孟家窯煤礦綜采工作面輔助運輸設備的優化技術研究

付云貴

(潞安集團潞寧孟家窯煤業有限公司，山西 忻州 036000)

1 礦井輔助運輸概況

孟家窯礦井采取斜井開拓方式，其輔助運輸設備主要有：繩牽引卡軌車、蓄電池電機車、單繩纏繞式提升機、小絞車及架空乘人器等。11采區膠帶上山安裝一部型號RJKY75-25/960的架空乘人器，運輸長度960m，最大傾角為25°，運送人員能力271人/h，最大運行速度V=1.13m/s，使用可摘掛抱索器吊椅。副斜井采用KSD90J（A）繩牽引卡軌車，主要擔負著全礦井材料、設備的運輸及矸石的提升任務，鋪設軌道SMJ160異型軌，運輸距離1300m。

11采區各中部車場布置主要服務2#煤采掘工作面，通過與區段石門的連接通往5#煤，11采區2、5#煤共用一條軌道運輸大巷，車場及區段石門內物料的轉載主要采用蓄電池電機車來完成運輸。掘進工作面臨時輔助運輸采用絞車接力運輸。

2 輔助運輸系統存在的主要問題

截至到目前11采區已回采11204、11205以及11203工作面，在安裝、回采期間這三個綜采工作面采用的是SQ-120/132B繩牽引卡軌車的輔助運輸方式。根據孟家窯礦井工程地質條件，分析了該運輸方式的主要問題如下：

（1）調度絞車接力運輸效率不高，無法滿足快速掘進、高產高效的目標要求，并且在形成準備工作面后需要對巷道內所有設備回收和人工抬運軌道，耗費工期長，職工勞動強度大[1]。

（2）順槽內底板積水、頂板淋水對機械驅動部件、鋼絲繩等造成嚴重的銹蝕，降低設備使用壽命，甚至可能出現斷繩的安全事故。在順槽轉載和車場繞道時存在多個環節，極易引起人員傷亡。

（3）繩牽引卡軌車設備的使用存在一定的局限性，一部繩牽引卡軌車只能單一服務一條巷道。

（4）調度絞車設備安裝難度大，資金投入多，軌道、鋼絲繩以及卡軌車的布置大約需要花費600萬元。繩牽引卡軌車數量有限，在綜采工作面的接替作業時無法服務于下一工作面。

3 綜采工作面單軌吊技術的應用

3.1 單軌吊主要性能

為解決繩牽引卡軌車在輔助運輸過程中存在的問題，孟家窯煤礦采用DX80防爆型蓄電池單軌吊機車進行了改進[2]。其中運輸液壓支架型號ZF4600/17/32，起吊梁和機車自重分別為4t、12.5t，最大運輸坡度12°。各型號絞車主要性能如表1所示。

表1 各絞車主要性能分析

3.2 受力分析

（1）整車的牽引力和制動力

孟家窯礦井采取斜井開拓方式，單軌吊機車運輸形式如圖1所示。整車的最小牽引力和制動力計算公式分別如下[3]：

式中：

F1-整車的牽引力，kN；

F2-整車的最小制動力，kN；

G-機車含起吊梁總重，33t；

α-最大爬坡的正弦值，sin12°；

β-最大爬坡的余弦值，cos12°；

g-重力加速度，9.8N/kg；

f1-阻力系數，取值為0.03。

將上述各字母取值帶入公式，分別得到F1、F2值為76.72kN和67.24kN；DX80單軌吊機車的牽引力和制動力為80kN和120kN，因此該機車均滿足運輸要求。

圖1 單軌吊機車運輸形式

（2）起吊梁受力分析

當承載小車處于軌道中間時，使用運輸梁進行液壓支架的運輸，6個承載小車平均受力，如圖2所示。

圖2 各承載小車平均受力

起吊梁重4t，液壓支架重16.5t，總重20.5t，各小車平均受力，其計算公式如下：

式中：

G-液壓支架與起吊梁總重，t；

n-承載小車個數。

當承載小車處于軌道正下方時，小車受力狀況如圖3所示，此時吊點受力最大，計算過程如下[4]：

圖3 承載小車處于軌道正下方吊點受力

吊點對左側軌道的起吊梁F1和吊點對右側軌道的起吊梁F2計算結果如下：

吊點所受的總重力為：

由上述結果可知：單個吊點最大承載力為：F吊點≈4.75t；單根錨桿最大承重力為：F錨桿＝F吊點/2=2.375；單根錨桿的錨固力為125kN（12.5t）＞F錨桿（2.375t），符合要求。

根據上述計算結果可以看出，采用蓄電池單軌吊機車輔助運輸替代繩牽引卡軌車，不僅滿足各項安全運輸要求，而且可有效解決工作面運輸效率低、掘進速度慢等問題，更好的為掘進和綜采工作面服務[5]。

3.3 主要安裝工藝

（1）首先檢查作業前后20m巷道內頂幫的支護完好情況，然后按照地測部門給出的單軌吊中性線利用工程線拉一條直線，并采用噴漆在巷道頂板上每3m做一個標記。以吊掛點為基準，左右各偏移100mm做兩個標記，然后在工作臺上井下打設錨桿，檢測錨固力并保證不小于125kN后，方可進入下一道工序。

（2）在錨固力檢測合格后，采用MX20X95和M20X115高強度螺栓掛上圓環鏈。將大吊環穿過圓環下端并將單軌道梁抬到作業平臺上，用吊鏈將單軌吊梁懸掛在頂板規定位置上，然后采用高強螺栓將大吊環與單軌吊梁吊耳進行禁錮連接。

（3）每向前掘進5m應安裝一組單軌吊梁，并且其底板面不得低于3m，單根軌道水平和垂直夾角最大允許值分別為±1°、3.5°。

（4）軌道安裝前應對每根錨桿進行拉拔試驗，錨桿預緊力不得小于200kN，單根錨桿錨固力大于125kN，巷道中垂線與錨桿夾角小于10°。為限制軌道的橫向擺動應每隔10組吊掛點布設一組夾角大于120°的加強鏈，如圖4示。

圖4 單軌道直道段加強鏈的鋪設

（5）采用斜拉鏈對上坡軌道進行斜拉加固，并且沿軌道垂直方向應每隔四根軌道增設一個橫向拉鏈，通過在鏈條中間增加一個張緊器提高鏈條的受力性能，如圖5所示。

圖5 鏈條中間張緊器的設置

4 應用效果

（1）經濟效果

采用風運兩巷輔助運輸時設備安裝投入資金大，兩部繩牽引卡軌車及其附件、鋼絲繩等大約花費600萬元，而采用單軌吊機車時軌道附件、鎖具、錨鏈、起吊梁等機車部件一共需要500萬元左右。選用單軌吊機車具有較好的經濟效益，并且可同時服務于多個工作面，一部單軌吊機車可降低輔助運輸系統投入資金約230萬。

（2）安全性

輔助運輸系統是僅次于頂板安全事故的第二大因素，礦井事故中約20%～30%均來自于輔助運輸系統，并且往往發生于輔助運輸的薄弱環節。而采用單軌吊機車運輸不僅可替代原有的絞車接力運輸，大大降低作業人員的勞動強度，而且可有效避免斷繩跑車事故的發生。

（3）時效性

結合孟家窯礦井車場、石門與工作面之間的位置關系，采用單軌吊機車運輸系統無需轉載就能實現連續性的物料運輸作業。另外，單軌吊機車掘進期間即可跟進，準備工作面可順利進入安裝階段，縮短了搬家倒面的時間。

5 結 論

孟家窯礦井采用單軌吊運輸方法的實踐表明：該輔助運輸技術不僅具有良好的爬坡能力、較高的運輸效率，而且相對于小絞車地軌運輸具有良好的經濟效益和安全效益，在煤礦綜采工作面中具有較強的適用性，具有一定的推廣價值。