單軌吊運(yùn)輸系統(tǒng)在大傾角副斜井改造中的應(yīng)用

宋永健

（江蘇省礦業(yè)工程集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221000）

1 礦井及項(xiàng)目概況

紅三溝煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州，始建于1986 年，是自治區(qū)煤炭工業(yè)“十五”結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃的礦井，原設(shè)計(jì)能力9 萬t/a。根據(jù)規(guī)劃要求，礦井按照1.2 Mt/a 生產(chǎn)能力進(jìn)行技術(shù)改造。

該礦井副斜井在B4 煤層頂板穿煤層布置，井口標(biāo)高為+1 631.2 m，井底標(biāo)高+1 500.0 m，斜長(zhǎng)為315 m，傾角25°，是礦井的安全出口之一。在地面安裝JTP-1.6纏繞式提升機(jī)一臺(tái)，采用礦車提升，主要承擔(dān)礦井設(shè)備、材料、矸石的輔助運(yùn)輸。

2 問題的提出

原副斜井因建井時(shí)間較長(zhǎng)，井下交岔點(diǎn)多、反坡多、運(yùn)輸環(huán)節(jié)多，地面廣場(chǎng)處于山溝內(nèi)，地方狹小，絞車房占用儲(chǔ)煤場(chǎng)等原因，根據(jù)技術(shù)改造設(shè)計(jì)，礦井輔助運(yùn)輸由絞車提升改為柴油機(jī)單軌吊提升。在整個(gè)改造過程中，25°大傾角成為輔助運(yùn)輸系統(tǒng)改造的難點(diǎn)，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定“柴油機(jī)單軌吊車運(yùn)行巷道坡度不大于25°”，而該副斜井已經(jīng)達(dá)到該規(guī)定的臨界點(diǎn)，面臨大傾角條件下的運(yùn)輸穩(wěn)定安全問題。

3 大傾角運(yùn)行條件下單軌吊機(jī)車的設(shè)備選型論證

根據(jù)礦井運(yùn)輸條件，礦井對(duì)單軌吊車運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備選型配置單軌吊柴油機(jī)車型號(hào)為DLZ210F 型10 驅(qū)機(jī)車。副斜井傾角為25°，礦井后續(xù)生產(chǎn)中工作面支架最大載重28.5 t，需對(duì)大傾角運(yùn)行條件下單軌吊機(jī)車進(jìn)行設(shè)備選型論證，從機(jī)車選型驗(yàn)算、牽引力理論計(jì)算、機(jī)車防滑計(jì)算、機(jī)車重載下坡時(shí)的制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離的核算[1]、功率驗(yàn)算等五個(gè)方面進(jìn)行說明。

3.1 機(jī)車選型驗(yàn)算

利用圖像分析方法進(jìn)行機(jī)車選型驗(yàn)算。

（1）圖1 是單軌吊柴油機(jī)車選型的標(biāo)準(zhǔn)曲線，每種機(jī)型的單軌吊機(jī)車有著不同的關(guān)系圖。煤礦運(yùn)輸要求最大載重28.5 t，最大為25°坡度，DLZ210F-10 驅(qū)柴油單軌吊機(jī)車（驅(qū)動(dòng)輪直徑355 mm），牽引力為275 kN，制動(dòng)力為504 kN，最大速度為4.5 km/h。

圖1 單軌吊機(jī)車牽引力、載重、關(guān)系速度圖

（2）由圖中標(biāo)為25°的斜直線在35 t（32 t 起吊梁自重3.8 t，其他1.2 t）載重軸相交點(diǎn)，即傾角為25°載總重35 t 時(shí)，所需牽引力為218 kN，而該單軌吊的最大牽引力為275 kN。

（3）圖線說明：① 右橫軸數(shù)值為除機(jī)車自重外其他設(shè)備貨物的重量之和（包括起吊梁、重物和其他設(shè)備）；② 斜線為單軌吊軌道傾角；③ 豎軸為對(duì)應(yīng)牽引力；④ 左橫軸為對(duì)應(yīng)速度；⑤ 上述曲線為實(shí)際實(shí)驗(yàn)曲線。

3.2 牽引力理論計(jì)算

單軌吊機(jī)車在25°副斜井上行，在運(yùn)送28.5 t重物時(shí)需用牽引力：

式中：F1為運(yùn)送重物牽引力，kN；P1為機(jī)車質(zhì)量，10 352 kg；P2為制動(dòng)車質(zhì)量，400 kg；P3為司機(jī)體重 2×75 kg；P4為32 t 起吊梁質(zhì)量，3800 kg；P5為最大件質(zhì)量，28 500 kg；P6為其他設(shè)備質(zhì)量，650 kg；ω為運(yùn)行時(shí)阻力系數(shù)，選取0.02；α為沿途最大傾角，25°。

將以上數(shù)據(jù)代入得：F1=189 kN 小于單軌吊機(jī)車最大牽引力275 kN，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)曲線所需牽引力都小于額定牽引力[2]。

3.3 機(jī)車防滑計(jì)算

所選單軌吊車，機(jī)型設(shè)計(jì)停車制動(dòng)和保險(xiǎn)制動(dòng)裝置均為失效安全型，在機(jī)車因故下滑等故障時(shí)，其裝置自動(dòng)抱死。

運(yùn)送28.5 t 重物時(shí)下滑力F2：

F2=（P1+P2+P3+P4+P5+P6）×（sinα-ωcosα）·g

計(jì)算得：F2=174 kN。

機(jī)車防滑系數(shù)K：

式中：K為防滑系數(shù)；FZ為機(jī)車制動(dòng)力，額定504 kN。

根據(jù)要求不小于2，滿足要求。

3.4 機(jī)車重載下坡時(shí)制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離核算[2]

經(jīng)上述計(jì)算，在副斜井運(yùn)行時(shí)，單軌吊機(jī)車運(yùn)輸液壓支架時(shí)所需牽引力為最大，最大荷載是運(yùn)輸液壓支架重量，最大傾角25°，其加速度和制動(dòng)距離計(jì)算如下：

式中：FZ為機(jī)車制動(dòng)力，額定504 kN；F0為列車運(yùn)行阻力；FG為慣性力；m為總重量43 852 kg；V為最大設(shè)計(jì)速度，2.75 m/s；a為制動(dòng)減速度，m/s2；s為制動(dòng)距離，m。

因此，單軌吊機(jī)車在最大傾角25°、最大荷載28.5 t 時(shí)以最大設(shè)計(jì)速度2.75 m/s 向下運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)距離為0.32 m，小于2 m/s·6 s=12 m，滿足要求。

3.5 功率驗(yàn)算

經(jīng)上述計(jì)算單軌吊車在礦井最大傾角25°向上運(yùn)輸載重28.5 t 的情況下，以最大速度0.38 m/s 運(yùn)行時(shí)，所需最大牽引力218 kN，所需功率為：

P=Fv=218×0.38=83 kW＜142 kW，滿足要求。

4 單軌吊軌道的安裝

4.1 礦井正常單軌吊軌道的安裝

（1）礦井軌道全部為I140 V 重軌，直軌長(zhǎng)度為2.4 m/根（如圖2），曲軌長(zhǎng)度為1.5 m/根。

圖2 礦井單軌吊安裝示意圖

（2）巖石巷道采用2 根錨桿固定吊掛板（托盤），煤層巷道以及進(jìn)入煤層段前后10 m 內(nèi)的巖巷均采用1 根錨桿加1 根錨索固定吊掛板。錨桿使用Ф22 mm×2500 mm 的全螺紋鋼等強(qiáng)金屬樹脂錨桿，樹脂藥卷錨固長(zhǎng)度不小于1100 mm，錨固深度不小于1800 mm，錨固力不小于120 kN/根，每根錨桿2 個(gè)螺帽。錨索采用13 m 長(zhǎng)、Ф17.8 mm 高強(qiáng)度、低松弛、1×7 鋼絞線錨索及配套的螺帽或鎖具，錨深不小于3 m，每根錨索上至少兩個(gè)鎖具，錨索錨固力不小于130 kN。如圖3。

圖3 正常單軌吊單鏈安裝示意圖

4.2 副斜井單軌吊軌道的安裝

（1）采用雙鏈吊掛形式，使用M20×100 mm的高強(qiáng)度螺栓將Ф18 mm×64 mm 礦用圓環(huán)鏈連接在吊掛板上[3]，兩根鏈條的另一端用U 型環(huán)鏈和高強(qiáng)螺栓連接至軌道吊掛點(diǎn)，吊鏈鉛垂偏角在15°～30°之間。工作面順槽使用單鏈吊掛，連接使用M20×100 mm 的高強(qiáng)度螺栓和Ф18 mm×6 mm 礦用圓環(huán)鏈以及懸掛板。如圖4。

圖4 副斜井段單軌吊雙鏈安裝示意圖

（2）防沖擊加固。為防止單軌吊機(jī)車在大傾角斜巷運(yùn)行過程中加速、停止、啟動(dòng)等過程中形成的沖擊，導(dǎo)致軌道出現(xiàn)大幅度橫向擺動(dòng)、縱向竄動(dòng)，在采用雙鏈吊掛形式的基礎(chǔ)上，施工防橫向偏擺橫拉裝置及防縱向竄動(dòng)緊固器，即每4 根軌安裝一組橫拉裝置，在軌道兩側(cè)均呈45°夾角向上下兩個(gè)方向，共使用4 根圓環(huán)鏈橫拉保護(hù)，軌道一側(cè)兩根鏈條夾角在90°左右[4]，在巷道變形量比較大的地方，斜拉固定中增加緊固器，一組橫拉裝置由4 個(gè)吊掛板、4 根鏈條構(gòu)成。

5 單軌吊運(yùn)行防超速防滾物保障措施

5.1 人工制動(dòng)及故障剎閘

駕駛室行使控制桿移到零位以及裝有球旋塞閥停車鈕子開關(guān)，此時(shí)通過液壓控制的制動(dòng)閥實(shí)施機(jī)車剎閘。單軌吊機(jī)車借用爪式制動(dòng)系統(tǒng)，履行停車制動(dòng)和安全制動(dòng)任務(wù)。制動(dòng)器工作為液壓機(jī)械原理，以彈簧力通杠桿傳動(dòng)來壓著制動(dòng)爪到懸浮軌道鋼軌腹板，通電控?fù)Q向閥及解除制動(dòng)閥來實(shí)現(xiàn)機(jī)車制動(dòng)的解除。機(jī)車運(yùn)行時(shí)電控?fù)Q向閥閉合制動(dòng)缸排氣，而以此允許機(jī)車制動(dòng)解除。當(dāng)機(jī)車出現(xiàn)故障，失去信號(hào)時(shí)制動(dòng)器回路將立即打開，為失效安全型，制動(dòng)裝置自動(dòng)抱死，立即剎車。

5.2 超速液壓自動(dòng)保護(hù)裝置

單軌吊機(jī)車配裝超速時(shí)的機(jī)械液壓保護(hù)裝置，該裝置置于機(jī)車動(dòng)力部分復(fù)合油箱上面位置的承載車上，由離心調(diào)速器及二位滑閥式換向閥組成，行駛速度超過9 km/h 的時(shí)速情況下離心調(diào)速器激活，而彈簧把滑閥式換向閥推移到第二閥位，由此允許制動(dòng)器回路排液口打開，流入油箱內(nèi)，而機(jī)車立即剎車。

5.3 超速機(jī)械自動(dòng)保護(hù)裝置

單軌吊機(jī)車在最前端安置BTS 制動(dòng)小車，是專門為防止斜巷軌道超速防打滑而設(shè)置的制動(dòng)保護(hù)裝置，在行駛速度超過9 km/h 的情況下，感應(yīng)閥塊換位，抱閘閘片抱死軌道鋼軌腹板，阻止機(jī)車運(yùn)行，防止運(yùn)輸設(shè)備及組件在軌道上溜車的獨(dú)立安全裝置。

5.4 防滾物傷人措施

（1）在副井斜巷行車時(shí)，巷道內(nèi)嚴(yán)禁行人，如果有人在巷道內(nèi)必須進(jìn)入躲避硐室，待機(jī)車通過斜巷后再行人，副井上下口及中部設(shè)置語(yǔ)音報(bào)警及紅燈警示裝置。

（2）正常裝運(yùn)物料時(shí)，不得超出礦車廂體，物料裝廂完成后，小件易滾落物料上覆擋網(wǎng)，經(jīng)跟車工確認(rèn)合格后方可掛車運(yùn)行，“四超”車輛制定專門措施。

（3）井上下口及中部設(shè)置感應(yīng)式密目安全立網(wǎng)，只有機(jī)車通過時(shí)安全網(wǎng)放下，平常處于常閉狀態(tài)防止?jié)L物傷人。

6 單軌吊與原絞車運(yùn)輸系統(tǒng)比較

6.1 生產(chǎn)組織方面

單軌吊運(yùn)輸系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：用人少，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸；參與運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備數(shù)量少，運(yùn)輸效率高；液壓支架等大件設(shè)備及材料可從地面或井下其他地點(diǎn)直接裝車轉(zhuǎn)運(yùn)到井下鋪設(shè)單軌吊的任何地點(diǎn)，并不需要重新摘掛鉤等中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，縮短工作面搬家倒面及其他物料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間；吊軌的平、豎曲線半徑小，可以簡(jiǎn)化井巷聯(lián)接工程；實(shí)現(xiàn)從井口至采掘工作面機(jī)械運(yùn)人，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度；布置靈活、安裝簡(jiǎn)便。單軌吊運(yùn)輸系統(tǒng)具有很好的技術(shù)推廣和應(yīng)用前景。

6.2 安全管理方面

從安全管理角度上，單軌吊機(jī)車具有機(jī)械超速保護(hù)功能，有效保證單軌吊車運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行。與絞車運(yùn)輸所采用的所有反坡均需安裝“一坡三擋”、防跑車設(shè)施及各類信號(hào)，安全管理簡(jiǎn)單化，更具可靠性。單軌吊車運(yùn)輸系統(tǒng)采用失效安全型制動(dòng)系統(tǒng)。

6.3 經(jīng)濟(jì)效益方面

運(yùn)行期間整個(gè)單軌吊運(yùn)輸車系統(tǒng)每個(gè)單軌吊機(jī)車僅安排一名單軌吊司機(jī)和一名把鉤工便能夠解決所有問題，可節(jié)省大量的勞動(dòng)力，減少人工支出；單軌吊軌道及起吊托盤、錨鏈等均可以回收重復(fù)使用；單軌吊運(yùn)輸系統(tǒng)還具有運(yùn)輸效率高、維護(hù)費(fèi)用低、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此具備很好的經(jīng)濟(jì)效益。