單軌吊在四侯煤業輔助運輸系統中的應用

袁 揚

(中赟國際工程有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著煤礦綜采、綜掘的機械化和智能化，井下輔助運輸設施對煤礦生產效率的影響越來越重要。要提高煤礦生產效率就必須優化輔助運輸系統，使輔助設施在最短的時間內利用最佳的運輸方式輸送到井下的工作面位置，實現煤礦井下輔助運輸智能化運行[1-3]。以往的研究主要限于對傳統絞車運輸、單軌吊機車類型和設備構成等，如文獻[4]對傳統絞車接力運輸和單軌吊運輸分別從安全與效率、經濟效益方面進行了分析與對比；文獻[5，6]介紹了單軌吊機車運輸系統組成、基本構造與工作原理；文獻[7]對單軌吊輔運系統驅動方式及關鍵結構設計進行了探討；文獻[8]對單軌吊系統散料換裝、軌道懸吊、調車和車場布置等進行了介紹。

本文以四侯煤業接替采區15號煤一采區井下輔助運輸系統為例，介紹了單軌吊機車運輸與傳統輔助運輸兩種解決方案，從安全與效率、經濟效益及優缺點等方面進行對比和優選，最終確定采用單一運輸方式單軌吊機車運輸更適合接替采區15號煤一采區井下輔助運輸，并運用理論計算法對單軌吊機車進行了選型設計。

1 四侯煤業輔助運輸系統概況

四侯煤業現開采3號煤，水平標高為+625 m。目前，礦井井下輔助運輸方式為無級繩連續牽引車運輸設備、材料和矸石，人員由副斜井架空乘人裝置運送至井底后步行到達工作面。隨著開采的進一步延伸，現有井下輔助運輸系統已不能滿足輔助運輸需要，需對接替采區15號煤一采區輔助運輸方式重新選擇。

接替采區15號煤一采區水平標高為+528 m，+625 m水平與+528 m水平之間通過暗斜井連接。接替采區15號煤一采區輔助運輸路線為：軌道暗斜井→一采區軌道巷→15101工作面回風順槽，如圖1所示。軌道暗斜井斜長275.9 m、傾角21.7°；一采區軌道巷斜長1 055.3 m，傾角3.4°～1.8°；15101工作面回風順槽斜長981.9 m，傾角0°～2°。

圖1 接替采區15號煤一采區輔助運輸路線

運輸路線錯綜復雜、距離較遠，運輸的最大件為重20 t、高1.6 m、寬1.6 m的液壓支架。在如此復雜條件下，如何優化輔運系統、提高可靠性，進行多方案研究和設備選型設計成為提升運輸效率成敗的關鍵。

2 輔助運輸方式的選擇

煤礦井下輔助運輸方式主要有如下幾種：

(1) 無軌膠輪車：無軌膠輪車要求行駛的巷道寬度較大，尤其對巷道底板條件要求較高。本礦井已有副斜井傾角為16.5°，新開拓暗斜井傾角為17.5°，因此不適合采用無軌膠輪車運輸。

(2) 齒軌車：齒軌車以防爆柴油機或蓄電池為動力，采用機械或液壓傳動，適應開采近水平或緩傾斜煤層的礦井輔助運輸。

(3) 柴油卡軌車：柴油卡軌車適應巷道坡度不大于8°，具有承載大、機動靈活，可進入多條分支巷道運輸物料的優點。

(4) 電機車：電機車有架線機車和防爆特殊型蓄電池電機車，架線電機車只能在全風壓通風的低瓦斯礦井進風的主要運輸巷道內使用，須有整流和架線設施，不夠靈活；電機車運輸要求巷道坡度不得大于5‰，適合于平巷運輸。

(5) 無級繩牽引運輸：無級繩牽引運輸只適用于材料及設備運輸，無級繩絞車牽引運輸巷道坡度不宜大于12°，線路彎道處轉角不應小于120°，彎道平面曲率半徑不應大于40 m。

(6) 單軌吊機車運輸：單軌吊機車運輸是將運人人車、材料、設備等通過承載車或起吊梁懸吊在巷道頂部的單軌上，由單軌吊車的牽引機構牽引進行運輸的系統。單軌吊車用途廣泛，可在多種條件下運輸多種設備、材料和物料等，掛上人車可作輔助運人使用，并且對巷道坡度適用性比較強，電牽引機車運輸坡度達15°，柴油機車運輸坡度可達到25°，對巷道的水平曲線半徑可達到4 m，豎曲線半徑可達到8 m。單軌吊機車是煤礦井下，尤其是在采區上、下山和工作面巷道內用來運送材料、設備和人員的先進輔助設備之一。

上述(1)～(4)輔助運輸方式均適用于人員、材料、設備的運輸。通過以上對比分析，適合接替采區15號煤一采區的輔助運輸有兩種方式：

方式一：副斜井絞車提升(已有)+單軌吊機車運輸。

方式二：副斜井絞車提升(已有)+絞車提升(軌道暗斜井)+無級繩連續牽引車(一采區軌道巷、回風順槽)+架空乘人裝置(軌道暗斜井、一采區膠帶巷)。

接替采區15號煤一采區輔助運輸方式的選擇應優先考慮由單一運輸方式組成的輔助運輸系統，盡可能實現物料、設備或人員的直達運輸，減少運行環節，提高運行效率，進一步提升礦井的“四化”水平。對比以上兩種輔助運輸方式，確定單軌吊機車運輸作為接替采區15號煤一采區輔助運輸更具優勢。在軌道暗斜井上部車場設物料換裝站和人員換乘站，換裝站以前仍利用礦井現有窄軌輔助運輸系統，換裝站以后采用單軌吊運輸系統，承擔運輸人員、材料及大件設備。

3 單軌吊機車選型設計

接替采區15號煤一采區生產能力為0.9 Mt/a，矸石量5%，材料量6%；生產制度為年工作330 d，每天“四六制”，三班生產，一班準備。通過理論計算法對單軌吊機車進行選型設計。

3.1 主要參數的確定

運輸最大長度L：2 377.1 m；最大運輸角度：21.7°；運輸材料、矸石及人員平均速度：vp=1.4 m/s；運大件速度：vd=0.5 m/s；每班運輸材料量：Qc=54.55 t；每班運輸矸石量：Qg=45.45 t。

3.2 運輸材料機車臺數計算

(1) 機車運輸材料往返一次總時間為：

t1=ty1+td1.

(1)

其中：ty1為運輸材料往返一次運輸時間，ty1=2L/(60ksvp)，ks為速度影響系數，取0.8；td1為裝載與調車輔助時間，td1=8 min。將數值代入式(1)計算得：t1=78.75 min。

(2) 每臺機車每班往返次數為：

P1=60T/t1.

(2)

其中：T為每班運輸時間，取T=4.5 h。將數值代入式(2)計算得：P1=3.43次/(臺·班)。

(3) 每班運輸材料需用列車數為：

Nn1=kQc/(ZGy).

(3)

其中：k為運輸不均衡系數，取1.2；Z為每列車吊運礦車數量，取5輛；Gy為單個礦車額定載重量，取1.0 t。將數值代入式(3)計算得：Nn1=13.09列/班。

(4) 運輸材料機車數量為:

N1=Nn1/P1=3.82≈4臺.

由計算可知，從軌道暗斜井上部車場至工作面回風順槽運輸材料所需機車數量為4臺。

3.3 運輸矸石機車臺數計算

(1) 機車運輸矸石往返一次總時間t2與運輸材料往返一次的總時間一樣，為78.75 min。

(2) 每臺機車每班往返次數為：

P2=60T/t2=3.43次/(臺·班).

(3) 每班運輸矸石需用列車數為：

Nn2=kQg/(ZGy)=10.91列/班.

(4) 運輸矸石機車數量為：

N2=Nn2/P2=3.18≈4臺.

由計算可知，運輸矸石所需機車數量為4臺。

3.4 運輸人員機車臺數計算

(1) 機車單程運輸人員總時間為：

t3=tr+tsx.

(4)

其中：tr為從乘車點到下車點純運輸時間，tr=L/(60ksvp)；tsx為人車上下人時間，tsx=3 min。將數值代入式(4)計算得：t3=38.37 min。

(2) 每班運輸人員需用列車數：根據最大班人員數量85人，單軌吊運人每次吊掛20乘員的人車需3個，單列運人60人。按每班人員在45 min內完成運輸，因此每班運人需配機車數量2臺，可以滿足最大班人數85人的運輸需要。

3.5 運輸機車總臺數

通過計算，運送材料每班需列車數4臺；運送矸石每班需列車數4臺；運送人員每班需列車數2臺。因材料和矸石運輸方向相反，材料列車返程可以運輸矸石。材料與人員分時運輸，機車可以通用，因此選用4臺機車可滿足使用要求。

3.6 運輸機車牽引力

(1) 運送人員牽引力為：

F1=(M1+nrM2+nrZrM4+M5+nrM6+M8)×(sinα1+ωcosα1)g.

(5)

其中：M1為機車質量，M1=5 600 kg；M2為人車質量，M2=2 000 kg；M4為單人質量，M4=75 kg；M5為制動車質量，M5=400 kg；M6為起吊梁質量，M6=1 280 kg；M8為司機體重，M8=2×75 kg；ω為機車運行阻力系數，取w=0.02；α1為線路最大運行坡度，取α1=21.7°；nr為每列車牽引人車數，取nr=3輛；Zr為每輛人車乘車人數，Zr=20人；g為重力加速度。

(2) 運送材料牽引力為：

F2=(M1+ncM3+M5+n1M6+ncM7+M8)×(sinα1+ωcosα1)g.

(6)

其中：M3為材料運輸礦車質量，M3=610 kg；M7為礦車裝載質量，M7=1 000 kg；nc為每列牽引材料礦車數，nc=5輛；n1為每列車懸掛吊運梁數，n1=5組。

(3) 運送支架牽引力為：

F3=(M1+M5+M6+M8+M9)×(sinα1+ωcosα1)g.

(7)

其中：M9為液壓支架質量，M9=20 000 kg。

將數值代入式(5)～式(7)計算得：F1=70 994.1 N，F2=66 704.6 N，F3=104 494.9 N。

3.7 運輸機車防滑(下滑力F下滑)計算

(1) 運送人員時下滑力為：

F1下滑=(M1+nrM2+nrZrM4+M5+nrM6+M8)×(sinα1-ωcosα1)g.

(8)

(2) 運送材料下滑力計算：

F2下滑=(M1+ncM3+M5+n1M6+ncM7+M8)×(sinα1-ωcosα1)g.

(9)

(3) 運送支架下滑力計算：

F3下滑=(M1+M5+M6+M8+M9)×(sinα1-ωcosα1)g.

(10)

將數值代入式(8)～式(10)計算得：F1下滑=64 199.5 N，F2下滑=60 320.6 N，F3下滑=99 413.4 N。

取制動力FZ為240 kN，則運送人員時的防滑系數K1=FZ/F1下滑=3.74>2，運送材料時的防滑系數K2=FZ/F2下滑=3.98>2，運送支架時的防滑系數K3=FZ/F3下滑=2.41>2，均滿足要求。

3.8 運輸機車功率

(1) 運送人員機車功率為：

(11)

其中：k′為功率富裕系數，取k′=1.2。

(2) 運送材料機車功率為：

(12)

(3) 運送大件機車功率為：

(13)

將數值代入式(11)～式(13)計算得：N1=119.30 kW，N2=112.06 kW，N3=62.70 kW。

3.9 運輸機車選型

通過以上計算，設計選用DLZ210F-5/120型防爆柴油機單軌吊車，其額定牽引力為120 kN>F3，額定功率為142 kW>N1，制動力為240 kN>2F3下滑，能夠滿足使用要求。DLZ210F-5/120驅動部為5驅(3+2)，運人速度為1.4 m/s，運材料速度為1.4 m/s，運大件速度為0.5 m/s，重量為7 887 kg。

4 結語

(1) 四侯煤業接替采區15號煤一采區井下輔助運輸采用單軌吊機車運輸，省去了巷道底板軌道、斜巷“一坡三擋”等安全設施，杜絕了傳統地軌掉道、翻車、斷繩、跑車等重大運輸事故發生，屬一種本質安全型輔助運輸設備。

(2) 單軌吊機車運輸實現了從軌道暗斜井上部車場直達綜采工作面一條龍不停車運輸，大大提高了運輸效率。

(3) 單軌吊機車適應能力強，幾乎適應各類巷道。

(4) 單軌吊機車運輸，前期較傳統輔助運輸投入多369萬元，后期綜采工作面搬家拆除安裝效率可提高10%，每年為企業創造經濟效益約1 500萬元。