大傾角斜井開(kāi)拓煤礦混合輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)

趙海興

(1.中國(guó)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)

煤礦井下輔助運(yùn)輸主要運(yùn)輸線路為地面到工作面、工作面到地面、工作面或采區(qū)之間的周轉(zhuǎn)等，具有運(yùn)輸線路隨工作地點(diǎn)的延伸或遷移而經(jīng)常變化，工作地點(diǎn)分散、運(yùn)輸線路復(fù)雜，待運(yùn)物料品種繁多及形狀各異，設(shè)備必須防爆等特點(diǎn)[1]。國(guó)家能源局公告[2019]2號(hào)：截至2018年12月底，我國(guó)煤礦安全許可證等證照齊全的生產(chǎn)煤礦3373處，已核準(zhǔn)(審批)、開(kāi)工建設(shè)煤礦1010處。陜蒙地區(qū)平硐或斜井煤礦均采用無(wú)軌膠輪化輔助運(yùn)輸系統(tǒng)；豎井煤礦也全面采用無(wú)軌膠輪化輔助運(yùn)輸方式；全系列的無(wú)軌膠輪車(chē)功能齊全、承載能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快，使人員、物料及煤礦生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸，高效和減人的突出優(yōu)勢(shì)已被證實(shí)。

但是無(wú)軌膠輪車(chē)的牽引能力和制動(dòng)效能不能適應(yīng)巷道傾角大于20°的長(zhǎng)距離斜井煤礦，所以大部分斜井開(kāi)拓煤礦尤其是中小煤礦仍然采用小電機(jī)車(chē)和小絞車(chē)牽引的有軌輔助運(yùn)輸方式。隨著井型和開(kāi)拓范圍的擴(kuò)大，輔助運(yùn)輸距離越來(lái)越長(zhǎng)，巷道地面起伏不平和頂板條件差等導(dǎo)致了有軌輔助運(yùn)輸方式效率低下以及事故率偏高[1]。考慮有軌和無(wú)軌混合輔助運(yùn)輸方式，在斜井巷道采用架空乘人及地面軌道運(yùn)輸方式，在煤礦井下進(jìn)行換裝后采用無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸方式[2]，可提高人員、物料及煤礦生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)輸效率。筆者對(duì)王坡煤礦防爆無(wú)軌膠輪車(chē)的應(yīng)用工藝及設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了探究分析。

1 山西天地王坡煤業(yè)輔助運(yùn)輸情況

1.1 巷道條件及硐室布置

礦井生產(chǎn)能力300萬(wàn)t/a，副斜井傾角23°，長(zhǎng)度606m；巷道斷面寬5m，高3.6m；輔運(yùn)大巷寬4.3m、高3.1m，路面混凝土硬化厚度200～300mm，頂板采用錨桿、錨索支護(hù)并噴漿處理，受礦壓影響巷道底鼓和片幫嚴(yán)重，巷道局部斷面寬4.0m、高2.6m；巷道粉塵較大，需要用淋水或?yàn)⑺M(jìn)行降塵處理；工作面運(yùn)輸巷寬5m、高3.1m；巷道路況有底鼓變形。礦井井下運(yùn)輸路況為連續(xù)下8°坡600m，平直路段100m，緊接著連續(xù)下6°坡；往返一趟14km。

副斜井1布置有雙排軌道，同時(shí)相向運(yùn)行的入井或升井礦車(chē)由雙滾筒絞車(chē)1完成。換裝硐室位于副斜井底，長(zhǎng)30m、寬6m、高7m，硐室連接副斜井和輔運(yùn)大巷，如圖1所示。設(shè)計(jì)有10t+10t和20t+20t行車(chē)各一部；10t行車(chē)用于小型機(jī)電設(shè)備及散料的換裝；20t行車(chē)用于支架或其他大型設(shè)備的換裝。巷道硬化平整近水平，軌道平面與硬化地面齊平，布置有兩排軌道，礦車(chē)可雙排通行。換裝硐室與副斜井1之間設(shè)有一段安全轉(zhuǎn)彎，防止絞車(chē)失控，軌道運(yùn)輸車(chē)輛直接沖入換裝硐室。車(chē)輛檢修硐室如圖1所示，長(zhǎng)70m、寬7m、高8m，裝有5t行車(chē)一部和5t吊鏈數(shù)條用于車(chē)輛大型部件的換裝；為方便車(chē)輛檢修、維護(hù)和保養(yǎng)，設(shè)置有地溝。

圖1 副斜井井口及井底換裝站示意圖

1.2 輔助運(yùn)輸工藝

由于該礦井是將井下的有軌運(yùn)輸更改為無(wú)軌運(yùn)輸，輔運(yùn)大巷車(chē)輛只能單車(chē)道運(yùn)行，可在聯(lián)巷調(diào)頭。為了避免上行車(chē)輛和下行車(chē)輛迎面相遇，導(dǎo)致輔運(yùn)大巷堵塞，車(chē)輛上安裝有定位卡，且在巷道中設(shè)置有信號(hào)接收基站和交通信號(hào)指示。當(dāng)交通信號(hào)指示燈變?yōu)榧t色時(shí)，表明有車(chē)輛正在上行，由此下行車(chē)輛等待，直至信號(hào)指示燈變?yōu)榫G色下行車(chē)輛方可開(kāi)始運(yùn)行。

1.2.1 人員運(yùn)輸

人員乘坐“猴車(chē)”通過(guò)副斜井2運(yùn)行600m、步行100m后到達(dá)候車(chē)硐室，乘坐無(wú)軌膠輪車(chē)經(jīng)環(huán)形車(chē)道、輔運(yùn)大巷到聯(lián)巷口，然后步行到工作面；由于工作面巷道尺寸較小，非特殊情況，人員運(yùn)輸車(chē)輛不進(jìn)入工作面。

1.2.2 物料運(yùn)輸及綜采設(shè)備搬運(yùn)

物料及綜采設(shè)備通過(guò)牽引絞車(chē)1輔助運(yùn)送到井底，直接進(jìn)入換裝硐室，換裝硐室的寬度尺寸可保證無(wú)軌膠輪車(chē)與軌道礦車(chē)的并列，用10t+10t行車(chē)起吊礦車(chē)，通過(guò)分別控制兩個(gè)10t起吊繩索的高度，橫向移動(dòng)行車(chē)到貨廂上方將物料卸載到無(wú)軌膠輪車(chē)上，井底物料換裝方式如圖2所示。袋裝的水泥和沙子與石子裝載到額定1.5t的礦車(chē)運(yùn)至換裝硐室，8t材料運(yùn)輸車(chē)貨廂可容納5輛礦車(chē)的貨物，總載荷約為8～9t。大長(zhǎng)物料使用專(zhuān)用平板車(chē)運(yùn)輸，為了提高運(yùn)輸效率，可以將平板車(chē)和物料一同吊入8t材料運(yùn)輸車(chē)貨廂內(nèi)運(yùn)輸，也可將大長(zhǎng)物料綁扎后吊入貨廂內(nèi)運(yùn)輸。8t材料運(yùn)輸車(chē)運(yùn)行線路如圖1中的箭頭所指，從輔運(yùn)大巷經(jīng)過(guò)環(huán)形車(chē)道到換裝硐室，再到輔運(yùn)大巷運(yùn)行至聯(lián)巷，利用8t車(chē)雙向駕駛操縱的優(yōu)點(diǎn)，駕駛員乘坐前座椅駕駛車(chē)輛反向行駛到指定地點(diǎn)，后翻自卸快速卸載；該輔助運(yùn)輸工藝可提高運(yùn)輸效率及安全性。工作面運(yùn)輸巷的物料運(yùn)輸由雙向駕駛、側(cè)翻自卸的3t材料運(yùn)輸車(chē)完成。為了提高無(wú)軌膠輪車(chē)在大巷或工作巷的爬坡附著性能，在局部路段布置有表面防滑處理的鋼板。

圖2 井底物料換裝示意圖

采煤機(jī)部件、液壓支架放置在平板車(chē)上，通過(guò)牽引絞車(chē)1輔助運(yùn)送到井底，采用20t+20t行車(chē)換裝到40t框架式支架搬運(yùn)車(chē)上運(yùn)送至工作面；移變列車(chē)、刮板輸送機(jī)拆解后的零部件由40t框架式支架搬運(yùn)車(chē)或8t材料運(yùn)輸車(chē)運(yùn)送到工作面。液壓支架和采煤機(jī)前后搖臂和滾筒的回撤搬運(yùn)均由40t框架式支架搬運(yùn)車(chē)完成；中部槽可采用4t多功能車(chē)逐個(gè)轉(zhuǎn)移到8t車(chē)上運(yùn)送至新工作面。

1.2.3 無(wú)軌膠輪車(chē)入井及升井

無(wú)軌膠輪車(chē)由單滾筒牽引絞車(chē)2輔助入井或升井。入井時(shí)無(wú)軌膠輪車(chē)尾部與絞車(chē)連接，車(chē)輛Ⅰ檔運(yùn)行并啟動(dòng)絞車(chē)，緩慢的從斜井口駛?cè)氲骄住．?dāng)車(chē)輛需要升井進(jìn)行維修時(shí)，人員運(yùn)輸車(chē)和材料運(yùn)輸車(chē)不需要自驅(qū)動(dòng)，只要保證車(chē)輛轉(zhuǎn)向和制動(dòng)正常工作，由絞車(chē)牽引車(chē)輛升井；重型搬運(yùn)車(chē)需要自身驅(qū)動(dòng)并需慢速絞車(chē)牽引升井，車(chē)輛行駛速度和絞車(chē)牽引速度須保持同步。

2 無(wú)軌膠輪車(chē)車(chē)型配置

王坡煤業(yè)每班入井人員約400人，考慮井下車(chē)輛的污染、巷道會(huì)車(chē)及井下各作業(yè)點(diǎn)人員分布特點(diǎn)等因素，配置多輛機(jī)械傳動(dòng)、四檔位變速的29座人員運(yùn)輸車(chē)循環(huán)運(yùn)行完成任務(wù)。單班入井物料約為150t，回收物料80t，配置8t材料運(yùn)輸車(chē)為主力車(chē)型，3t材料運(yùn)輸車(chē)為輔助車(chē)型。同時(shí)由兩輛8t車(chē)專(zhuān)門(mén)點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)輸混凝土，完成路面硬化工作。無(wú)軌膠輪車(chē)型配置見(jiàn)表1。

表1 王坡煤業(yè)無(wú)軌膠輪車(chē)特征及配置數(shù)量

由表1可以看出，8t材料運(yùn)輸車(chē)使用頻繁且運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，該車(chē)型設(shè)計(jì)完全適應(yīng)王坡煤礦井下狹窄和低矮的巷道條件，符合運(yùn)輸工藝。

3 無(wú)軌膠輪車(chē)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 8t材料運(yùn)輸車(chē)

3.1.1 總體設(shè)計(jì)

8t材料運(yùn)輸車(chē)長(zhǎng)8215mm、寬2360mm、高1860mm；整車(chē)最小離地間隙為335mm；貨廂側(cè)圍板上邊沿距地面1400mm；外形如圖3所示。

圖3 8t材料運(yùn)輸車(chē)外形示意圖

為降低前車(chē)架高度，采用井下工程類(lèi)車(chē)輛常用的駕駛艙布置在前車(chē)架一側(cè)并位于輪胎前方的方案，方向盤(pán)相對(duì)駕駛員呈側(cè)向布置，方便實(shí)現(xiàn)雙向駕駛操縱，可調(diào)式減振座椅、加速和制動(dòng)踏板均沿方向盤(pán)軸線對(duì)稱設(shè)置，駕駛員可面向車(chē)輛運(yùn)行方向前進(jìn)或后退駕駛，方便在不能調(diào)頭的狹窄巷道中裝卸貨物。為提高雙向加速操控的靈敏性和可靠性，采用氣壓式比例加速裝置；換向和檔位操縱也采用氣壓式控制，這兩項(xiàng)技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)雙向操縱。充分比較運(yùn)輸車(chē)輛空氣彈簧懸掛、鋼板彈簧懸掛和油氣彈簧懸掛的優(yōu)缺點(diǎn)，采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的前后油氣懸掛系統(tǒng)[3]。前后橡膠充填輪胎為定制設(shè)計(jì)，既可保證承載能力又能降低整車(chē)高度。

后車(chē)架設(shè)計(jì)為無(wú)支撐橋邊梁套架式結(jié)構(gòu)，貨廂裝卸高度可調(diào)節(jié)，具有裝卸高度低、自卸性能好的特點(diǎn)。貨廂后擋板可快速拆裝，運(yùn)輸散料及混凝土?xí)r需安裝后擋板，其余作業(yè)拆除后擋板[3，4]。當(dāng)順槽車(chē)(寬度尺寸1600mm，整車(chē)整備質(zhì)量6200kg)出現(xiàn)故障時(shí)，可直接裝載到8t材料運(yùn)輸車(chē)貨廂內(nèi)，如圖4所示，最大高度2670mm，被運(yùn)送到指定地點(diǎn)。

圖4 8t材料車(chē)裝載順槽車(chē)示意圖

為了增強(qiáng)整車(chē)在低矮巷道的通過(guò)能力，兩種懸掛油缸的振動(dòng)阻尼行程不大于150mm，可實(shí)現(xiàn)車(chē)身高度調(diào)節(jié)；當(dāng)懸掛油缸的活塞桿伸出一半行程時(shí)，車(chē)輛處于水平姿態(tài)，這時(shí)變速箱到驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)軸夾角最小，利于車(chē)輛正常行駛。阻尼行程的確定一方面要保證車(chē)輛能越過(guò)矩形坑或障礙物時(shí)不損壞車(chē)架；另一方面當(dāng)懸掛油缸活塞桿縮至最短或伸出最長(zhǎng)時(shí)傳動(dòng)軸的工作夾角小于許用角度。

3.1.2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整車(chē)設(shè)計(jì)為綜合式驅(qū)動(dòng)橋前輪驅(qū)動(dòng)，后輪從動(dòng)；防爆柴油機(jī)匹配國(guó)產(chǎn)單級(jí)雙相綜合式液力變矩器和前進(jìn)、后退各三個(gè)檔位的動(dòng)力換擋變速箱，具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。將車(chē)輛運(yùn)行路普及工況和運(yùn)輸載荷作為邊界條件，依據(jù)工程車(chē)輛液力傳動(dòng)系統(tǒng)全功率匹配原則進(jìn)行計(jì)算，車(chē)輛在防爆柴油機(jī)油門(mén)全開(kāi)狀態(tài)時(shí)Ⅰ檔升Ⅱ檔的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1880r/min，Ⅱ檔升Ⅲ檔的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1930r/min；Ⅲ檔降Ⅱ檔的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2290r/min，Ⅱ檔降Ⅰ檔的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2350r/min；變速箱換擋對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速均在常用的轉(zhuǎn)速范圍，且柴油機(jī)與變矩器共同工作曲線在變矩器高效(≥75%)工作區(qū)間。傳動(dòng)油散熱采用水冷卻方式，不受防爆柴油機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速影響，傳動(dòng)效率穩(wěn)定，低速持續(xù)爬坡能力更強(qiáng)，滿足礦井使用要求。

由表2可知，整車(chē)軸荷分配合理，前輪的附著能力滿足牽引要求；防爆柴油機(jī)和變矩器的技術(shù)特性參數(shù)選取及匹配計(jì)算合理；動(dòng)力換擋變速箱各檔位速比和驅(qū)動(dòng)橋速比設(shè)計(jì)分配合理。

表2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

3.1.3 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于8t材料運(yùn)輸車(chē)在井下運(yùn)行路況坡度大、距離長(zhǎng)，要求整車(chē)設(shè)計(jì)的駐車(chē)制動(dòng)及行車(chē)制動(dòng)安全可靠。駐車(chē)制動(dòng)由前驅(qū)動(dòng)橋失壓型彈簧制動(dòng)器和后輪失壓型彈簧制動(dòng)器共同作用實(shí)現(xiàn)。行車(chē)制動(dòng)由前驅(qū)動(dòng)橋液壓給油多盤(pán)濕式制動(dòng)器和后輪失壓型彈簧制動(dòng)器共同作用完成，液壓控制系統(tǒng)為雙回路控制；制動(dòng)踏板閥為雙閥體，通過(guò)該閥實(shí)現(xiàn)前輪制動(dòng)器給油制動(dòng)與后輪制動(dòng)器卸油制動(dòng)同步，使前、后輪制動(dòng)同時(shí)起作用且制動(dòng)特性基本一致，提高了整車(chē)運(yùn)行安全系數(shù)，得到了礦方的高度認(rèn)可。

3.1.4 工作裝置設(shè)計(jì)

整車(chē)貨廂內(nèi)寬設(shè)計(jì)為1650mm，貨廂底板距地面設(shè)計(jì)為580mm；如前所述，貨廂可直接裝載順槽車(chē)。為了滿足長(zhǎng)件物料尤其是散料的快速卸載要求，貨廂內(nèi)部設(shè)計(jì)為平整型結(jié)構(gòu)；為了提高散件或小型零部件的換裝效率，軌道礦車(chē)外形尺寸小于貨廂內(nèi)空間尺寸，軌道礦車(chē)及散件或小型零部件一并裝載到貨廂內(nèi)部，將貨廂底板尾部上翹一定角度可防止貨廂內(nèi)軌道礦車(chē)溜出，同時(shí)需要在貨廂尾部用繩索進(jìn)行捆綁，貨廂裝載軌道礦車(chē)如圖5所示。

圖5 8t材料車(chē)裝載軌道礦車(chē)示意圖

貨廂采用后翻自卸方式，為了使貨廂的自卸角度大于煤礦井下散裝物料的安息角、貨廂最大舉升高度小于巷道凈高度，貨廂嵌入式安裝在后車(chē)架上，左右兩個(gè)雙級(jí)舉升油缸傾斜對(duì)稱布置在貨廂的外側(cè)，一端與后車(chē)架縱梁連接，另一端與貨廂側(cè)板中上部連接，貨廂側(cè)板可將油缸及后輪胎防護(hù)起來(lái)，而且要使貨廂的上邊沿離地面高度低，擴(kuò)大倒車(chē)行駛時(shí)的可視范圍。

3.2 其他無(wú)軌膠輪車(chē)

29座人員運(yùn)輸車(chē)設(shè)計(jì)為六缸大功率防爆柴油機(jī)，機(jī)械傳動(dòng)、三個(gè)檔位切換；車(chē)輛客廂與駕駛室之間設(shè)計(jì)有信號(hào)聯(lián)絡(luò)，保證人員上下乘坐安全。3t材料運(yùn)輸車(chē)設(shè)計(jì)四氣門(mén)渦輪增壓柴油機(jī)匹配靜液壓閉式傳動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)級(jí)變速；整車(chē)外形尺寸完全滿足礦井工作面巷道運(yùn)行；貨廂設(shè)計(jì)為側(cè)翻自卸方式，卸載快速，最大自卸高度小。40t框架式支架搬運(yùn)車(chē)為封底式結(jié)構(gòu)型式，底板尾部可接地，并設(shè)計(jì)有雙牽引絞車(chē)和雙推移油缸，方便卸載液壓支架；除運(yùn)送支架外，還可以運(yùn)輸其他大型設(shè)備裝卸省時(shí)、省力。

由此可見(jiàn)，王坡煤業(yè)配置的無(wú)軌膠輪車(chē)可完成人員、物料及設(shè)備的運(yùn)輸和搬遷任務(wù)。每種無(wú)軌膠輪車(chē)的設(shè)計(jì)完全依據(jù)礦井巷道條件和輔助運(yùn)輸工藝。

4 無(wú)軌膠輪車(chē)應(yīng)用效果

4.1 運(yùn)輸效率提高

山西天地王坡煤業(yè)采用無(wú)軌輔助運(yùn)輸方式后，人員從井下?lián)Q裝站乘車(chē)到工作面的時(shí)間由60min縮短到20min，且極大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；物料運(yùn)輸量由120t增加到480t；綜采工作面搬家倒面時(shí)間由90d縮短到30d[7]。

4.2 運(yùn)輸安全性提高

采用有軌、架空乘人和無(wú)軌混合輔助運(yùn)輸方式減少了轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)和人員的數(shù)量，間接提高了輔助運(yùn)輸?shù)陌踩?；避免了軌道運(yùn)輸系統(tǒng)中增加的輔助設(shè)施，減少了機(jī)械安全隱患；特別在工作面設(shè)備安撤運(yùn)輸中，隨著機(jī)械化程度的提高、工作面設(shè)備安撤時(shí)間縮短，安全管理難度明顯降低；同時(shí)減少了作業(yè)人員高強(qiáng)度作業(yè)時(shí)間，間接預(yù)防了人員傷亡事故的發(fā)生[8-11]。

5 結(jié) 論

1)在規(guī)劃煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)時(shí)，設(shè)備的設(shè)計(jì)不僅要依據(jù)運(yùn)輸量和外形尺寸等技術(shù)參數(shù)，而且要從煤礦的地質(zhì)狀況、運(yùn)輸效率等因素進(jìn)行全局考慮，特別是要考慮這幾種因素的相互影響。大傾角斜井開(kāi)拓煤礦采用架空乘人裝置和無(wú)軌膠輪車(chē)混合的人員運(yùn)輸方式、有軌和無(wú)軌快速換裝的物料及設(shè)備運(yùn)輸方式是必然選擇。

2)王坡煤業(yè)從有軌運(yùn)輸更改為無(wú)軌運(yùn)輸方式，設(shè)備及材料通過(guò)軌道平板車(chē)運(yùn)輸?shù)骄缀髶Q裝到無(wú)軌膠輪車(chē)上，根據(jù)設(shè)備及材料的種類(lèi)設(shè)計(jì)并配置最佳膠輪車(chē)型，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)到點(diǎn)”運(yùn)輸，形成了獨(dú)特的輔助運(yùn)輸工藝。由于煤礦的產(chǎn)能不大，工作面的設(shè)備載荷小，材料運(yùn)輸車(chē)的額定載荷在8t以下、設(shè)備搬運(yùn)車(chē)輛額定載荷在40t以下即可滿足使用需求，且無(wú)軌膠輪車(chē)外形尺寸及舉升最大高度可滿足巷道要求。

3)對(duì)擬采用架空乘人、有軌和無(wú)軌的混合輔助運(yùn)輸?shù)男本_(kāi)拓煤礦，井下巷道設(shè)計(jì)執(zhí)行《煤礦用防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)安全使用規(guī)范》(AQ 1064—2008)。在換裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮無(wú)軌與有軌的換裝要求，滿足換裝能力，保證有軌與無(wú)軌運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性、盡量實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。