主斜井高低道線路優化的研究與應用

王朋朋 任志丹

摘要：本文通過研究斜井上部車場設置高低道的方法，并結合煤礦實際情況，推導出了斜井上車場各參數的計算公式，且借助于MATLAB數學軟件，確定了影響高低道設計的關鍵因素。現已在煤礦成功應用。該研究為斜井上車場改造提供了借鑒意義和參考價值。

Abstract： According to the principle of setting up the high-low rail lines in the wellhead of the main slant， combined with the actual situation of coal mine， some calculation formulas were derived to calculate the track length and the reconstruction quantities of wellhead， using the MATLAB mathematical software to draw the function curve. Through the curve and its reflected reconstruction quantities， the depth from wellhead to bottom， and the relationship between the distance from wellhead to the High-Rail and the angles of the symmetrical combination turnout on the plane and other factors， the paper studies the key factors which can effect the design of high-low rail lines， put into the application in a coal mine.This study has some certain significance and reference value to the similar projects.

關鍵詞：高低道;MATLAB;改造工程量;對稱組合道岔

Key words： high-low rail lines;MATLAB;reconstruction quantities;symmetrical combination turnout

中圖分類號：TD55? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0140-03

1? 概況

四川省某煤礦礦區面積為3.96km2，現有可采儲量是135萬噸。礦井核定生產能力15萬噸/年，屬生產礦井。該礦是斜井開拓方式，主斜井采用2JTP-1.6×0.9P/20型提升絞車提升煤炭、矸石及下放材料，井筒傾角為30°，斜長370m，內置雙軌，軌中心距為1300mm，采用雙鉤串車提升，每次提升量為3-5車。主斜井上車場采用三股道平車場，通過一組對稱組合道岔與井筒內雙軌線路相連，中間軌道為重車道，兩旁為空車道，順向布置，但該對稱組合道岔布置在平面上，未設置高低道。

2? 改造方式的選擇

主斜井是煤礦生產的咽喉要道，是保證礦井產量的重要環節。選擇合理的提升方式是礦井工作的重點之一。理論上，可以通過兩種方式進行改造：方案一，可以在主斜井內安裝皮帶，采用皮帶運輸煤炭和矸石，巷道另一側仍安設軌道，用于下放材料;方案二，利用原有的軌道以及提升絞車，只對井口進行部分改造。經過比較，方案一的工程造價很高，而該煤礦的剩余服務年限僅僅7年，在經濟上不合理。方案二的工程造價很低，且容易實現，技術上可行，經濟上合理，安全上可靠。由于該煤礦礦生產能力小，儲量少，服務年限低，為減少投資成本，選用方案二，利用原有的軌道及絞車，只需改造井口處。

3? 高低道

為了降低地面工人的勞動強度，提高操作的安全性，減少工人數量，達到增加工效的目的，可以在井口處布置高低道，實現礦車的自動滑行。

由井內兩股線路向車場內三股道過渡時，必須裝一組道岔作為線路聯接系統。這組道岔一般鋪設在平車場平段上，也可鋪設在斜井的斜面上，然后聯接曲線再過渡到平段[1]。這組道岔一般采用對稱組合道岔。為提高地面軌道系統的運輸能力，降低工人的勞動強度，增加煤炭運輸的安全性，決定在該礦井口布置高低道，實現礦車的自動滑行。

而必須將對稱組合道岔布置在斜面上。若將對稱組合道岔布置在斜面上，可以有兩種方案：方案一，下沉主斜井井口部分的底板（如圖1所示）;方案二，自井口開始第一次變坡，會造成整個地面軌道系統自現有基礎上抬高1～2m（因對稱組合道岔所在斜面的傾角而異）甚至更多。因為方案二工程量太大，高填方造成地面平臺安全性擔憂，而方案一工程量很小，簡單易實現，安全性很好，故而選擇方案一，井口沉底。即：首先，將井口段按照一定尺寸沉底，形成一斜面，布置一組稱組合道岔布置，井筒內雙軌線路通過豎曲線與對稱組合道岔聯接，對稱組合道岔形成高低道后，再通過豎曲線與地面上的軌道聯接。

前人研究成果：白沙煤電集團的周永鴻在其論文中，闡述了高低道布置和計算方法，并給出了應用實例[2]。本文在此研究的基礎之上，從工程量角度、場地角度研究高低道線路優化問題。

4? 推導計算公式

主斜井井口至軌道的彎道處距離僅有30m，而且需要在彎道以內布置一副菱形交叉道岔，以實現輕車分道，故而在設計中，需要增大自變坡點距道岔端點的距離。而主斜井井口圍巖較破碎，井口周圍新建了庫房。故而，減少井口改造工程量，是保證安全，減少生產費用的基礎。下面推導出相關的計算公式，以備選擇符合礦情的基本參數。

4.1 布置對稱組合道岔的斜面長度公式

井口沉底后的斜面主要布置對稱組合道岔以及反向曲線之間插入的直線段、用于連接的豎曲線等。在該礦，對稱組合道岔選用ZDZ622/3/1213[3]。斜面長度L1是對稱組合道岔長度L1，反向曲線之間插入的直線段C1、C2，第一、第二豎曲線切線長度之和。經過計算推導，得：

4.4 井口改造工程量計算

改造工程量分為兩種情況：第一，如圖2（a）所示，對稱組合道岔只有Ⅰ段中的部分或全部深入井筒內，這一部分只需要沉底便可實現改造目的;第二，如圖2（b）所示，對稱組合道岔不僅僅只有Ⅰ段深入井筒內，而且Ⅱ段部分也深入井筒內，如此一來，僅僅斜井井口沉底是不夠的，還需要擴大斜井寬度，進行刷幫處理。

綜合兩種情況，其工程量：

5? 利用MATLAB進行繪圖分析

MATLAB是由Mathworks公司開發的一套功能強大的數學軟件，也是當今科技界應用最廣泛的計算機語言之一。其不僅具有強大的數值運算功能，還具有強大的二維和三維繪圖功能，尤其擅長于各種科學計算結果的可視化，計算的可視化可以將雜亂的數據通過圖形來表示，從中觀測出其內在的關系。MATLAB的圖形命令格式簡單，可以使用不同線型、色彩、數據點標記和標注等來修飾圖形[4]。

由（2）、（7）式，我們不難看出H、L5與R2、R3、C1、C2、A、R1呈正線性關系。故而，本文重點利用MATLAB軟件根據上面的函數公式繪圖，來分析H、V、L5與？茁的關系。根據《采礦工程設計手冊》[1]知，R1的取值范圍是6000、9000、12000、15000等，R2、R3的取值范圍是9000、12000、15000等，C1、C2的取值范圍為1000-2000。

本文結合該煤礦的實際情況，根據設置高低道的原理，推導出了計算井口改造工程量、井口沉底深度以及井口至第高道變坡點距離的計算公式，并利用MATLAB數學軟件，繪制出函數圖形，分析了各個變量與各個參數之間的關系，確定布置對稱組合道岔的斜面傾角？茁是設計高低道的關鍵因素。

改造采區上山、暗斜井、主斜井等斜巷上車場，傾角？茁取值8°到12°是比較合適的。但是，在該煤礦，由于井口場地狹小，只有選擇增大傾角？茁值，減小井口至高道變坡點的距離，來增加存車線的長度。現在，該研究已經在該煤礦成功應用。

參考文獻：

[1]張榮立，何國維，李鐸.采礦工程設計手冊 [M].煤炭工業出版社，2003：2176，2790-2793.

[2]周永鴻.豎面二次變坡在斜井上部車場高低道中的應用[J]. 煤礦開采，2005，65（4）：42-44.

[3]中華人民共和國煤炭部標準設計.窄軌鐵路道岔圖冊[M].北京煤炭設計院，1996，5：77.

[4]張德豐，雷曉平，周燕.MATLAB基礎與工程應用[M].清華大學出版社，2011.