對“機軌合一”的煤礦輔助運輸系統(tǒng)的研究

陳海亮

（陽泉煤業(yè)集團翼城石丘煤業(yè)有限公司， 山西 翼城 043500）

引言

根據(jù)煤礦運輸作業(yè)任務(wù)的不同，通常將煤礦運輸分為主要運輸和輔助運輸。煤礦輔助運輸指的是在礦場中除了煤炭運輸外其他各種運輸?shù)目偤停缥镔|(zhì)、設(shè)備、人員和煤矸石的相關(guān)運輸。井下輔助運輸系統(tǒng)可以分為軌道運輸和無軌運輸。軌道運輸?shù)闹饕卣魇窃O(shè)置雙軌或者懸吊單軌，無軌運輸則是采用膠輪或者履帶為行走方式。采區(qū)巷道則采用絞車和蓄電機車等運輸方式。煤礦輔助運輸系統(tǒng)作為礦井建設(shè)的一個重要環(huán)節(jié)，其效率決定了煤礦生產(chǎn)是否高產(chǎn)高效。

目前，國內(nèi)大部分煤礦的輔助運輸系統(tǒng)與現(xiàn)代采掘技術(shù)不匹配。落后的輔助運輸系統(tǒng)直接影響到煤礦的生產(chǎn)效能和經(jīng)濟效益，不僅浪費大量的人力物力，還帶來了很大的安全隱患。所以煤礦輔助運輸系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和效能革新都成為了煤炭從業(yè)人員需面臨的問題，是實現(xiàn)煤礦綠色運行、高產(chǎn)高效的保證。

1 煤礦輔助運輸系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

我國是采煤大國，早在1878 年就建成第一個新式煤礦。但我國煤礦輔助運輸系統(tǒng)起步比較晚，在20 世紀(jì)70 年代后期才開始相關(guān)工作的研制開發(fā)。到目前為止，我國已自主研制了一些高效節(jié)能的煤礦輔助運輸設(shè)備，包括鋼絲繩牽引軌道車、無軌橡膠輪車、柴油橡膠套輪軌道車和無極鋼絲繩巷道連續(xù)牽引車等[1]。這些設(shè)備大部分已經(jīng)達到了國際的先進水平，在生產(chǎn)實踐中也得到了推廣運用，取得了良好的經(jīng)濟效益。但總的來說，我國的煤礦輔助運輸系統(tǒng)的設(shè)備種類還是太單一，沒有形成系統(tǒng)系列產(chǎn)品。從井下工作面至地面目前還是分階運輸，需要通過多次轉(zhuǎn)載，運輸效率低下，要求的設(shè)備和人力都比較高，井下交叉作業(yè)和道口無序管理導(dǎo)致不安全因素也比較多。

截至目前，我國煤礦運輸系統(tǒng)的技術(shù)運用發(fā)布不均衡。一些大型新型的煤礦輔助運輸系統(tǒng)從國外整體購進，這些設(shè)備經(jīng)過多年的實踐和不斷完善，安全性和效能都很高。對于大多數(shù)煤礦來說，還是傳統(tǒng)的輔助運輸系統(tǒng)，大巷道采用機車，回采區(qū)采用絞車，甚至采用人力推車。據(jù)統(tǒng)計，我國目前煤礦輔助運輸系統(tǒng)人員占井下人員的1/3，有的甚至占到50%。隨著勞動成本的不斷提高，密集勞動型的工作方式嚴(yán)重影響了整體的開采效率和安全生產(chǎn)，制約了一些煤礦的發(fā)展和擴大。

2 “機軌合一”的煤礦輔助運輸系統(tǒng)的改造實例

機軌合一是指在井下將皮帶運輸機和有軌運輸機車布置在同一條運輸大巷內(nèi)。皮帶運輸機的作用是將原煤運輸至井底車廠的儲煤倉，然后再送往井上，軌道機車是實現(xiàn)礦井開采的工具和輔助工作所需要的一些設(shè)備和原材料、設(shè)備等的運輸。機軌合一的巷道要求一定的高度和寬度，所以往往設(shè)置在礦井的主要運輸大巷[2]。除此之外，機軌合一的巷道對井下的地質(zhì)條件有一定的要求。由于要安裝皮帶運輸機，巷道一定要直。機軌合一的設(shè)置面比較大，要求巷口的直徑達到一定水平，所以還要選擇礦壓不大并且?guī)r石比較堅硬的巷道。

機軌合一的運輸方式如下頁圖1 所示，目前我國采用該系統(tǒng)的煤礦主要是一些達到開采瓶頸，傳統(tǒng)輔助運輸系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)現(xiàn)狀以及符合改造條件的井下。這些工作巷往往存在運輸效率低下，設(shè)備運輸環(huán)節(jié)多，生產(chǎn)連續(xù)緊張的狀況。通過開拓巷道，采用新型支護方式（包括架棚、錨索做加強支護，永久支護），提高對輔助系統(tǒng)的改造力度，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，配置新型的電動機和液壓傳動，從而形成“機軌合一“的運輸系統(tǒng)。

目前，我國采用“機軌合一“輔助運輸系統(tǒng)的煤礦有石圪節(jié)煤礦、新汶礦業(yè)集團翟鎮(zhèn)煤礦、黑龍江峻德煤礦和山東能源新礦集團華豐煤礦等。這些煤礦都是通過線路改造[2]，優(yōu)化巷道設(shè)計，由原有的低能輔助運輸系統(tǒng)改造為”機軌合一巷“，實現(xiàn)了提升產(chǎn)能，優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的目的。在這里筆者以潞安礦業(yè)集團公司石圪節(jié)煤礦為例，介紹“機軌合一”系統(tǒng)在原有運輸系統(tǒng)上的改造措施。

石圪節(jié)煤礦[3]主斜井進行“機軌合一”改造的主要措施是在主斜井的南側(cè)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)軌道，同時對地面絞車提升機進行改造，達到提升液壓支架的要求。在北大巷和主斜井之間挖掘一條可以通達全井的輔助運輸系統(tǒng)。對于斜井改造，如圖2 所示，挖掘一條位于主斜井和北大巷之間的聯(lián)絡(luò)巷，夾角為30°，同時安排兩個大跨度交岔點，使用圓弧曲線拐彎的方式對井底車場的線路進行聯(lián)接。

圖1 “機軌合一“輔助運輸系統(tǒng)

圖2 工作井底車場線路連接圖（單位：mm）

石圪節(jié)煤礦改造后的輔助運輸系統(tǒng)在正式運行之后，節(jié)約了成本，實現(xiàn)了大、重型設(shè)備就近運輸，大大減少了地面運輸環(huán)節(jié)，保證了運輸安全，帶來了良好的經(jīng)濟效益和安全環(huán)境。

3 “機軌合一”的煤礦輔助運輸系統(tǒng)的模型分析

在研究和解決這類大規(guī)模復(fù)雜的系統(tǒng)時，由于其具有要素多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，往往采用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型分析。其中包括對功能結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，選取合適的系統(tǒng)要素，分析要素間的聯(lián)系，系統(tǒng)模型的確認(rèn)和最后模型的解釋。為了對“機軌合一”系統(tǒng)進行直觀準(zhǔn)確的研究分析[4]，采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)對該系統(tǒng)進行模型搭建，模型中影響礦井輔助運輸系統(tǒng)的因素為：運輸設(shè)備的性能、礦井的生產(chǎn)布局、巷道布置方式、礦井的生產(chǎn)布局、煤層厚度、煤層埋藏狀態(tài)、瓦斯、礦井涌水量大小、煤層厚度、礦山壓力的大小和地應(yīng)力大小及其作用方向。

使用這10 個影響因素作為方格圖元素，構(gòu)成影響集合，通過對各元素相關(guān)度的調(diào)查，得到其關(guān)系相關(guān)圖見圖3。

圖3 “機軌合一”系統(tǒng)模型元素關(guān)系圖

在上述方格圖的基礎(chǔ)上，建立起反映元素間相互關(guān)系的鄰接矩陣，加入反映自身到達的單位矩陣后，得出可達矩陣。對得到的可達矩陣進行縮約，通過多次層次化處理，得到如圖4 的縮減矩陣。

圖4 模型層次化縮減矩陣

根據(jù)該縮減矩陣，得到三級遞階結(jié)構(gòu)模型見圖5。

將圖中的要素轉(zhuǎn)換為文字模式，得到更直觀的解釋結(jié)構(gòu)模型如下頁圖6 所示。

圖5 模型三級遞階結(jié)構(gòu)模型

圖6 “機軌合一”輔助運輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解釋模型

通過對該模型的分析，可以發(fā)現(xiàn)影響煤礦輔助運輸系統(tǒng)的因素可以分為二類三級，第一類為不可控因素。第二類為可控并且影響較大的因素。而“機軌合一”正是通過對巷道布置方式和輔助運輸設(shè)備性能的優(yōu)化，達到提高輔助運輸系統(tǒng)整體效能的一種方式。通過優(yōu)化巷道設(shè)計，達到了減少中間換載，直達運輸?shù)哪康摹Ｍㄟ^對輔助運輸設(shè)備性能的優(yōu)化，提升了牽引力，擴大了產(chǎn)出。通過對采區(qū)的生產(chǎn)布局優(yōu)化，實現(xiàn)了生產(chǎn)的集中化，減少了工作面，節(jié)約了成本，提高了運輸效率。

4 結(jié)語

作為煤井運輸?shù)闹匾M成部分，輔助運輸系統(tǒng)的發(fā)展直接決定了我國的采煤水平。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人工成本愈來愈高，傳統(tǒng)的輔助運輸系統(tǒng)成本上升，并且效率低下。“機軌合一”的輔助運輸系統(tǒng)可減少運輸人員，提高運輸效率和縮短機車循環(huán)時間，同時也可以提高礦井的集成度，減少回采工作面設(shè)備的安裝，是建設(shè)現(xiàn)代化礦井重要的一部分。

然而通過“機軌合一”輔助運輸系統(tǒng)的分析研究，發(fā)現(xiàn)在實際的生產(chǎn)工作中，還是存在一些不可避免的問題。例如該系統(tǒng)對礦井的地質(zhì)條件要求較高，并不是所有井下都適合該系統(tǒng)。此外，由于目前的一些設(shè)備集成度和使用壽命無法與該系統(tǒng)完美匹配，也會降低該系統(tǒng)的能效。這些都是需要進一步解決的問題。