室一側(cè)、前后車體的上方進(jìn)行捆綁運(yùn)輸。

圖9 雙向駕駛運(yùn)輸車外形圖

綜采工作面安撤采用無軌膠輪車運(yùn)輸工藝，由于液壓支架中心距為1.5m，重量約為18t，因此配置了技術(shù)成熟可靠40t框架式搬運(yùn)車[11]和25t鏟板式搬運(yùn)車[12]作為主力車型，框架車長9110mm、寬3520mm、高1960mm，裝載液壓支架后高度低于2400mm；鏟板車長9500mm、寬2260mm、高1900mm，可雙向駕駛操縱，設(shè)計(jì)有最大牽引力為120kN的車載液壓絞車，機(jī)動靈活；鏟板離地高度600mm，裝載液壓支架后高度低于2400mm；由此兩種車型完全適合在工作面運(yùn)輸巷道運(yùn)行。同時(shí)配置了7t多功能車輔助工作面安撤，整車長8830mm、寬1800mm、高1980mm，可雙向駕駛操縱，可選裝鏟斗、鏟叉等多種工作機(jī)構(gòu)，用途廣泛。

3.1.3 鉸接式材料運(yùn)輸車雙橋四輪驅(qū)動工作特性研究及測試

材料運(yùn)輸車是輔助運(yùn)輸?shù)闹髁囆?，采用縱置半橢圓鋼板彈簧非獨(dú)立懸架，滿載最大運(yùn)行速度為30km/h。為了適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜巷道工況，整車設(shè)計(jì)為雙橋四輪驅(qū)動系統(tǒng)，可以充分利用四個輪胎及車重來產(chǎn)生牽引力。由于受整車總體結(jié)構(gòu)約束，鉸接中心線距離前后驅(qū)動橋的距離不同，整車空載和滿載時(shí)的軸荷、輪胎的滾動半徑及重心分配變化，這些因素均對四輪驅(qū)動工作特性產(chǎn)生影響。由此對直線行駛加速度、制動減速度、載荷、輪胎滾動半徑、轉(zhuǎn)向角、車輛上坡及下坡等因素致使前后橋動力分配比變化情況進(jìn)行了研究分析，并對整車重心位置、軸距和輪胎直徑等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

整車滿載分別在試驗(yàn)臺上對前、后驅(qū)動輪不同速度時(shí)完成了牽引力和制動力測試試驗(yàn)，如圖10所示。測試結(jié)果為前、后車輪之間牽引力最小分配比為0.86，制動力最小分配比為0.9。由此，整車設(shè)計(jì)合理，行駛和操縱平穩(wěn)。

3.2 無軌膠輪車車型配置

黨家河煤礦每班下井工作人數(shù)約120人，配置2輛人員運(yùn)輸車；每輛車早班往返運(yùn)輸5趟，中班往返運(yùn)輸3趟，夜班往返運(yùn)輸3趟；車輛運(yùn)行速度不超過20km/h。每天井下所需物料總量約為50t，配置3t、5t和8t三種不同數(shù)量的材料運(yùn)輸車循環(huán)運(yùn)輸，每輛車平均每天運(yùn)行6趟；同時(shí)承擔(dān)井下渣石廢料的升井運(yùn)輸，平均每天由5t材料運(yùn)輸車運(yùn)行一趟；車輛滿載運(yùn)行速度不超過20km/h，車型及數(shù)量配置見表4。

綜采工作面液壓支架共有165架，由2臺40t框架式搬運(yùn)車和2臺25t鏟板式搬運(yùn)車完成運(yùn)輸和擺放工作；1臺7t多功能車主要用于中部槽的搬運(yùn)和巷道整修；在工作面運(yùn)輸巷道開切眼時(shí)，2臺裝載機(jī)用于轉(zhuǎn)載煤炭和渣石廢料。

3.3 無軌膠輪車入井及升井

無軌膠輪車從副斜井處入井，車輛最大整備質(zhì)量為40t，尾部與絞車聯(lián)接，啟動車輛并開啟慢速絞車，緩慢地從井口駛?cè)刖住?/p>

無軌膠輪車日常存放在井下膠輪車硐室，如圖2所示；當(dāng)車輛需要在地面進(jìn)行維修時(shí)，啟動人員運(yùn)輸車和材料運(yùn)輸車只需轉(zhuǎn)向和制動正常，不需自驅(qū)動，由絞車牽引車輛升井；重型搬運(yùn)車需自驅(qū)動并由慢速絞車輔助牽引升井。

4 應(yīng)用效果

4.1 運(yùn)輸效率

5t材料運(yùn)輸車可承載3輛軌道礦車的物料，在輔運(yùn)大巷運(yùn)行時(shí)，具有載荷大、運(yùn)行速度快、爬坡能力強(qiáng)、效率高的特點(diǎn)，貨廂最大自卸高度完全適應(yīng)巷道工況。3t雙向駕駛運(yùn)輸車可承載2輛軌道礦車的物料，更適合在工作面運(yùn)輸巷道運(yùn)行；在運(yùn)輸小型設(shè)備、錨桿和錨索時(shí)具有省時(shí)、省力的突出優(yōu)勢，受到礦工的一致好評。

綜采工作面安裝和回撤時(shí)，各種功能的無軌膠輪車均可在工作面輔助運(yùn)輸巷道運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)材料或設(shè)備從換裝站到工作面“點(diǎn)到點(diǎn)”的無軌運(yùn)輸。

黨家河煤礦轉(zhuǎn)接輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的成功實(shí)施，工作面安裝周期可由兩個隊(duì)安裝 70d縮短至由一個隊(duì)安裝 20～30d；拆除周期可由一個隊(duì) 60d縮短至 15～20d，各工序環(huán)節(jié)銜接順暢，大幅度降低了安裝和拆除周期。輔助運(yùn)輸人員減少50%以上，輔助運(yùn)輸綜合效率提高40%以上。

4.2 運(yùn)輸安全性

轉(zhuǎn)接輔助運(yùn)輸系統(tǒng)避免了全軌道運(yùn)輸系統(tǒng)中增加的輔助設(shè)施，減少了機(jī)械安全隱患，降低了安全管理難度。特別是綜采工作面的所有設(shè)備均可由無軌膠輪車直接搬運(yùn)，運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化，降低了工人的勞動強(qiáng)度，從根本上消除了各類運(yùn)輸事故的安全隱患。

5 結(jié) 論

1)黨家河煤礦屬于中小型斜井開拓煤礦，生產(chǎn)輔助材料用量少，綜采工作面設(shè)備重量小，系列齊全、功能多樣的無軌膠輪車可滿足礦井輔助運(yùn)輸要求；同時(shí)無軌膠輪車裝載材料及設(shè)備后的外形尺寸、工作裝置自卸的最大高度尺寸均小于煤礦井下巷道斷面尺寸且安全間隙滿足安全使用規(guī)范要求，具有較強(qiáng)的通過能力，可實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)到點(diǎn)”運(yùn)輸。

2)為了利于轉(zhuǎn)接輔助運(yùn)輸能力的發(fā)揮和提高運(yùn)輸效率，井下?lián)Q裝硐室設(shè)計(jì)需使軌道礦車和無軌膠輪車并列式換裝；配置的起吊設(shè)備提升能力須大于綜采工作面設(shè)備重量且起吊高度大于車輛工作裝置高度，可以快速換裝。

3)中小型斜井開拓煤礦采用轉(zhuǎn)接輔助運(yùn)輸方式可以提高輔助運(yùn)輸?shù)男屎桶踩?，即在斜井巷道采用架空乘人裝置運(yùn)送人員或軌道礦車運(yùn)輸材料和設(shè)備，在井下快速換裝后實(shí)現(xiàn)由無軌膠輪車直達(dá)運(yùn)輸。