緩坡副斜井會車硐室設(shè)置間距及規(guī)格探討

劉 亮

(中投咨詢有限公司，北京 100034)

隨著煤炭工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的大型礦井輔助運輸方式采用無軌膠輪車，并已成為礦井輔助運輸方式的發(fā)展趨向之一[1]。采用無軌膠輪車運輸方式，具備運輸靈活、連續(xù)直達(dá)等優(yōu)點，其缺點為無軌膠輪車的長、寬尺寸相對較大，需要井筒、巷道凈斷面具有足夠的寬度和高度以滿足通行需要。為了降低井筒基建投資通常采用單車道雙向通行方式，但井巷通行能力也受到一定的制約。為了解決長距離緩坡斜井單車道雙向通行面臨的運輸能力不足的問題，通常在井筒中間設(shè)置會車硐室，以提升井筒通行能力。

目前除了《煤礦斜井井筒設(shè)計規(guī)范》(GB 50415—2017)對緩坡斜井會車硐室的寬度、長度參數(shù)提出相應(yīng)要求外，其他煤礦相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對于緩坡斜井通行能力計算方法、會車硐室設(shè)置間距等并未作出明確規(guī)定，故如何合理確定會車硐室的間距，也需要進(jìn)行深入的思考和研究。本文結(jié)合國投哈密一礦的具體工程實例，對會車硐室設(shè)置間距、斷面參數(shù)等進(jìn)行探討，以尋求緩坡斜井會車硐室設(shè)置方案的合理解決途徑，供煤礦設(shè)計單位和建設(shè)單位等進(jìn)行借鑒和參考。

1 工程概況

國投哈密一礦礦井設(shè)計生產(chǎn)能力1200萬t/a，礦井采用斜井開拓方式，投產(chǎn)時布置主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井。其中，副斜井采用緩坡斜井，井筒最大傾角5.5°，井筒全長2470m，凈寬5.6m，凈高4.2m，凈斷面積20.2m2，擔(dān)負(fù)礦井全部輔助提升任務(wù)，兼作進(jìn)風(fēng)井和安全出口。當(dāng)?shù)V井達(dá)到1200萬t/a生產(chǎn)能力時，設(shè)計布置2個回采工作面、2個普掘工作面和4個綜掘工作面，最大班輔助運輸量為43車[2-4]。

副斜井井筒內(nèi)采用無軌膠輪車單車道雙向行駛。井口標(biāo)高+546m，落底標(biāo)高+310m。在井筒+400m、+350m標(biāo)高設(shè)置兩個交岔點，分別與3煤、5煤北翼輔運大巷貫通；井筒落底+310m標(biāo)高后，布置交岔點與7煤北翼輔運大巷貫通。各交岔點與井口、井底的間距詳見表1。除兩個中部交岔點外，井筒中部未設(shè)會車硐室。

表1 副斜井交岔點設(shè)置情況

2 副斜井會車硐室設(shè)置間距

對于緩坡斜井通行能力的計算，規(guī)程、規(guī)范及以往設(shè)計中尚未有成熟、定型的計算公式，而緩坡斜井運輸系統(tǒng)也不同于地面公路運輸中雙車道通行能力計算，需結(jié)合煤礦緩坡斜井運輸?shù)奶攸c進(jìn)行確定。

2.1 經(jīng)驗公式一

2.1.1 原理及使用條件

根據(jù)《梅花井煤礦2號副斜井通行能力論證》[5]，采用式(1)計算井筒通行能力。文獻(xiàn)[5]中原公式車輛會讓時間a取0.5min，經(jīng)過調(diào)研現(xiàn)有煤礦使用無軌膠輪車的實際情況，本次調(diào)整為a=2min。

式中，Q單為車輛在井筒第i個區(qū)間運行時通過次數(shù)，次；T為車輛運行總時間，取4.5h/班；Li為第i個區(qū)間井筒長度，m；Vi為車輛在第i個區(qū)間的運行速度，取250m/min；k為車輛運行不均衡系數(shù)，取1.3；a為車輛在井口或井底的會讓時間，min。

經(jīng)驗公式一原理為：車輛的一次完整通行包括無軌膠輪車在井筒內(nèi)往返運行和會車組成，以車輛運行時間內(nèi)所能通過的車輛總次數(shù)，作為井筒的通行能力。該公式適用于包括支架搬運車之內(nèi)的各類無軌膠輪車的通行計算，不受車輛種類的限制。局限性為：設(shè)定井筒內(nèi)只通行一輛車，忽略了實際生產(chǎn)中可以幾輛車同向同時運行的情況，因此計算結(jié)果偏小。

2.1.2 計算過程及結(jié)果

當(dāng)?shù)V井達(dá)到井下最大班運量43車時，根據(jù)式(1)進(jìn)行反推計算得出：Li=353m，即副斜井會車硐室設(shè)置間距為353m。需要在副斜井設(shè)置5個會車硐室，其中，在井口至+400m交岔點區(qū)間內(nèi)設(shè)置4個會車硐室，每個會車硐室的間距在320m左右。在+400m交岔點至+350m交岔點區(qū)間內(nèi)設(shè)置1個會車硐室，位于區(qū)間中點附近，全井筒劃分為8個區(qū)間。

2.2 經(jīng)驗公式二

2.2.1 原理及使用條件

經(jīng)驗公式二根據(jù)《緩坡副斜井錯車硐室設(shè)置方式及間距研究》及物體加速、減速、勻速運動的物理學(xué)基本公式等[6-8]推導(dǎo)而成，采用化繁為簡的方式，對每一步驟、參數(shù)單獨進(jìn)行推導(dǎo)計算，以便于理解和優(yōu)化調(diào)整。

經(jīng)驗公式二原理為：從無軌膠輪車單車道運行的基本特征出發(fā)，根據(jù)每班的輔助運輸量確定由地面往井下發(fā)車的頻率，在此期間所有下行運料(人)車輛均按預(yù)定頻率進(jìn)行發(fā)車，車輛沿井筒勻速魚貫而行，不受對向車輛會讓影響，以保障井下所需物料全部到位。與此同時，從井下采掘工作面等地點返回的車輛在井底車場等候，選擇下行車輛駛出井筒的空檔時間上行，在與下一輛下行車輛相遇時駛?cè)霑図鲜?，待會車過后駛出硐室繼續(xù)上行，直至駛出井筒到達(dá)地面。

該經(jīng)驗公式需推算出上行車輛與下行兩輛膠輪車相遇的時間間隔，結(jié)合車輛運行的速度計算出上行車輛在該時間段內(nèi)所能行駛的距離，以此作為會車硐室的設(shè)置間距[6-8]。

經(jīng)驗公式二適用于普通材料車、人車的通行能力計算，局限性為：不適用于支架搬運車的通行計算，因為支架搬運車運行時一般不允許進(jìn)行會車，且下行車輛必須按照均勻的頻率下井，運行速度需保持不變，否則會車位置與硐室的位置不一致，造成無法會車。

2.2.2 計算過程及結(jié)果

1)無軌膠輪車運行密度：

Qd=K1K2Q/T

(2)

式中，Qd為單向最大小時流量，輛/h；K1為無軌膠輪車臨時加開系數(shù)，取1.15；K2為車輛運行不均衡系數(shù)，取1.20；Q為井下最大班運輸量，取43車/班；T為輔助提升時間，取4.5h/班。

經(jīng)式(2)計算得：Qd=13.2輛/h，取13輛/h。

2)會車硐室間距：在確定會車硐室間距時，假設(shè)井筒內(nèi)無軌膠輪車服從均勻分布，兩個會車硐室之間車輛會讓場景模型為：無軌膠輪車A位于第一個會車硐室內(nèi)等待對向無軌膠輪車B駛過后加速行駛出會車硐室，正常平穩(wěn)運行一段時間，遇到對向另一無軌膠輪車C后進(jìn)行第二次會車，減速駛?cè)氲诙€會車硐室。井筒會車模型如圖1所示。兩個會車硐室之間的距離即為會車硐室的最大間距[9-12]。

圖1 會車模型

由圖1可知，會車硐室間距為無軌膠輪車加速運行距離、平穩(wěn)運行距離、減速運行距離之和，車輛加、減速運行距離可按式(3)、式(4)計算[13，14]：

工況一：加速運行距離。

式中，L加為車輛(A車)加速運行的距離，m；a0為車輛平均行駛加速度，取2.5m/s2；t0為車輛加速時間，t0=V0/a0=1.67s，其中，V0為車輛正常行駛速度，取4.17m/s。

經(jīng)式(3)計算[9-11]：L加=3.49m。

工況二：減速運行距離。

式中，L減為車輛(A車)減速運行距離，m；t1為駕駛員的感知反映時間，取2.5s；t2為發(fā)動機(jī)減速時間，取2.0s；a1為發(fā)動機(jī)減速度，取1.8m/s2；a2為制動器減速度，取2.5m/s2；t3為制動時間，即車輛由發(fā)動機(jī)減速后的速度，再次減速為0所需要的時間，取t3=0.228s。

經(jīng)式(4)計算得：L減=15.23m。根據(jù)計算結(jié)果，無軌膠輪車加速運行距離為3.49m，減速運行距離為15.23m。

工況三：平穩(wěn)運行距離。若要計算無軌膠輪車平穩(wěn)運行距離，首先要確定其平穩(wěn)運行時間，車輛平穩(wěn)運行時間可通過車輛與對向兩個車輛相遇的時間間隔，減去加、減速時間得出。而車輛相遇的時間間隔取決于對向兩輛車之間的間距、對向車輛運行速度和本車運行速度。可按下式推導(dǎo)計算：

本車輛(A車)加速、減速的時間和t為：t=6.40s。

對向兩輛車的間距為發(fā)車時間乘以車輛速度，即：L間=1571m。

由于在本車輛加速、減速的期間內(nèi)，對向車輛仍在平穩(wěn)運行，因此，在本車輛加速、減速的同時，對向車輛平穩(wěn)運行的距離為：L對平1=V0×t=25.02m。式中，L對平1為在本車輛(A車)加速、減速時對向車輛(C車)平穩(wěn)運行的距離，m。

另外，在實際情況中，不可能做到兩輛相向運行的車輛之間實現(xiàn)行駛期間的無縫銜接會車，本車輛到達(dá)會車硐室后，一般都會等候?qū)ο蜍囕v一段時間，在此取1min，在此之后本車輛啟動并行駛出會車硐室。在等候期間，對向車輛行駛的距離為：L對平2=V0×t4=250.2m。式中，L對平2為本車輛(A車)等候時對向車輛(C車)平穩(wěn)運行的距離，m；t4為本車輛(A車)等候時間，s。

則兩輛車輛同時平穩(wěn)運行的總距離為：

L平=L間-L加-L減-L對平1-L對平2

(5)

式中，L平為兩對向行駛的車輛同時平穩(wěn)運行的總距離，m；L間為在設(shè)定條件下，兩同向行駛車輛的間距，m。

會車硐室之間的最大距離為：

L會硐=L加+L減+L本平

(6)

式中，L會硐為兩個會車硐室之間的距離，m；L本平為本車輛(A車)平穩(wěn)運行的距離，m。

經(jīng)計算，L會硐=L加+L減+L本平=657.23m。

根據(jù)計算結(jié)果，會車硐室的設(shè)置間距為657m，需要在副斜井設(shè)置2個會車硐室，會車硐室設(shè)置間距為535m，均設(shè)置在井口至+400m交岔點區(qū)間之內(nèi)，全井筒劃分為5個區(qū)間。

2.3 分析比較

通過計算可知，采用公式一計算的會車硐室間距為353m，設(shè)置5個會車硐室；而采用公式二計算的會車硐室間距為657m，僅需設(shè)置2個會車硐室。經(jīng)分析，無論是公式一還是公式二均設(shè)定為同一區(qū)間內(nèi)同時運行的車輛只有1輛。

公式一以車輛運行時間為計算依據(jù)，考慮了全部車輛返程所需要的時間，優(yōu)點是計算過程簡單易懂，對井筒運輸調(diào)度要求較低；缺點是計算結(jié)果偏保守，結(jié)果數(shù)據(jù)僅為井筒最小通行能力，所設(shè)置的會車硐室數(shù)量較多。

公式二以路程和速度為計算依據(jù)，優(yōu)點是充分考慮了車輛會讓導(dǎo)致的加速、減速、等候等因素，充分發(fā)揮了井筒的通行能力，會車硐室設(shè)置數(shù)量較少，計算結(jié)果更加貼近煤礦生產(chǎn)實際情況；缺點是計算過程較復(fù)雜，對井筒運輸調(diào)度、車輛駕駛等要求較高。

3 會車硐室規(guī)格參數(shù)

3.1 硐室寬度

會車硐室的尺寸根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》《煤礦巷道斷面和交岔點設(shè)計規(guī)范》《煤礦井下輔助運輸設(shè)計規(guī)范》《煤礦斜井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》等確定[2，3，14-16]。按式(7)計算：

B硐=b1+b1+b3+b4+b5

(7)

式中，B硐為會車硐室斷面寬度，m；b1為雙向運行的車輛寬度，按WC8E型車輛寬度取2.34m；b3為人行道寬度，取1.3m；b4為兩輛車之間的距離，取0.5m；b5為車輛與巷道側(cè)幫的最小間距，取0.5m。

經(jīng)計算，會車硐室寬度為7m。

考慮到支架搬運車的寬度一般為3.5m，鑒于支架搬運車的運行頻率較低，故搬運支架時不再考慮行人需要，且在礦井實際生產(chǎn)過程中一般不允許兩輛支架搬運車進(jìn)行會車，故按一輛材料車和一輛支架搬運車進(jìn)行會車考慮硐室的寬度，其中材料車在硐室內(nèi)?？浚Ъ馨徇\車正常行駛。車輛與井筒側(cè)幫的間距按0.5m考慮，此時需要的硐室寬度為：

B硐=b1+b2+b4+b5+b5=7.34m

式中，b2為支架搬運車的寬度，取3.5m。

經(jīng)計算，會車硐室側(cè)幫之間的最小寬度為7.34m，考慮到硐室拱部與運輸設(shè)備之間也需保證0.5m的安全間隙，硐室寬度需取值7.5m，在井筒正常段基礎(chǔ)上加寬1.9m。

3.2 硐室長度

根據(jù)《煤礦斜井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》(GB 20415—2017)要求[14]，會車硐室的長度等于或大于車長的2倍，材料運輸車輛的長度一般在5.7～7.6m之間，故硐室總長度取值15.2m。由于車輛的轉(zhuǎn)向運行近似于圓周形運動，若漸變段采用曲線漸變將會大大增加施工難度，且不利于與井筒連接處的支護(hù)。因此會車硐室漸變段采用直線漸變，為便于支護(hù)施工和減少漸變段的工程量，漸變段與正常段夾角取45°，故單側(cè)漸變段長度為1.9m，由此確定硐室直線段長度為11.4m。

3.3 硐室斷面及支護(hù)

設(shè)計會車硐室同樣采用半圓拱形斷面，其凈寬7500mm，凈高5150mm，凈斷面積約32.58m2，參考副斜井的支護(hù)方式，表土段及基巖破碎段的會車硐室采用鋼筋混凝土支護(hù)方式，鋼筋規(guī)格、間排距同井筒一致，澆筑混凝土厚度為600mm，強(qiáng)度等級為C35，基巖段會車硐室采用“錨索+錨桿+混凝土”聯(lián)合支護(hù)方式。錨索采用?15.24mm×10000mm，間排距為2400mm×3200mm，錨桿采用與井筒相同的規(guī)格、間排距，澆筑混凝土強(qiáng)度等級為C30，厚度為600mm，鋪底混凝土強(qiáng)度、厚度與井筒正常段一致[16，17]。會車硐室布置如圖2所示。

圖2 會車硐室布置(mm)

4 結(jié) 論

對于緩坡斜井無軌運輸會車硐室的長度、斷面尺寸，規(guī)程、規(guī)范均作出明確的規(guī)定，比較容易確定，但硐室設(shè)置間距尚未進(jìn)行明確規(guī)定。本文在總結(jié)以往專家、工程技術(shù)人員設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)優(yōu)化后提出兩種計算公式。

1)公式一考慮了車輛下井和上井的運行時間，以往返一次所需要的時間為基礎(chǔ)計算工作時間內(nèi)的通行車次，作為井筒的通行能力，再以井下運輸量反推區(qū)間的最大長度，以此確定會車硐室的間距。該公式具有計算過程簡單、易于理解的特點；但按同一時間段內(nèi)同一區(qū)間只運行一輛車考慮，計算結(jié)果偏小，導(dǎo)致會車硐室的數(shù)量偏多，基建工程量和投資偏大。

2)公式二在確定井筒通行能力時僅考慮下井車輛，由井下采掘地點返回的車輛利用下行車輛之間的距離擇機(jī)上行，在相遇地點設(shè)置會車硐室，上行車輛駛?cè)腠鲜疫M(jìn)行會車。該公式從運行距離、速度等方面進(jìn)行考慮，需要計算出上行車輛加速距離、減速距離等各項參數(shù)，計算步驟較多，過程較為復(fù)雜。但是依此模型計算得出的會車硐室數(shù)量比公式一少。

3)以國投哈密一礦為例，按公式一的計算結(jié)果需要布置5個會車硐室；而按公式二的計算結(jié)果僅需布置2個會車硐室，基建工程量和投資均大幅降低。但是對運行調(diào)度提出了更高的要求，即下行車輛必須按照預(yù)定的頻次、速度均勻行車，上行車輛也需按預(yù)定的速度行進(jìn)，否則相遇地點可能錯過會車硐室所在的位置。

4)無軌運輸作為未來煤礦輔助運輸?shù)陌l(fā)展方向之一，在運輸設(shè)備朝著智能化、自動化發(fā)展的同時，也會面臨長距離緩坡斜井通行能力不足帶來的制約。而會車硐室可以有效提升緩坡斜井通行能力，防止運輸事故發(fā)生。合理確定會車硐室的設(shè)置間距、硐室長度和斷面尺寸，對于提升井筒通行能力，保障礦井輔助運輸安全，降低基建工程量和建設(shè)投資均具有重要的實際意義。