單軌吊運輸系統(tǒng)設(shè)計實踐與問題探討

馬登陸 劉成升

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500）

1 工程概況

東灘煤礦3302綜放工作面安裝128組液壓支架，其中ZF12000/23/45型掩護式低位放頂煤液壓支架87組，ZF12000/22/42型掩護式低位放頂煤液壓支架33組，軌、運順端頭分別安裝4組ZFG12000/25/45型可放煤端頭支架。

2 3302綜放工作面安裝方案

受3302軌順無輔助運輸條件限制，3302綜放工作面安裝期間，所有設(shè)備均由運順進入。根據(jù)運輸路線不同，制定設(shè)備安裝順序如下：

安裝軌順順槽支架→安裝工作面后部刮板輸送機→安裝工作面前部刮板輸送機→進、卸采煤機（隨前部運輸機卸車，待支架安裝完成后組裝）→安裝切眼內(nèi)液壓支架→組裝采煤機，安裝運順順槽支架、轉(zhuǎn)載機、破碎機→安裝運順帶式輸送機→安裝工作面電泵站。

3 單軌吊軌道運輸系統(tǒng)設(shè)計

3.1 運輸路線規(guī)劃

待裝設(shè)備由軌道大巷通過電機車運輸至換裝區(qū)域，使用單軌吊機車在換裝區(qū)域起吊裝車，重車經(jīng)運順聯(lián)、3302運順、3302切眼、3302軌順運輸至安裝地點。液壓支架部件運輸至3302運順支架組裝硐室內(nèi)，使用硐室內(nèi)安裝的風動葫蘆起吊組裝。組裝完成的液壓支架，經(jīng)3302運順運輸至3302切眼內(nèi)安裝。在軌道大巷內(nèi)選擇運輸量小的臨近巷道設(shè)置單軌吊機車檢修加油硐室，滿足單軌吊機車后期維護保養(yǎng)及油料存放需要。

3302 切眼內(nèi)設(shè)計3路軌道：切眼中布置一路，用于運輸安裝液壓支架；靠近前煤壁布置一路，用于運輸、安裝前部運輸機及采煤機；靠近后煤壁布置一路，用于運輸、安裝后部運輸機，此軌道前期敷設(shè)至3302軌順內(nèi)，同時用于安裝軌順內(nèi)順槽支架。前后部運輸機、采煤機安裝完畢后，拆除前、后部煤壁處單軌吊軌道，保留中部支架安裝軌道，在安裝支架的同時，回撤中部單軌吊軌道。

單軌吊運輸路線布置圖如圖1所示。

3.2 單軌吊軌道梁安裝工藝

3.2.1 安裝要求

支架運輸線路選用I140V型重型軌道梁，直軌長度2400mm/根，彎軌長度1000mm/根，軌道單點吊掛力允許最大載荷為61kN。單軌吊梁直線段應(yīng)目視直順，無明顯彎折，接頭擺角水平方向不超過3°，垂直方向不超過6°。彎道段軌道安裝曲線圓順，曲率半徑9m。軌道接頭過渡平順，水平、垂直偏差均不得大于2mm。下軌面接頭軌縫不大于3mm，直軌段軌縫不得大于4mm，彎道軌縫不得大于3mm。

圖1 單軌吊運輸路線布置圖

斜巷坡度在3°以上時，每5節(jié)軌道安設(shè)一組橫向穩(wěn)定拉桿，拉緊、穩(wěn)定單軌吊梁，防止單軌吊梁左右擺動較大。橫向穩(wěn)定拉桿按“V”字布置在軌道梁兩側(cè)，固定錨桿布置在軌道梁的上山側(cè)。斜巷坡度在3°以下時，每10節(jié)重軌安設(shè)一組側(cè)拉調(diào)節(jié)鏈。

每根單軌吊軌道梁采用2根錨桿懸吊于頂板。錨桿采用Φ22×2400mm高強度左旋無縱筋鋼錨桿，錨固形式為加長錨固，設(shè)計錨固力150kN。斷層區(qū)域每根單軌吊梁增加1根錨索加強錨固，錨索要求錨入穩(wěn)定巖層深度不小于1m。

3.2.2 錨固力驗算

單軌吊機車運行期間，按照最大載重量計算校核單軌吊梁錨固力。液壓支架單軌吊機車配置4個12t起吊梁，最大起吊能力48t。起吊梁重量共計7.7t，吊運液壓支架重量為38t，總重量為45.7t。每個起吊梁有4組承載滑車，平均分配在起吊梁的16組承載滑車上，每個滑車平均承載分力均為28.5625kN。每組起吊梁滑車間距905mm，正常單軌吊梁長度2400mm，按照滑車占用最少梁數(shù)進行計算。分析單軌吊懸吊梁受力狀態(tài)，吊掛點B分別受到四組滑車的合力，根據(jù)計算公式：

式中：

F-拉力總和；

fti-各滑車對吊掛點產(chǎn)生的分拉力，i=1～4；

f-滑車承載分力，28.5625kN；

x-滑車距吊掛點的任意距離。

圖2 單軌吊梁受力狀態(tài)分析圖

根據(jù)計算，每組吊掛點的拉力總和為71.17kN，按照3倍安全系數(shù)計算，每組吊掛點所需錨固力為213.51kN。每組吊點2根錨桿，考慮兩根錨桿受力不均衡系數(shù)，取1.2，則每根錨桿計算錨固力為128.106kN。吊掛錨桿的設(shè)計錨固力不低于150kN，滿足軌道使用要求。

4 單軌吊機車配置設(shè)計

4.1 單軌吊機車選型

3302 綜放工作面安裝期間選用KPCZ-148型柴油單軌吊機車運輸，發(fā)動機為6缸渦輪增壓柴油發(fā)動機，功率148kW，最大運行速度2.5m/s。機車配備干式尾氣冷卻系統(tǒng)，完善的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，串車頭尾配置攝像監(jiān)控系統(tǒng)，機車各關(guān)鍵位置配備自動滅火系統(tǒng)。

單軌吊機車驅(qū)動單元組一般有摩擦式驅(qū)動單元組及齒輪驅(qū)動單元組兩種形式。摩擦驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)簡單，單軌吊軌道梁加工方便，對單軌吊梁安裝精度要求不高，更能適應(yīng)復(fù)雜多變的井下施工環(huán)境，但牽引力較齒輪驅(qū)動單元低，需通過增加驅(qū)動單元數(shù)量以提高牽引力。通過兩種驅(qū)動單元組的對比，最終選擇使用摩擦式驅(qū)動單元組，每個驅(qū)動單元組設(shè)計牽引力20kN。

4.2 單軌吊機車組合配置

液壓支架專用單軌吊車組采用前四后四共計8組摩擦驅(qū)動單元牽引，中間部分配置4組起吊架及2臺動力單元組。設(shè)計最大牽引力160kN，最大爬坡能力30°。液壓支架專用單軌吊機車組配置4組起吊梁，每組起吊梁起重能力12t。使用2組專用起吊架吊裝液壓支架，起吊架通過橫梁連接在4組起吊梁上，最大起吊能力48t。

為滿足工作面安裝需要，安裝期間配置3臺單軌吊機車組：一臺在工作面內(nèi)安裝、吊運支架；一臺由軌道大巷內(nèi)向支架組裝硐室運輸設(shè)備部件；一臺在運順內(nèi)輔助安裝膠帶機等設(shè)施并協(xié)助運輸。

4.3 單軌吊機車驗算

3302 綜放工作面安裝期間，單軌吊機車運輸最重設(shè)備為ZF12000/25/45型排頭支架，支架整機重量38t。液壓支架使用單軌吊機車4組起吊梁通過專用起吊架同時起吊，累計起吊能力48t，起吊能力滿足支架運輸要求。

KPCS-148型柴油機單軌吊機車自重11t，額定牽引力160kN，單軌吊機車使用4組12t起吊梁，起吊梁重量為7.7t，起吊最大重量38t，運行總重量為56.7t。3302運順沿線最大坡度為10°，單軌吊機車牽引力在最大載重量、最大坡度下進行校核。根據(jù)牽引力驗算公式：

式中：

F-機車牽引力，kg；

P-機車自身重量，11000kg；

Q-起吊梁+運輸重物的重量，45700kg；

θ-運輸巷道的傾角，10°；

μ-摩擦系數(shù)，取0.04。

根據(jù)驗算結(jié)果，使用8組摩擦型驅(qū)動單元組牽引單軌吊機車，設(shè)計牽引力為160kN，大于計算牽引力118.38kN，滿足坡度在10°時運輸液壓支架的要求。

5 單軌吊運輸系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

5.1 使用期間存在的主要問題

（1）安裝位置巷道坡度變化及彎曲變化影響。在斜巷起坡時，單軌吊梁中線出現(xiàn)較大變化，尤其是變線過渡段距離較短，出現(xiàn)“S”型彎時，容易出現(xiàn)扭梁事故。

（2）單軌吊梁下高度不夠造成的影響。吊裝物在運行過程中剮蹭巷道底板，導(dǎo)致單軌吊機車運行阻力增大，單軌吊機車前部及后部驅(qū)動單元速度不同步，導(dǎo)致車組被擠壓彎曲，造成軌道梁扭曲變形。

（3）連續(xù)長距離上坡對軌道梁造成的影響。運順聯(lián)10°斜巷連續(xù)上坡，長度130m，當重載車輛通過該區(qū)段時，將斜巷內(nèi)軌道梁整體向下牽引，導(dǎo)致斜巷下部軌道梁接頭頂緊彎折，當超過一定限度時，發(fā)生變形、折斷損壞。

（4）錨桿錨固力不足造成的影響。3302切眼內(nèi)連續(xù)2處單軌吊梁吊掛錨桿被拉出，對運行安全造成影響。

（5）軌道梁焊接構(gòu)件斷裂影響。焊接構(gòu)件斷裂處一般發(fā)生在軌道梁上下折彎變化高點處，由于此處受力集中，如焊接質(zhì)量不合格，容易出現(xiàn)焊接點開焊情況。

5.2 設(shè)計優(yōu)化

（1）設(shè)計單軌吊軌道路線時，提前踏勘現(xiàn)場，避免位置設(shè)計不當造成軌道轉(zhuǎn)彎與起坡同時出現(xiàn)的情況。在彎道起點、終點及連續(xù)彎中部增加橫向穩(wěn)定拉桿，保證單軌吊梁橫向穩(wěn)定性，減少因單軌吊運行分力對軌道梁產(chǎn)生的不利影響。

（2）計算梁下高度時，提前預(yù)留出一定范圍的頂板下沉及底鼓的余量，減少設(shè)備拖底影響。

（3）在連續(xù)大坡度運行區(qū)段，變更單軌吊梁固定方式。將縱向吊掛變更為前2后1三點吊掛，前方兩根吊掛鏈向斜巷上部牽引固定住軌道梁，避免軌道梁受力后向下位移。增加橫向穩(wěn)定拉桿數(shù)量，將原間4加1的拉桿布置方式變更為間2加1，增加了單軌吊梁橫向穩(wěn)定性。

（4）變更單軌吊軌道梁錨固參數(shù)設(shè)計。在頂板圍巖破碎區(qū)段、頂板離層超限區(qū)段、交岔點及大斷面等區(qū)域，軌道梁吊掛點采用錨索替代錨桿，錨索錨入穩(wěn)定巖層1m以上，保證吊掛點的錨固力符合使用要求。

（5）對軌道梁安裝工藝進行優(yōu)化。安裝軌道梁期間，根據(jù)頂板變化情況，超前調(diào)整軌道梁安裝坡度，要求相鄰軌道梁坡度變化不超過2°，避免因軌道梁坡度突變，造成受力集中點。

（6）統(tǒng)籌規(guī)劃單軌吊運行路線，避免因路線設(shè)計不當影響單軌吊機車效率發(fā)揮。設(shè)計前期，應(yīng)會同安裝使用部門進行單軌吊路線規(guī)劃設(shè)計，根據(jù)安裝設(shè)備布置情況詳細考慮機車運行路線、錯車位置等，以達到運輸系統(tǒng)效率最大化。

6 結(jié) 語

單軌吊運輸在老舊礦井運輸系統(tǒng)升級改造過程中，需要設(shè)計工程師結(jié)合現(xiàn)場實際優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，不斷改進工藝，彌補漏洞，從而更好地為現(xiàn)場安全生產(chǎn)服務(wù)。