渭北松軟煤層開采輔助運輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

楊彥宏

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120)

渭北石炭二疊紀煤田是陜西省五大煤田之一，澄合礦區(qū)位于渭北煤田的中段，該區(qū)域煤層松軟，開采技術(shù)條件復雜，區(qū)內(nèi)礦井輔助運輸效率普遍較低。西卓煤礦為澄合礦區(qū)新建礦井，建設(shè)規(guī)模3.0Mt/a，2009年開始動工，2014年停工整頓，原設(shè)計為節(jié)省投資，主要生產(chǎn)系統(tǒng)力求節(jié)約，輔助運輸采用蓄電池電機車+無極繩連續(xù)牽引車運輸方式。2019年礦井開始恢復建設(shè)，建設(shè)單位重新定位礦井建設(shè)理念，傾力打造渭北復雜地質(zhì)條件智能化精準開采綠色高產(chǎn)高效示范礦井。為提高礦井輔助運輸效率，針對礦井松軟煤層開采條件，在已完工程基礎(chǔ)上，對輔助運輸系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，力求高效集約，運行穩(wěn)定。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

西卓煤礦位于澄合礦區(qū)東部，行政區(qū)劃屬合陽縣城關(guān)鎮(zhèn)管轄，由陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司開發(fā)建設(shè)。井田面積33.4178km2，地質(zhì)資源量287.01Mt，主要可采煤層4、5號煤層，煤類為變質(zhì)程度較高的貧煤類。煤層瓦斯含量低，瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井，II類自燃，煤塵具有爆炸危險性，水文地質(zhì)條件復雜，頂?shù)装逯械确€(wěn)定，大部處于一級熱害區(qū)，局部處于二級熱害區(qū)。

1.2 井田開拓布置現(xiàn)狀

礦井采用立井開拓，初期在工業(yè)場地布置主立井、副立井和回風立井，后期風井場地布置進、回風立井。由于4、5號煤層間距較近，設(shè)計采用4、5號煤層聯(lián)合布置，分盤區(qū)設(shè)置盤區(qū)巷道。根據(jù)通風、輔助運輸要求，盤區(qū)巷道共設(shè)5條，分別為一盤區(qū)1、2號輔助運輸巷、1、2號回風巷和運輸巷。全井田劃分為4個盤區(qū)。

目前，礦井部分工程已完工，井底環(huán)形車場已形成，部分硐室已施工完成，副井提升系統(tǒng)、排水設(shè)備、主通風機等大型固定設(shè)備已安裝。

2 礦井輔助運輸條件

1)地層及煤層傾角。井田地層為傾向北西、具波狀起伏的單斜構(gòu)造。產(chǎn)狀平緩，地層及煤層傾角一般4°～9°。淺部局部區(qū)域5°～9°，其他區(qū)域均為近水平。

2)煤層條件。主要可采煤層4、5號煤層，4號煤層平均可采厚度0.80～3.23m，平均1.65m，個別鉆孔含1層夾矸，夾矸厚度0.1～0.2m。5號煤層可采厚度1.97～8.59m，平均5.15m，含1～3層夾矸，夾矸厚度0.2～0.6m。4、5號煤層間距4.50～11.90m。煤層松軟，根據(jù)測試結(jié)果，煤層普氏系數(shù)0.4左右。

3)輔助運輸巷頂?shù)装鍘r性。礦井投產(chǎn)時開采4、5號煤層，由于煤層間距較小，盤區(qū)巷道采用聯(lián)合布置，根據(jù)通風、輔助運輸要求，盤區(qū)巷道共設(shè)5條，分別為一盤區(qū)1、2號輔助運輸巷、1、2號回風巷和膠帶運輸巷。其中，1、2號輔助運輸巷沿4號煤層頂板掘進，為半煤巖巷。巷道頂板為粉砂巖頂板，屬半堅硬巖石，中等穩(wěn)定不易冒落，巷道底板為4-5煤層間夾層，多為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖，中等穩(wěn)定。

4)初期開采最遠運輸距離。初期開采一盤區(qū)，盤區(qū)巷道長度2550m，工作巷最大長度2950m，輔助運輸最遠運輸距離6000m。

5)輔助運輸最大件參數(shù)。礦井最大件重量、尺寸等參數(shù)影響輔助運輸系統(tǒng)設(shè)計。通常，液壓支架為礦井輔助運輸?shù)淖畲蠹?。投產(chǎn)時，礦井在4、5號煤層各布置綜采工作面。5煤大采高綜采工作面選用ZY10000/25.5/55型掩護式液壓支架，支撐高度2.55～5.5m，工作阻力10000kN，重量30t，運輸尺寸(長×寬×高)7975mm×1660mm×2550mm。4煤綜采工作面選用ZY4000-9/19型掩護式液壓支架，支撐高度0.9～1.9m，工作阻力4000kN。重量暫按20t，運輸尺寸5300mm×1 430mm×900mm。

6)提升罐籠尺寸。該礦井采用立井提升，副井筒直徑8.2m，井深620.8m，裝備2套非標設(shè)計的罐籠+平衡錘提升容器。寬罐籠6810mm×2000mm×4200mm(2200)，窄罐籠5810mm×1400mm×3100mm(2200)，目前，副立井已裝備完成。

7)輔助運輸量。根據(jù)巷道布置與支護方式及采掘進度，礦井投產(chǎn)時，井下布置1個薄及中厚煤層綜采工作面、1個大采高綜采工作面，4個綜掘工作面，1個普掘工作面。年巷道掘進工程量12000m。輔助運輸主要包括支護材料、矸石、設(shè)備及人員，大件設(shè)備為液壓支架。井下最大班輔助運輸量見表1。

表1 井下最大班輔助運輸量

3 輔助運輸方式選擇

3.1 無軌膠輪車運輸

1)無軌膠輪車直達運輸。地面和井下全部采用全無軌運輸系統(tǒng)。運輸環(huán)節(jié)要求：為方便液壓支架等大件設(shè)備直接下井，提升罐籠宜采用超寬罐籠+交通罐布置；輔助運輸巷坡度宜小于6°，每隔500m設(shè)錯車硐室；井下設(shè)膠輪車存放硐室、檢修硐室等。

2)蓄電池電機車+無軌膠輪車。地面及井底車場調(diào)度采用蓄電池電機車調(diào)度，大巷及主運輸巷采用無軌膠輪車運輸。運輸環(huán)節(jié)要求：除巷道坡度、錯車硐室、存放硐室、檢修硐室外，需增設(shè)換裝硐室。需硬化盤區(qū)和工作面運輸巷底板。無軌膠輪車選型：WC5E型5t膠輪車10輛，WC3J(C)3t膠輪車5輛，TY6/20FB型人員運輸車5輛，WC7RE型生產(chǎn)指揮車3輛，消防灑水車2輛，運管車1輛。WC40Y型支架搬運車2輛，WC40EJ型支架鏟運車2輛。合計30輛。

3.2 蓄電池電機車+無極繩連續(xù)牽引車

地面及井底車場調(diào)度采用蓄電池電機車調(diào)度，盤區(qū)及工作面運輸巷采用無極繩連續(xù)牽引車運輸。運輸環(huán)節(jié)要求：局部設(shè)一定數(shù)量的小型調(diào)度絞車，如在坡度變化劇烈處，在連續(xù)拐彎處等；井底車場與大巷連接處設(shè)換裝硐室、絞車硐室等。無極繩連續(xù)牽引車選型：選用4套SQ-90/160P無極繩連續(xù)牽引車，2套SQ-80無極繩連續(xù)牽引車，配備300輛礦車及平板車，輔助運輸巷鋪設(shè)地軌。

3.3 蓄電池電機車+單軌吊運輸

地面及井底車場調(diào)度采用蓄電池電機車調(diào)度，盤區(qū)及工作面運輸巷采用單軌吊運輸。運輸環(huán)節(jié)要求：井下設(shè)單軌吊存放硐室、換裝硐室、檢修硐室等。單軌吊車選型：選用2臺DC120Y柴油機單軌吊，2臺DX100的蓄電池單軌吊車，2臺DX80蓄電池單軌吊車。配備專用軌道、彎軌15500m，各類起吊梁16套，人車8輛。同時配備礦車、平板車及集裝箱300輛。

3.4 方案技術(shù)經(jīng)濟比較

考慮到該礦井副井提升罐籠已安裝，井底車場軌道系統(tǒng)已形成，如果礦井采用全無軌運輸方式，存在罐籠過窄(寬罐寬度僅2m)，無軌設(shè)備進出罐籠困難，需特制；窄罐籠及寬罐籠上層罐僅用于提人，閑置時間較長；寬罐籠下層罐提升能力緊張；井上下操車設(shè)備及罐籠內(nèi)軌道需進行改造等問題。因此，本次設(shè)計選用6輛CDXT2y-8J防爆型蓄電池電機車，實現(xiàn)地面及井底車場的車輛調(diào)度?，F(xiàn)對盤區(qū)及工作面運輸巷采用無軌膠輪車、無極繩連續(xù)牽引車、單軌吊運輸進行方案比較。

3.4.1 技術(shù)比較

1)無軌膠輪車。優(yōu)點：運輸靈活，環(huán)節(jié)簡單，可以實現(xiàn)盤區(qū)和工作面運輸巷一條龍運輸，根據(jù)運輸人員、設(shè)備、物料、矸石等需求選擇不同的車輛。缺點：換裝硐室斷面大，換裝環(huán)節(jié)復雜；巷道底板需硬化；會車、掉頭路段需拓寬巷道設(shè)錯車硐室，巷道支護成本高；油耗大，維護費用高，運營成本高；對井下通風要求高，通風費用高；初期投資大。

2)無極繩連續(xù)牽引車。優(yōu)點：初期投資低，經(jīng)濟實用，運行費用低；對巷道要求低，能適應(yīng)巷道起伏變化。缺點：運量小，轉(zhuǎn)載次數(shù)多、運輸環(huán)節(jié)復雜；工作面搬家時間長；運輸人員困難；不利于長距離運輸；繩牽引軌道運輸系統(tǒng)可靠性低。

3)單軌吊。優(yōu)點：巷道頂板吊裝，不受軟弱底板的影響；可以實現(xiàn)盤區(qū)和工作面運輸巷連續(xù)一條龍運輸；運輸系統(tǒng)可靠性高；換裝環(huán)節(jié)相對簡單。缺點：頂板支護強度要求高；巷道斷面高度要求高，設(shè)備安全間距大；輔助運輸量大時，盤區(qū)巷道需設(shè)會車雙軌段；運輸矸石不方便。

3.4.2 經(jīng)濟比較

由于該礦井巷道坡度較小，采用無軌膠輪車、無極繩連續(xù)牽引車、單軌吊運輸巷道斷面基本相同，井巷投資主要差異為硐室及基礎(chǔ)不同，無軌膠輪車與單軌吊均需布置換裝、存放、檢修硐室，無軌膠輪車硐室斷面、長度相對較大，工程量大。無極繩絞車除絞車硐室外，需布置設(shè)備基礎(chǔ)。經(jīng)計算，無軌膠輪車硐室工程量及投資最大，無極繩絞車硐室及基礎(chǔ)工程量與單軌吊硐室工程量及投資接近。輔助運輸方式投資對比見表2。

表2 輔助運輸方式投資對比(可比部分)

按照前述三種輔助運輸方式設(shè)備選型，估算設(shè)備投資，由于無軌膠輪車各運輸車輛功能分開，所需車輛數(shù)量最多，約30輛，無極繩、單軌吊為巷道固定設(shè)備，按一條輔助運輸巷配備1套設(shè)備，每條工作面巷道配備1套設(shè)備考慮，各配備6套設(shè)備。

設(shè)計從人工、電耗、油耗及維護費用等方面估算運營費用。無極繩連續(xù)牽引車除配備絞車司機和維護人員外，考慮輔助小絞車司機及維護人員；無軌膠輪車、單軌吊車除每車配備司機外，需配備一定數(shù)量的檢修維護人員。電耗、油耗根據(jù)機車功率、年運行時間估算，維護費用根據(jù)運行過程中輪胎、剎車、配件等消耗量估算。輔助運輸設(shè)備年運營費用對比見表3。

表3 輔助運輸設(shè)備年運營費用對比 萬元/a

因無軌膠輪車總投資和總運營費均最高，因此，綜合經(jīng)濟投入最大。綜合比較無極繩連續(xù)牽引車、單軌吊車增量投資收益率R=(C1-C2)/(I2-I1)=(399-208)/(3775-2593)=16%>10%(基準收益率)。因此，經(jīng)濟性單軌吊>無極繩連續(xù)牽引車>無軌膠輪車。

總體來看，單軌吊運輸與傳統(tǒng)地軌及無軌運輸相比，無需考慮底板條件的影響；安全性高，無需考慮掉道的影響；并且運輸效率相對較高，無需考慮中間轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)盤區(qū)和工作面連續(xù)運輸，井巷、設(shè)備投資中等，運營成本低。經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟對比，設(shè)計推薦盤區(qū)和工作面采用單軌吊運輸。

4 單軌吊設(shè)計選型

4.1 單軌吊運輸效率

考慮一臺機車運輸一個工作面巷道，按投產(chǎn)盤區(qū)初期最遠運輸距離考慮，運輸總長度為6000m，往返一趟的總路程為12000m，核算單輛單軌吊機車的運輸效率，見表4。

表4 單軌吊運輸時間計算表

按照礦井工作制度，3班生產(chǎn)1班檢修，每班更換加油、充電一次，每次30min，檢修時間30min，每班有效運輸時間5h，每天有效運輸時間20h，一輛單軌吊機車每天可運輸8趟，運載礦車48車左右，運輸支架5架。根據(jù)礦井輔助運輸量，需要配置支架運輸單軌吊機車2臺，物料、設(shè)備、人員運輸單軌吊機車2臺。

4.2 機車牽引力

機車牽引單軌吊車運輸能力為：

F1=(m1+m2+m3)(sinα+ωcosα)gn

式中，m1為機車總重量，t；m2為運輸物料或設(shè)備的總重量，t；m3為重載提升梁重量，t；α為巷道最大坡度；按9°估算；ω為機車運行阻力系數(shù)，取0.03。

4.3 機車制動力

機車運送液壓支架的下滑力為：

F2=(m1+m2+m3)(sinα-ωcosα)gn

機車所需制動力為：

FZ=KF2

式中，K為防滑系數(shù)，一般取2.2。

單軌吊機車按照不同的運輸對象，配備不同的起吊梁，本礦井運輸最大件液壓支架重量30t，根據(jù)輔助運輸量，該次設(shè)計按照支架運輸單軌吊機車配備30t起吊梁，物料設(shè)備及人員運輸單軌吊機車配備3×6t起吊梁(運輸物料、普通設(shè)備，自重3×1t，載重3×6t)、2臺16座人車(運輸人員，自重2×1.35t，載重32×0.1t)分別對單軌吊機車牽引力和制動力進行選型計算。見表5。

表5 單軌吊機車牽引力和制動力計算

根據(jù)選型計算，運輸支架的單軌吊機車牽引力需超過90.26kN，運輸普通物料、設(shè)備的單軌吊機車牽引力需超過61.08kN，運輸人員車的單軌吊車牽引力需超過33.55kN。

根據(jù)選型計算，運輸支架的單軌吊機車制動力需超過135.33kN，運輸普通物料、設(shè)備的單軌吊機車制動力需超過91.58kN，運輸人員車的單軌吊車牽引力需超過50.30kN。

4.4 單軌吊機車選型結(jié)果

為確保液壓支架等大件運輸系統(tǒng)可靠性，避免采掘工作面輔助運輸?shù)母蓴_，設(shè)計選用2臺DC120Y型柴油機單軌吊機車，2臺DX100型蓄電池單軌吊車，2臺DX80單軌吊車。牽引力、制動力可以滿足設(shè)計要求。

4.5 單軌吊配套設(shè)備選型

1)選用6t起吊梁運輸矸石、散料、錨桿等材料，每個單軌吊機車配套3套6t起吊梁進行運輸，6臺蓄電池單軌吊機車共配備18套6t起吊梁。

2)每臺DC120Y、DX100單軌吊機車各配1套30t起吊梁運輸液壓支架，共配備4套30t起吊梁。

3)每個單軌吊機車配套選用2臺16人座人車運輸人員，單趟最多運輸人員32人。4臺蓄電池單軌吊機車共配備8臺16人座人車。

4.6 井下軌道系統(tǒng)

井下主要軌道系統(tǒng)包括井底車場蓄電池電機車軌道系統(tǒng)、盤區(qū)輔助運輸巷單軌吊軌道系統(tǒng)、工作面單軌吊軌道系統(tǒng)。輔助運輸系統(tǒng)及硐室布置如圖1所示。

圖1 輔助運輸系統(tǒng)及硐室布置

1)井底車場蓄電池電機車軌道。井底車場鋪設(shè)地軌，900mm軌距，30kg/m。

2)盤區(qū)單軌吊軌道。單軌吊軌道一般采用德國工業(yè)標準(DIN20593)的專用軌道。目前，市場上有2種軌道可供選擇，DIN I140E輕軌(26.4kg/m)和DIN I140V重軌(36.4kg/m)。根據(jù)礦井輔助運輸重量參數(shù)，投產(chǎn)在盤區(qū)1、2號輔助運輸巷、5號煤工作面回風巷布置DIN I140V重軌標準直軌，每根軌道長2.4m，寬69mm，高198mm，中板厚8mm；屈服強度大于等于350MPa，抗拉強度490～630MPa。軌道總長度約7500m。(考慮軌道進切眼、轉(zhuǎn)載區(qū)、充電硐室、檢修存放硐室)。

4號煤工作面巷道、5號煤工作面運輸巷選用DIN I140E輕軌標準直軌，軌道總長度約8000m。同時，在巷道轉(zhuǎn)彎處配套布置彎軌與直軌連接。每根彎軌的兩側(cè)為法蘭連接，法蘭上方為三個懸吊點，中間的懸吊點為主要承載懸吊點，兩側(cè)的懸吊點為側(cè)拉防傾懸吊。根據(jù)盤區(qū)巷道布置，I140E彎軌共配備14套，I140V彎軌共配備8套，5根/套。

單軌吊直軌采用扣接方式連接，輕軌采用單鏈雙錨桿連接，重軌采用雙鏈雙錨桿連接，單根錨桿錨固力大于等于150kN，安裝前對錨桿、吊掛緊固件、鏈條、U型環(huán)、吊耳做不小于150kN的集中載荷試驗，確保軌道具有應(yīng)有的承載能力。

為保證單軌吊的運行，巷道坡度小于5°時每10根軌道(24m)做一次軌道橫拉，巷道坡度大于5°時，適當增加軌道橫拉數(shù)量。

5 硐室設(shè)計

為滿足單軌吊機車的存放、檢修、充電等需要，并實現(xiàn)與軌道運輸系統(tǒng)的換裝，結(jié)合盤區(qū)巷道布置情況，確定單軌吊硐室位置。硐室位置見圖1。

5.1 換裝硐室

單軌吊機車軌道架空，具有起吊功能，與軌道運輸裝備之間的轉(zhuǎn)載非常便利。設(shè)計在井底車場與盤區(qū)巷道連接位置附近設(shè)置單軌吊換裝硐室，采用通過式布置方式，硐室長71.857m，寬5.6m，高5.0m，采用錨網(wǎng)索噴+混凝土支護。換裝硐室布置如圖2所示。

5.2 充電硐室

設(shè)計在井底車場布置機車充電檢修硐室，擔負蓄電池電機車和蓄電池單軌吊充電任務(wù)，硐室內(nèi)設(shè)充電臺，進出口均設(shè)防火柵欄兩用門，進口與井底車場巷道相連，出口與回風大巷相連，實現(xiàn)獨立通風，硐室長度45m，寬度6m，高度5m，采用混凝土+錨網(wǎng)索噴支護。

圖2 換裝硐室布置圖

5.3 單軌吊檢修存放硐室

在一盤區(qū)1號輔助運輸巷與一盤區(qū)1號回風巷聯(lián)絡(luò)巷設(shè)單軌吊檢修存放硐室，進口設(shè)防火柵欄門，出口設(shè)調(diào)節(jié)風門，實現(xiàn)獨立通風，硐室內(nèi)留足檢修存放間距，容納2～3輛單軌吊機車，列車和列車之間設(shè)人行道，并設(shè)工具室、滅火裝置和專用照明設(shè)施，硐室長度105m，凈寬度5.5m，凈高度4.4m，錨網(wǎng)索噴+U型棚支護。

6 結(jié) 論

1)渭北煤田煤層松軟，傾角小，為便于巷道支護和維護，巷道多選擇沿煤層頂板掘進，頂板多數(shù)較穩(wěn)定，有利于單軌吊的運行。

2)礦井副井提升罐籠已安裝，井底車場軌道系統(tǒng)已形成，綜合技術(shù)經(jīng)濟對比，無軌膠輪車效率最高，但投資和運營費用最高；無極繩連續(xù)牽引車運輸環(huán)節(jié)復雜，運輸效率低，人工成本高；單軌吊運輸系統(tǒng)簡單，效率相對較高，投資中等，運營成本低。因此，設(shè)計選擇蓄電池電機車+單軌吊作為礦井輔助運輸方式。

3)設(shè)計選用6輛CDXT2y-8J防爆型蓄電池電機車，2臺DC120Y柴油機單軌吊，2臺DX100的蓄電池單軌吊車，2臺DX80蓄電池單軌吊車。并配備專用軌道、彎軌15500m，各類起吊梁16套，人車8輛。同時配備礦車、平板車及集裝箱300輛。

4)在井底車場與盤區(qū)巷道連接處位置附近分別設(shè)置單軌吊換裝硐室、機車充電硐室、單軌吊檢修存放硐室。