綜采用電牽引自移設(shè)備列車可行性方案探析

孫 強

（國家能源集團國神公司三道溝煤礦，陜西 榆林 719400）

2021 年陜西省發(fā)展和改革委員會、陜西省應(yīng)急管理廳、陜西煤礦安全監(jiān)察局聯(lián)合印發(fā)的《陜西省煤礦智能化建設(shè)智能（試行）》中要求，“煤礦智能化建設(shè)以煤礦安全生產(chǎn)、高產(chǎn)高效、綠色開采、智能開采、可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，以信息基礎(chǔ)設(shè)施、智能綜合管控平臺、災(zāi)害防治、安全管理、智能化采煤工作面、智能化掘進工作面、運輸系統(tǒng)、生產(chǎn)輔助系統(tǒng)、智能洗選系統(tǒng)為主要建設(shè)內(nèi)容，實現(xiàn)多源礦井信息的全面感知、動態(tài)修正、實時互聯(lián)、自主學(xué)習(xí)、聯(lián)機分析與決策、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制”。其中又對煤礦智能化綜采工作面建設(shè)提出了更為詳細的要求，要求智能化采煤通過采煤機、液壓支架、輸送機（含刮板式輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、可伸縮帶式輸送機）及電液動力設(shè)備等，形成具有自主感知、自主決策和自動控制運行的功能，能夠獨立完成煤炭開采作業(yè)。其中要達到智能化開采，實現(xiàn)減人、無人的智能化綜采工作面建設(shè)目標(biāo)，綜采設(shè)備列車的智能化升級改造是關(guān)鍵一環(huán)。

開發(fā)一種具有可靠動力來源，可自行走、自拐彎，具備多種控制形式的高可靠性、高智能化綜采用設(shè)備列車，我國已經(jīng)具備了相應(yīng)的實施條件。

1 現(xiàn)有2種綜采設(shè)備列車?yán)品绞降谋锥?/h2>

目前在煤礦綜采設(shè)備列車?yán)品矫嬷饕袀鹘y(tǒng)戧柱配合絞車牽引方式和邁步式設(shè)備列車牽引方式2 種拉移方式，該文對這2 種方式的操作方式及缺點進行簡要分析。

1.1 傳統(tǒng)戧柱配合絞車牽引方式

傳統(tǒng)戧柱配合絞車牽引方式正常使用時存在以下問題：1）拉移設(shè)備列車前，需要提前在列車前方敷設(shè)軌道并打設(shè)戧柱軌道作為列車的行走路線，戧柱作為拉移列車支點，設(shè)備列車牽引時將戧柱作為整個列車?yán)频某兄攸c，在提前敷設(shè)好的軌道上行走，敷設(shè)軌道和打設(shè)戧柱均需要多人配合，具有較高的危險性，實際工作中有因該項工作導(dǎo)致人員傷亡的情況發(fā)生。2）拉移設(shè)備列車時，由于列車在軌道上行走，受地板平直度、起伏坡度影響較大，易跑車掉道。綜采工作面回采即將結(jié)束列車末采過彎道時需要至少3 臺絞車輔助列車進行牽引。存在鋼絲繩斷裂崩人及設(shè)備列車跑車危險。3）綜采工作面搬家倒面時，需將設(shè)備列車全部拆分開搬運，到達新工作面后再重新組裝，即浪費人力又需要支付昂貴的列車搬運費用。4）采用絞車配合戧柱牽引設(shè)備列車時，為了使設(shè)備列車整體具備搬遷條件，工作面末采階段需要在采面布置上單獨開拓一條設(shè)備列車回撤通道，滿足列車回撤需要，增加了礦井的礦務(wù)工程費用支出。

1.2 邁步式設(shè)備列車牽引方式

邁步式設(shè)備列車牽引方式在正常使用時存在以下問題：1）邁步式設(shè)備列車?yán)品绞绞窃诿抗?jié)列車上加裝了一套液壓能動機構(gòu)[1]，整機液壓系統(tǒng)管線復(fù)雜，無形中在整個綜采工作面又多出了一套液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)日常更換、維護液壓管路、液壓油缸、控制閥組等工作量大，不符合國家減員增效和建設(shè)高產(chǎn)高效綜采工作面的要求。2）邁步式設(shè)備列車?yán)频膭恿υ从稍O(shè)備列車上的乳化液泵來提供[2]，正常拉移過程中需要開泵才可拉移設(shè)備列車，泵站的動力源來自設(shè)備列車自身上方的泵站電機-組合開關(guān)-移動變電站，整個拉移過程中不能停電。該牽引方式不符合新版《煤礦安全規(guī)程》第四百四十二條“井下不得帶電檢修電氣設(shè)備。嚴(yán)禁帶電搬遷非本安型電氣設(shè)備、電纜”的規(guī)定，存在較大安全隱患。3）使用邁步式設(shè)備列車時，需要在列車尾部安裝1 臺或1組互為支撐點的自移支架作為整個列車移動的支點，整個列車隨著綜采工作面的推采，以自移支架作為支點進行后退式的直線運動，不具備整車拐彎能力，在工作面末采期間，一方面會造成資源浪費另一方面列車整體維護量會加大，不利于綜采工作面整體安全管理。4）綜采工作面末采期間，由于邁步式設(shè)備列車不具備自行前移能力，需要整體拆卸后分節(jié)使用多功能車才可以搬運，搬運完到達新工作面又要進行組裝，費時費力，且作業(yè)過程中存在安全隱患。

在當(dāng)今國家的和行業(yè)要求煤礦綜合機械化采煤應(yīng)大力像智能化開采方向推進的環(huán)境下，上述2 種煤礦綜采用設(shè)備列車的牽引方式，已經(jīng)無法滿足高產(chǎn)高效綠色智能化綜采工作面建設(shè)需要，且這2 種方式在實際使用中也存在一系列弊端，嚴(yán)重制約著高產(chǎn)高效綜采工作面建設(shè)。該文為解決目前綜采工作面設(shè)備列車?yán)评щy和存在安全隱患的問題，特對無軌膠輪電牽引自移設(shè)備列車可行性進行探討、研究。

2 研究無軌膠輪電牽引自移設(shè)備列車的必要性

2.1 主要研究目標(biāo)

為了解決傳統(tǒng)設(shè)備列車?yán)品绞綆淼淖鳂I(yè)效率低下、人員勞動強度大、與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相違背、安全系數(shù)低等問題，擬研制一種電牽引無軌膠輪設(shè)備列車，整車行走拐彎靈活，制動駐車安全可靠，單車承載力大，牽引動力足，可爬12°以下的坡；搬家倒面時可整機或分段自行牽引，可實現(xiàn)就地、遙控及遠程控制等3 種操作方式，有效降低勞動強度和作業(yè)安全隱患，提高生產(chǎn)作業(yè)效率。

2.2 主要研究內(nèi)容

2.2.1 無軌膠輪設(shè)備列車整機牽引

在綜采設(shè)備列車頭部及中部每隔50m 設(shè)置一輛牽引車。設(shè)備列車由承載5t、10t、15t、30t 不等的38 節(jié)板車構(gòu)成，列車組牽引車采用膠輪式行走機構(gòu)，列車行走出現(xiàn)偏差能快速自動調(diào)整；列車有足夠大的牽引力和可靠制動性能；設(shè)備列車配套聲光報警裝置，在列車啟停運行過程中能夠自動報警，以防造成人員、設(shè)備損傷。

2.2.2 無軌膠輪設(shè)備列車整機拐彎

綜采工作面進入末采階段時，設(shè)備列車進入輔運大巷，需要多次轉(zhuǎn)彎90°，如何實現(xiàn)整套列車平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎及遠距離自行牽引，該文對列車動力源可靠性、轉(zhuǎn)彎半徑、連接裝置、轉(zhuǎn)彎裝置進行了可行性研究。

2.2.3 無軌膠輪設(shè)備列車控制系統(tǒng)的研究

為保障設(shè)備列車運行的安全性，確保行走過程中不翻車、不擠巷幫、不損害周圍設(shè)施設(shè)備，并且實現(xiàn)多牽引車牽引配合及互操作，主要完成上下坡、過彎道等多牽引車的牽引控制、制動控制、保護報警、狀態(tài)監(jiān)視等。設(shè)備列車需要具備就地控制、遙控控制、遠程控制等多個控制方式，并可為遠程無人操作提供端口，滿足遠程無人化作業(yè)要求。

3 研究無軌膠輪電牽引自移設(shè)備列車的理論支持

3.1 無軌電牽引自移設(shè)備列車動力控制系統(tǒng)

電牽引自移設(shè)備列車以設(shè)備列車自帶315kVA、660V 移動變電站配合牽引車鋰電池充電，鋰電池驅(qū)動牽引車行走的方式來為行走提供動力。目前礦用660V 鋰電池牽引技術(shù)已經(jīng)比較成熟，鋰電池驅(qū)動技術(shù)具有綠色環(huán)保、安全性能高、動力性能強、續(xù)航里程長、信息化程度高、運行成本低等特點，鋰電池驅(qū)動礦用無軌膠輪車得到成功應(yīng)用，因此該項目牽引車組采用鋰電池驅(qū)動無軌膠輪電牽引方式。整車牽引重量需要達到目前設(shè)備列車整車最大重量160t 的牽引要求，按照整節(jié)列車分布4 臺牽引車計算，每臺牽引車牽引重量為40t。目前鋰電池驅(qū)動技術(shù)可滿足使用要求。

3.2 無軌電牽引自移設(shè)備列車行走方式

電牽引自移設(shè)備列車在正常行走過程中由第一節(jié)牽引車控制整個列車方向，整個列車全部采用硬連接形式，牽引車采用紅外對準(zhǔn)調(diào)偏技術(shù)，即在列車端設(shè)置有發(fā)射器，列車前100m 參考順槽皮帶設(shè)置一個中心點安裝紅外線接收器，行走過程中可實現(xiàn)紅外自調(diào)偏功能，使列車始終保證直線行走。

3.3 無軌電牽引自移設(shè)備列車末采階段拐彎技術(shù)

當(dāng)綜采工作面進入末采階段后，電牽引自移設(shè)備列車可將列車與列車的連接方式改為卡銷連接，使車與車之間具有一定的拐彎半徑。牽引車拐彎后帶動其余車輛拐彎。當(dāng)列車拐彎遇到困難時，可由設(shè)置在列車中部的其余牽引車提供二次動力，滿足后半部列車拐彎要求。

3.4 無軌電牽引自移設(shè)備列車制動及阻車系統(tǒng)

設(shè)備列車牽引機構(gòu)采用膠輪車驅(qū)動方式，技術(shù)成熟，但礦井條件下的防滑及制動問題較為突出，將成為影響設(shè)備列車安全運行的技術(shù)瓶頸。履帶式行走機構(gòu)廣泛應(yīng)用于工程機械、礦山機器人等行走機構(gòu)中，并且對煤礦綜采工作面工況條件有較好的適應(yīng)性。因此可以考慮列車組牽引車采用膠輪式行走機構(gòu)，承載5t、10t、15t、30t 不等的38 節(jié)板車采用履帶式行走機構(gòu)。履帶式行走機構(gòu)抓地能力強、地面適應(yīng)度高、承載重量大可滿足設(shè)備列車在井下環(huán)境使用。

3.5 無軌電牽引自移設(shè)備列車的牽引力實際測試

以三道溝煤礦為例，三道溝煤礦85207 綜采工作面采高7m，設(shè)備列車共36 節(jié)、全長150m，重量見表1。

表1 三道溝煤礦85207 綜采工作面設(shè)備列車尺寸及重量匯總表

可以看出，該工作面設(shè)備列車總重為134.7t，目前世界最大采高為8.8m 綜采工作面，設(shè)備列車總重在此基礎(chǔ)上上浮20%，為160t。而電牽引自移設(shè)備列車的牽引車最大牽引力為4411kN，完全可以滿足列車在近水平及坡度12°左右的巷道上下山牽引要求。

3.6 無軌電牽引自移設(shè)備列車末采拐彎優(yōu)點

無軌電牽引自移設(shè)備列車在整車身四周裝有測距傳感器，滿足狀態(tài)監(jiān)視功能需要，當(dāng)設(shè)備列車拐彎時提前在牽引車控制電腦上設(shè)定列車行走軌距。其他從動車根據(jù)設(shè)定好的行走軌距緩慢前行?？蛇_到整車平穩(wěn)拐彎作業(yè)。

3.7 無軌電牽引自移設(shè)備列車控制方式

電牽引設(shè)備列車整車采用電液復(fù)合式控制方式，可實現(xiàn)設(shè)備列車的以下控制功能。

3.7.1 就地控制

通過電液控制子系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備列車的就地控制、獨立控制、成組控制及其集中控制。

3.7.2 遙控操作

控制器通過RS232 接口配置1 個無線接收器，遙控器通過無線接收器接入控制系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備列車控制系統(tǒng)的全功能遙控操作。

3.7.3 遠程控制

在設(shè)備列車電液控制子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)順槽控制中心對設(shè)備列車的遠程控制。

綜上所述，在現(xiàn)有技術(shù)水平基礎(chǔ)上，筆者開發(fā)一種無軌膠輪電牽引自移設(shè)備列車完全可行。

4 無軌膠輪電牽引自移設(shè)備列車投用效益預(yù)測

4.1 對比目前2種列車牽引方式的優(yōu)點

4.1.1 對比戧柱配合絞車牽引設(shè)備列車的方式

對比戧柱配合絞車牽引設(shè)備列車的方式，無軌膠輪電牽引設(shè)備列車采用無軌膠輪電牽引的行走形式，動力源來自列車自身上的防爆鋰電池，在拉移設(shè)備列車前，不需要提前在列車前方敷設(shè)軌道并打設(shè)戧柱做為拉移列車支點，大大減少了作業(yè)人員的勞動危險性和勞動強度；對比戧柱配合絞車牽引設(shè)備列車的方式，無軌膠輪電牽引設(shè)備列車采用無軌形式，列車不需要在軌道上行走，不受地板平直度、起伏坡度影響，無跑車掉道危險，末采期間可自行拐彎行走，不需要額外增加外置絞車牽引動力；對比戧柱配合絞車牽引設(shè)備列車的方式，無軌膠輪電牽引設(shè)備列車在列車的前部、中部、后部都可安裝牽引動力車，故在搬家倒面期間無須將列車拆解開，可一次性直接自行拉往型工作面，即減少了人力浪費又節(jié)約了昂貴的搬運費用；對比戧柱配合絞車牽引設(shè)備列車的方式，無軌膠輪電牽引設(shè)備列車可自行拐彎，不需要在采面布置上單獨開拓1 條設(shè)備列車回撤通道，有效減少了礦井礦務(wù)工程費用支出。

4.1.2 對比邁步式設(shè)備列車牽引方式

對比邁步式設(shè)備列車牽引方式，無軌膠輪電牽引設(shè)備列車采用設(shè)置在列車上的防爆鋰離子電池作為動力，不需要像邁步式牽引方式一樣在每節(jié)列車上加裝了1 套液壓能動機構(gòu)，就避免了液壓動力系統(tǒng)的日常更換、維護液壓管路、液壓油缸、控制閥組等工作，提高了工作效率；對比邁步式設(shè)備列車牽引方式，無軌膠輪電牽引設(shè)備列車牽引方式的動力源來自設(shè)備列車自身的防爆鋰離子電池，不需要像邁步式牽引方式一樣依靠列車上的乳化泵提供動力，不會違反《煤礦安全規(guī)程》第四百四十二條“井下不得帶電檢修電氣設(shè)備。嚴(yán)禁帶電搬遷非本安型電氣設(shè)備、電纜”的規(guī)定；對比邁步式設(shè)備列車牽引方式，無軌膠輪電牽引設(shè)備列車采用設(shè)置在列車上防爆鋰離子電池作為列車行走動力，無須像邁步式一樣在列車尾部安裝一臺或1 組互為支撐點的自移支架作為整個列車移動的支點。并且可自由拐彎，較大程度提高了綜采工作面的整體安全管理水平；與邁步式設(shè)備列車牽引方式相比，無軌膠輪電牽引設(shè)備列車具備自行前移能力，在工作面搬家倒面期間不需要整體拆卸后分節(jié)使用多功能車搬運，大大降低了搬家倒面期間的設(shè)備搬運量。

4.2 使用無軌膠輪電牽引設(shè)備列車后的各種效益測算

4.2.1 安全效益

電牽引無軌膠輪設(shè)備列車投用將有效解決綜采工作面設(shè)備列車?yán)迫肆Α⑽锪ν度氪蠹袄圃O(shè)備列車存在安全隱患等問題。另外，電牽引自移設(shè)備列車的研制，可實現(xiàn)每天移動一次設(shè)備列車，大大降低了作業(yè)人員的勞動強度，避免了綜采工作面末采期間過彎道拆卸設(shè)備列車的工作量，提高了工作效率。

4.2.2 時間效益

電牽引無軌膠輪設(shè)備列車實現(xiàn)了設(shè)備列車自動前移功能，不再需要人工拆卸、鋪設(shè)軌道以及頻繁登高作業(yè)打設(shè)戧柱。搬家倒面時列車可整體自行牽引到新工作面，節(jié)省了大量作業(yè)時間，時間效益明顯。

4.2.3 經(jīng)濟效益

電牽引無軌膠輪設(shè)備列車投入使用后，每個工作面可節(jié)省人工投入10 人，直接人工費用節(jié)省80～100 萬元。無須在列車上安裝絞車、工作面安裝及搬家倒面期間無需分開搬運設(shè)備列車，每個工作面材料成本及搬家費用支出將節(jié)省約50萬元。合計每個工作面可減少資金投入137 萬元。

4.2.4 創(chuàng)新及推廣效益

電牽引無軌膠輪設(shè)備列車實用性強、創(chuàng)新點高，所有井工煤礦特別是在礦區(qū)條件較好，自動化水平較高的綜采工作面應(yīng)用價值極高，推廣前景廣闊。該裝置在綜采工作面推廣使用成功后，在連采工作面及其他使用后配套設(shè)備列車的井下工作地點都可推廣使用。

5 結(jié)論

綜上所述，在現(xiàn)有技術(shù)水平條件下，開發(fā)一種煤礦用無軌膠輪電牽引自移設(shè)備列車已具備實施條件，采用電牽引無軌膠輪設(shè)備列車可實現(xiàn)綜采工作面正常生產(chǎn)期間設(shè)備列車直線行走、工作面末采區(qū)間設(shè)備列車自由拐彎、無人遠程拉移設(shè)備列車等功能，可減少作業(yè)人員勞動強度，降低綜采工作面拉移設(shè)備列車作業(yè)風(fēng)險，增強綜采拉移設(shè)備列車作業(yè)安全可靠性，提高綜采工作面智能化水平，符合國家建設(shè)綠色智能高產(chǎn)高效綜合機械化綜采工作面相關(guān)政策要求。