單軌吊在四侯煤業(yè)輔助運輸系統(tǒng)中的應用

袁 揚

(中赟國際工程有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著煤礦綜采、綜掘的機械化和智能化，井下輔助運輸設施對煤礦生產(chǎn)效率的影響越來越重要。要提高煤礦生產(chǎn)效率就必須優(yōu)化輔助運輸系統(tǒng)，使輔助設施在最短的時間內(nèi)利用最佳的運輸方式輸送到井下的工作面位置，實現(xiàn)煤礦井下輔助運輸智能化運行[1-3]。以往的研究主要限于對傳統(tǒng)絞車運輸、單軌吊機車類型和設備構(gòu)成等，如文獻[4]對傳統(tǒng)絞車接力運輸和單軌吊運輸分別從安全與效率、經(jīng)濟效益方面進行了分析與對比；文獻[5，6]介紹了單軌吊機車運輸系統(tǒng)組成、基本構(gòu)造與工作原理；文獻[7]對單軌吊輔運系統(tǒng)驅(qū)動方式及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設計進行了探討；文獻[8]對單軌吊系統(tǒng)散料換裝、軌道懸吊、調(diào)車和車場布置等進行了介紹。

本文以四侯煤業(yè)接替采區(qū)15號煤一采區(qū)井下輔助運輸系統(tǒng)為例，介紹了單軌吊機車運輸與傳統(tǒng)輔助運輸兩種解決方案，從安全與效率、經(jīng)濟效益及優(yōu)缺點等方面進行對比和優(yōu)選，最終確定采用單一運輸方式單軌吊機車運輸更適合接替采區(qū)15號煤一采區(qū)井下輔助運輸，并運用理論計算法對單軌吊機車進行了選型設計。

1 四侯煤業(yè)輔助運輸系統(tǒng)概況

四侯煤業(yè)現(xiàn)開采3號煤，水平標高為+625 m。目前，礦井井下輔助運輸方式為無級繩連續(xù)牽引車運輸設備、材料和矸石，人員由副斜井架空乘人裝置運送至井底后步行到達工作面。隨著開采的進一步延伸，現(xiàn)有井下輔助運輸系統(tǒng)已不能滿足輔助運輸需要，需對接替采區(qū)15號煤一采區(qū)輔助運輸方式重新選擇。

接替采區(qū)15號煤一采區(qū)水平標高為+528 m，+625 m水平與+528 m水平之間通過暗斜井連接。接替采區(qū)15號煤一采區(qū)輔助運輸路線為：軌道暗斜井→一采區(qū)軌道巷→15101工作面回風順槽，如圖1所示。軌道暗斜井斜長275.9 m、傾角21.7°；一采區(qū)軌道巷斜長1 055.3 m，傾角3.4°～1.8°；15101工作面回風順槽斜長981.9 m，傾角0°～2°。

圖1 接替采區(qū)15號煤一采區(qū)輔助運輸路線

運輸路線錯綜復雜、距離較遠，運輸?shù)淖畲蠹橹?0 t、高1.6 m、寬1.6 m的液壓支架。在如此復雜條件下，如何優(yōu)化輔運系統(tǒng)、提高可靠性，進行多方案研究和設備選型設計成為提升運輸效率成敗的關(guān)鍵。

2 輔助運輸方式的選擇

煤礦井下輔助運輸方式主要有如下幾種：

(1) 無軌膠輪車：無軌膠輪車要求行駛的巷道寬度較大，尤其對巷道底板條件要求較高。本礦井已有副斜井傾角為16.5°，新開拓暗斜井傾角為17.5°，因此不適合采用無軌膠輪車運輸。

(2) 齒軌車：齒軌車以防爆柴油機或蓄電池為動力，采用機械或液壓傳動，適應開采近水平或緩傾斜煤層的礦井輔助運輸。

(3) 柴油卡軌車：柴油卡軌車適應巷道坡度不大于8°，具有承載大、機動靈活，可進入多條分支巷道運輸物料的優(yōu)點。

(4) 電機車：電機車有架線機車和防爆特殊型蓄電池電機車，架線電機車只能在全風壓通風的低瓦斯礦井進風的主要運輸巷道內(nèi)使用，須有整流和架線設施，不夠靈活；電機車運輸要求巷道坡度不得大于5‰，適合于平巷運輸。

(5) 無級繩牽引運輸：無級繩牽引運輸只適用于材料及設備運輸，無級繩絞車牽引運輸巷道坡度不宜大于12°，線路彎道處轉(zhuǎn)角不應小于120°，彎道平面曲率半徑不應大于40 m。

(6) 單軌吊機車運輸：單軌吊機車運輸是將運人人車、材料、設備等通過承載車或起吊梁懸吊在巷道頂部的單軌上，由單軌吊車的牽引機構(gòu)牽引進行運輸?shù)南到y(tǒng)。單軌吊車用途廣泛，可在多種條件下運輸多種設備、材料和物料等，掛上人車可作輔助運人使用，并且對巷道坡度適用性比較強，電牽引機車運輸坡度達15°，柴油機車運輸坡度可達到25°，對巷道的水平曲線半徑可達到4 m，豎曲線半徑可達到8 m。單軌吊機車是煤礦井下，尤其是在采區(qū)上、下山和工作面巷道內(nèi)用來運送材料、設備和人員的先進輔助設備之一。

上述(1)～(4)輔助運輸方式均適用于人員、材料、設備的運輸。通過以上對比分析，適合接替采區(qū)15號煤一采區(qū)的輔助運輸有兩種方式：

方式一：副斜井絞車提升(已有)+單軌吊機車運輸。

方式二：副斜井絞車提升(已有)+絞車提升(軌道暗斜井)+無級繩連續(xù)牽引車(一采區(qū)軌道巷、回風順槽)+架空乘人裝置(軌道暗斜井、一采區(qū)膠帶巷)。

接替采區(qū)15號煤一采區(qū)輔助運輸方式的選擇應優(yōu)先考慮由單一運輸方式組成的輔助運輸系統(tǒng)，盡可能實現(xiàn)物料、設備或人員的直達運輸，減少運行環(huán)節(jié)，提高運行效率，進一步提升礦井的“四化”水平。對比以上兩種輔助運輸方式，確定單軌吊機車運輸作為接替采區(qū)15號煤一采區(qū)輔助運輸更具優(yōu)勢。在軌道暗斜井上部車場設物料換裝站和人員換乘站，換裝站以前仍利用礦井現(xiàn)有窄軌輔助運輸系統(tǒng)，換裝站以后采用單軌吊運輸系統(tǒng)，承擔運輸人員、材料及大件設備。

3 單軌吊機車選型設計

接替采區(qū)15號煤一采區(qū)生產(chǎn)能力為0.9 Mt/a，矸石量5%，材料量6%；生產(chǎn)制度為年工作330 d，每天“四六制”，三班生產(chǎn)，一班準備。通過理論計算法對單軌吊機車進行選型設計。

3.1 主要參數(shù)的確定

運輸最大長度L：2 377.1 m；最大運輸角度：21.7°；運輸材料、矸石及人員平均速度：vp=1.4 m/s；運大件速度：vd=0.5 m/s；每班運輸材料量：Qc=54.55 t；每班運輸矸石量：Qg=45.45 t。

3.2 運輸材料機車臺數(shù)計算

(1) 機車運輸材料往返一次總時間為：

t1=ty1+td1.

(1)

其中：ty1為運輸材料往返一次運輸時間，ty1=2L/(60ksvp)，ks為速度影響系數(shù)，取0.8；td1為裝載與調(diào)車輔助時間，td1=8 min。將數(shù)值代入式(1)計算得：t1=78.75 min。

(2) 每臺機車每班往返次數(shù)為：

P1=60T/t1.

(2)

其中：T為每班運輸時間，取T=4.5 h。將數(shù)值代入式(2)計算得：P1=3.43次/(臺·班)。

(3) 每班運輸材料需用列車數(shù)為：

Nn1=kQc/(ZGy).

(3)

其中：k為運輸不均衡系數(shù)，取1.2；Z為每列車吊運礦車數(shù)量，取5輛；Gy為單個礦車額定載重量，取1.0 t。將數(shù)值代入式(3)計算得：Nn1=13.09列/班。

(4) 運輸材料機車數(shù)量為:

N1=Nn1/P1=3.82≈4臺.

由計算可知，從軌道暗斜井上部車場至工作面回風順槽運輸材料所需機車數(shù)量為4臺。

3.3 運輸矸石機車臺數(shù)計算

(1) 機車運輸矸石往返一次總時間t2與運輸材料往返一次的總時間一樣，為78.75 min。

(2) 每臺機車每班往返次數(shù)為：

P2=60T/t2=3.43次/(臺·班).

(3) 每班運輸矸石需用列車數(shù)為：

Nn2=kQg/(ZGy)=10.91列/班.

(4) 運輸矸石機車數(shù)量為：

N2=Nn2/P2=3.18≈4臺.

由計算可知，運輸矸石所需機車數(shù)量為4臺。

3.4 運輸人員機車臺數(shù)計算

(1) 機車單程運輸人員總時間為：

t3=tr+tsx.

(4)

其中：tr為從乘車點到下車點純運輸時間，tr=L/(60ksvp)；tsx為人車上下人時間，tsx=3 min。將數(shù)值代入式(4)計算得：t3=38.37 min。

(2) 每班運輸人員需用列車數(shù)：根據(jù)最大班人員數(shù)量85人，單軌吊運人每次吊掛20乘員的人車需3個，單列運人60人。按每班人員在45 min內(nèi)完成運輸，因此每班運人需配機車數(shù)量2臺，可以滿足最大班人數(shù)85人的運輸需要。

3.5 運輸機車總臺數(shù)

通過計算，運送材料每班需列車數(shù)4臺；運送矸石每班需列車數(shù)4臺；運送人員每班需列車數(shù)2臺。因材料和矸石運輸方向相反，材料列車返程可以運輸矸石。材料與人員分時運輸，機車可以通用，因此選用4臺機車可滿足使用要求。

3.6 運輸機車牽引力

(1) 運送人員牽引力為：

F1=(M1+nrM2+nrZrM4+M5+nrM6+M8)×(sinα1+ωcosα1)g.

(5)

其中：M1為機車質(zhì)量，M1=5 600 kg；M2為人車質(zhì)量，M2=2 000 kg；M4為單人質(zhì)量，M4=75 kg；M5為制動車質(zhì)量，M5=400 kg；M6為起吊梁質(zhì)量，M6=1 280 kg；M8為司機體重，M8=2×75 kg；ω為機車運行阻力系數(shù)，取w=0.02；α1為線路最大運行坡度，取α1=21.7°；nr為每列車牽引人車數(shù)，取nr=3輛；Zr為每輛人車乘車人數(shù)，Zr=20人；g為重力加速度。

(2) 運送材料牽引力為：

F2=(M1+ncM3+M5+n1M6+ncM7+M8)×(sinα1+ωcosα1)g.

(6)

其中：M3為材料運輸?shù)V車質(zhì)量，M3=610 kg；M7為礦車裝載質(zhì)量，M7=1 000 kg；nc為每列牽引材料礦車數(shù)，nc=5輛；n1為每列車懸掛吊運梁數(shù)，n1=5組。

(3) 運送支架牽引力為：

F3=(M1+M5+M6+M8+M9)×(sinα1+ωcosα1)g.

(7)

其中：M9為液壓支架質(zhì)量，M9=20 000 kg。

將數(shù)值代入式(5)～式(7)計算得：F1=70 994.1 N，F(xiàn)2=66 704.6 N，F(xiàn)3=104 494.9 N。

3.7 運輸機車防滑(下滑力F下滑)計算

(1) 運送人員時下滑力為：

F1下滑=(M1+nrM2+nrZrM4+M5+nrM6+M8)×(sinα1-ωcosα1)g.

(8)

(2) 運送材料下滑力計算：

F2下滑=(M1+ncM3+M5+n1M6+ncM7+M8)×(sinα1-ωcosα1)g.

(9)

(3) 運送支架下滑力計算：

F3下滑=(M1+M5+M6+M8+M9)×(sinα1-ωcosα1)g.

(10)

將數(shù)值代入式(8)～式(10)計算得：F1下滑=64 199.5 N，F(xiàn)2下滑=60 320.6 N，F(xiàn)3下滑=99 413.4 N。

取制動力FZ為240 kN，則運送人員時的防滑系數(shù)K1=FZ/F1下滑=3.74>2，運送材料時的防滑系數(shù)K2=FZ/F2下滑=3.98>2，運送支架時的防滑系數(shù)K3=FZ/F3下滑=2.41>2，均滿足要求。

3.8 運輸機車功率

(1) 運送人員機車功率為：

(11)

其中：k′為功率富裕系數(shù)，取k′=1.2。

(2) 運送材料機車功率為：

(12)

(3) 運送大件機車功率為：

(13)

將數(shù)值代入式(11)～式(13)計算得：N1=119.30 kW，N2=112.06 kW，N3=62.70 kW。

3.9 運輸機車選型

通過以上計算，設計選用DLZ210F-5/120型防爆柴油機單軌吊車，其額定牽引力為120 kN>F3，額定功率為142 kW>N1，制動力為240 kN>2F3下滑，能夠滿足使用要求。DLZ210F-5/120驅(qū)動部為5驅(qū)(3+2)，運人速度為1.4 m/s，運材料速度為1.4 m/s，運大件速度為0.5 m/s，重量為7 887 kg。

4 結(jié)語

(1) 四侯煤業(yè)接替采區(qū)15號煤一采區(qū)井下輔助運輸采用單軌吊機車運輸，省去了巷道底板軌道、斜巷“一坡三擋”等安全設施，杜絕了傳統(tǒng)地軌掉道、翻車、斷繩、跑車等重大運輸事故發(fā)生，屬一種本質(zhì)安全型輔助運輸設備。

(2) 單軌吊機車運輸實現(xiàn)了從軌道暗斜井上部車場直達綜采工作面一條龍不停車運輸，大大提高了運輸效率。

(3) 單軌吊機車適應能力強，幾乎適應各類巷道。

(4) 單軌吊機車運輸，前期較傳統(tǒng)輔助運輸投入多369萬元，后期綜采工作面搬家拆除安裝效率可提高10%，每年為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益約1 500萬元。