煤炭井下架空乘人裝置的設計

翟政凱

（煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030001）

引言

隨著國內煤礦生產設備的發展，煤礦架空乘人裝置開始逐漸被應用于井下生產作業，是結合生產環境、巷道特點所設計的一種繩索式人員運輸系統，可供作業人員于井下、地面之間往返。相對于其他運輸方式，井下架空乘人裝置承擔著全礦井下井員工的運輸任務，是一種安全又經濟的煤礦人員運送裝置。該裝置投資低、效率高、能耗低、無污染，是礦井生產的關鍵安全設備。

下面就以金家莊礦井為例，從架空乘人裝置的設備與布置選型設計方面，探討一下井下架空乘人裝置的設計。

1 金家莊礦概況

山西柳林金家莊煤業有限公司位于柳林縣縣城東南方向距縣城約10 km的金家莊鄉—雙棗圪塔一帶，行政區劃隸屬于金家莊鄉管轄。礦井下組煤水平延深后設計生產能力為175 萬t/年。

根據《煤礦安全規程》（2016）第三百八十二條的規定要求，長度超過1.5 km的主要運輸平巷或者高差超過50 m的人員上下的主要傾斜巷，應當采用機械方式運送人員，故金家莊煤業有限公司礦井在北膠帶大巷安裝了一臺架空乘人裝置來運送人員，以縮短工人上下班行走距離，減輕工人體力消耗，提高工作效率。該架空乘人裝置的驅動裝置、尾部及拉緊裝置均設在北膠帶大巷內。

2 北膠帶大巷架空乘人裝置布置及選型設計

2.1 架空乘人裝置設計要點

機頭機尾設壓繩裝置，單側壓繩（靠近帶式輸送機一側鋼絲繩回壓為0.3 m），鋼絲繩間距為0.9 m，吊椅中心距離巷道壁的最小距離為0.7 m，距帶式輸送機的距離為1 m，乘人吊椅距底板高度為0.3 m，吊座間距為8 m。該設計滿足《煤礦安全規程》（2016）第三百八十三條第2 項“吊椅中心至巷道一側突出部分的距離不得小于0.7 m，可摘掛抱索器（雙向同時運送人員）的鋼絲繩間距不得小于0.8 m，乘人吊椅距底板的高度不得小于0.2 m，乘坐間距不應小于牽引鋼絲繩5 s的運行距離，且不得小于6 m”，以及《煤礦井下煤炭運輸設計規范》（GB 51179—2016）中“帶式輸送機與巷道側幫的支護、管線、設施之間的距離，不應小于500 mm，各乘人站設上下人平臺，乘人平臺處鋼絲繩距巷道壁不小于1 m”的規定。鋼絲繩安全系數≥6，由于巷道同時安裝了架空乘人裝置和帶式輸送機，所以架空乘人裝置與帶式輸送機之間全程加裝防護欄板（網），且防護欄板（網）應足夠堅固。架空乘人裝置還要設置打滑、超速、全線急停、變坡點防掉繩、越位、張緊力下降等保護裝置。

2.2 礦井基本情況

金家莊北膠帶大巷為礦方已有巷道，巷道采用矩形斷面，巷道斜長約為950 m，傾角為-0.53°～8.46°，寬度為4.8 m，高度為3.2 m。巷道一側布置有寬度為1 200 mm的帶式輸送機，將架空乘人裝置布置在巷道另一側，綜合考慮到巷道和帶式輸送機寬度設計，選用了雙向可摘掛抱索器架空乘人裝置，井筒斷面布置如圖1 所示。

圖1 井筒斷面布置（單位：mm）

水平輸送距離Lh=855.422 m，平均角度4.597°，提升高度H=68.791m，輸送距離（斜長）L=858.18 m，吊座質量G1=15 kg，吊座間距L1=8 m，每米吊座質量q1=G1/8=1.875 kg/m，人員質量G2=95 kg，每米人員質量q=G2/8=11.875 kg/m，托繩輪質量G3=15 kg，托繩輪間距L2=6 m，每米托繩輪質量q2=G3/L2=2.5 kg/m，重力加速度g=9.81 m/s2。初選鋼絲繩規格20NAT6x36WS+FC1670-ZZ（無油），鋼絲繩直徑d=20 mm，每米鋼絲繩質量q0=1.52 kg/m，鋼絲繩最小破斷力F0=220 kN，換算系數k=1.226，鋼絲繩和托繩輪間摩擦系數f=0.035，頭部驅動輪直徑D=1 200 mm，繩速v=1.08 m/s，驅動輪圍包角α=180°，鋼絲繩與驅動輪輪襯間摩擦系數μ=0.25。

2.3 架空乘人裝置選型計算

本井下架空乘人裝置有滿載、空載、上運部分滿載且下運部分空載和下運部分滿載且上運部分空載四種運行工況。其中上運部分滿載且下運部分空載是最不利的工況，架空乘人裝置運行功率最大，因此本文按上運部分滿載且下運部分空載運行工況設計計算。

2.3.1 阻力計算

1）鋼絲繩上行滿載（滿員）時的阻力Fs=（q+q1+q2+q0）×f×Lh×g+（q+q0+q1）×H×g=（11.875+1.875+2.5+1.52）×0.035×855.422×9.81+（11.875+1.52+1.875）×68.791×9.81=15 524 N。

2）鋼絲繩下行空載（無人乘坐）時的阻力Fx=（q0+q2）×f×Lh×g－q0×H×g=（1.52+2.5）×0.035×855.422×9.81-1.52×68.791×9.81=154.9 N。

2.3.2 張力計算

尾輪進繩側鋼絲繩張力S3=Smin=1 000×q0×g+2 000=1 000×1.52×9.81+2 000=16 911.2 N。

尾輪出繩側鋼絲繩張力S4=1.01S3=1.01×16 911.2=17 080.3 N。

驅動輪進繩側鋼絲繩張力S1=S4+Fs=17 080.3+15 524=32 604.3 N。

驅動輪出繩側鋼絲繩張力S2=S3-Fx=16 911.2-154.9=16 756.3 N。

2.3.3 防滑驗算和鋼絲繩安全系數的校核

防滑驗算：S1/S2=1.946≤eμα=2.193，滿足要求。

鋼絲繩安全系數驗算：n=k×F0/S1=1.226×220×1 000/32 604.3=8.272＞6，滿足要求。

驅動輪直徑和鋼絲繩直徑之比值：1 200/20=60，滿足要求。

驅動輪直徑和鋼絲繩中最粗鋼絲直徑之比值：1 200/1.14=1 052.6＞900，滿足要求。

2.3.4 拉緊行程和尾輪拉緊力計算

1）拉緊行程S=0.01L=0.01×858.18=8.58 m，取S=10.5 m＞8.58 m，滿足要求。

2）尾輪拉緊力F拉=S3+S4=16 911.2+17 080.3=33 991.5 N。

要求尾部拉緊裝置對尾部改向輪拉緊力不小于本計算值。

2.3.5 電機功率計算

驅動輪圓周力P=S1-S2=15 848 N，驅動輪軸功率N0=PV/1 000=17.1 kW。

電機功率N=1.2N0/η=25.7 kW。式中：1.2 為電機功率備用系數；η 為傳動效率，η=0.8。

2.3.6 減速器計算

該架空乘人裝置的最大負載扭矩Mf=（S1-S2）×D/2=9 509 N·m。

2.3.7 驅動輪安全制動器制動力計算

驅動輪所需制動力Fz=2（S1-S2）=31 696 N。

2.3.8 高速端制動器制動力矩計算

減速器高速端所需的制動力矩Mz=2×45×9 550/980=877 N·m。

2.4 架空乘人裝置驅動裝置選型

該架空乘人裝置的驅動部型式為架空式單輪結構，驅動部主要包括防爆電機、防爆電力液壓塊式制動器、聯軸器、減速機、驅動輪、低速端驅動輪安全制動器、機架及聯接裝置等。主要設備選型如下：電動機YB3-280S-6，N=45 kW，n=980 r/min，一臺；減速機MC3RVH08-56，速比56，額定輸出扭矩為48 100 N·m，一臺；驅動輪安全制動器YQPCJ50-C112，制動力50 000 N；減速器高速端制動器BYWZ4B-400/121，制動力矩M=2 000 N·m。

2.5 架空乘人裝置速度驗算

鋼絲繩運行速度計算：

式中：K 為鋼絲繩運行時蠕動系數，取K=0.98；N 為電動機轉速，980 r/min；i 為減速機速比，i=56。計算得v=1.08 m/s≤1.2 m/s，滿足要求。

3 結論

以金家莊礦井膠帶大巷為例給出的架空乘人裝置的選型及計算方法，同樣適用于其他礦井架空乘人裝置的選型計算，以供同行參考。