斜坡道錯(cuò)車(chē)硐室結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

劉克安

（中國(guó)有色金屬建設(shè)股份有限公司，北京）

我國(guó)地下礦山無(wú)軌采掘設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用，采用無(wú)軌斜坡道開(kāi)拓在礦山開(kāi)采中起到非常重要的作用。斜坡道開(kāi)拓系統(tǒng)相比其他開(kāi)拓方式，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，礦山基建周期短，礦山基建投資少的優(yōu)勢(shì)[1-2]。尤其對(duì)于露天轉(zhuǎn)地下的礦山以及埋深較淺的礦床，采用斜坡道開(kāi)拓的優(yōu)勢(shì)愈加明顯，如今國(guó)外大部分地下礦山都傾向于采用斜坡道開(kāi)拓，國(guó)內(nèi)從20 世紀(jì)90 年代起也開(kāi)始興起無(wú)軌采掘設(shè)備斜坡道開(kāi)拓技術(shù)的發(fā)展[3]。地下無(wú)軌采掘設(shè)備具有機(jī)動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)單、裝卸方便、運(yùn)輸速度快、運(yùn)輸量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)新建大型礦山中得到廣泛應(yīng)用[4]。為了使斜坡道運(yùn)輸能力與礦山生產(chǎn)規(guī)模相匹配，需要在降低基建開(kāi)拓投資的條件下，盡可能提升斜坡道的通行能力及運(yùn)輸能力。斜坡道運(yùn)輸能力受到巷道斷面尺寸的限制，以及主要運(yùn)輸設(shè)備選型配置的影響，在地下特殊作業(yè)環(huán)境中，合理的斜坡道錯(cuò)車(chē)硐室結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置，可以提升斜坡道運(yùn)輸設(shè)備的通行能力，提高地下礦山的生產(chǎn)效率。

1 工程背景

國(guó)外某大型地下鉛鋅礦，礦體埋藏較淺，開(kāi)拓深度小于300 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模100 萬(wàn)t/a，采用斜坡道開(kāi)拓方式，無(wú)軌設(shè)備運(yùn)輸。斜坡道布置于礦體下盤(pán)，采用折返式向下延深，出口位于礦體北部，斜坡道總長(zhǎng)度約為2 km。斜坡道斷面根據(jù)運(yùn)行期間無(wú)軌設(shè)備外形尺寸及通風(fēng)要求確定，并且滿足基建期的設(shè)備懸掛與運(yùn)輸要求，設(shè)計(jì)的斜坡道直線段的凈斷面規(guī)格（寬×高）：5 000 mm×4 200 mm。按照規(guī)范要求斜坡道應(yīng)設(shè)躲避硐室或人行通道，設(shè)置人行道的主斜坡道行車(chē)視野更優(yōu)，行車(chē)速度更快。因此，在斜坡道一側(cè)設(shè)置人行通道。斜坡道開(kāi)拓系統(tǒng)示意如圖1 所示。

圖1 斜坡道開(kāi)拓系統(tǒng)示意

2 斜坡道運(yùn)輸能力

將道路通行能力應(yīng)用于礦山斜坡道，則可驗(yàn)證斜坡道的運(yùn)輸能力，需首先計(jì)算斜坡道的行車(chē)密度，再根據(jù)汽車(chē)的有效運(yùn)輸時(shí)間計(jì)算出斜坡道的運(yùn)輸能力[5]。斜坡道開(kāi)拓的礦山中，斜坡道需擔(dān)負(fù)全礦的礦石、廢石、人員、材料和設(shè)備的運(yùn)輸，斜坡道運(yùn)行設(shè)備情況統(tǒng)計(jì)如表1 所示。斜坡道的行車(chē)密度和卡車(chē)載重是斜坡道運(yùn)輸能力的兩個(gè)主要影響因素，經(jīng)過(guò)對(duì)斜坡道運(yùn)輸能力計(jì)算[6]，礦山斜坡道的行車(chē)密度約為14 輛/h。斜坡道行車(chē)密度計(jì)算如表2 所示。

表2 斜坡道行車(chē)密度計(jì)算

3 錯(cuò)車(chē)硐室的結(jié)構(gòu)形式

斜坡道錯(cuò)車(chē)硐室的結(jié)構(gòu)形式有T 型錯(cuò)車(chē)硐室和平行錯(cuò)車(chē)硐室兩種形式，錯(cuò)車(chē)硐室的主要功能是滿足單行斜坡道內(nèi)的對(duì)向行駛車(chē)輛的錯(cuò)車(chē)，其次還要作為斜坡道基建開(kāi)拓期間的存矸、出矸硐室。錯(cuò)車(chē)硐室的結(jié)構(gòu)尺寸考慮井下最大鏟裝運(yùn)輸設(shè)備的外形尺寸，本工程中斜坡道基建開(kāi)拓期間采用30 t 礦卡搭配10t 鏟運(yùn)機(jī)出矸，生產(chǎn)期采用42 t 礦卡搭配14 t 鏟運(yùn)機(jī)完成出礦，設(shè)備最大外形尺寸為長(zhǎng)×寬×高：11 m×3.05 m×3.14 m。

斜坡道錯(cuò)車(chē)硐室的位置應(yīng)布置于斜坡道直線段，坡度近水平便于車(chē)輛停靠錯(cuò)車(chē)，斜坡道聯(lián)絡(luò)道與分段巷道銜接處可設(shè)置錯(cuò)車(chē)硐室，兼做錯(cuò)車(chē)硐室及聯(lián)絡(luò)道入口。根據(jù)設(shè)備的運(yùn)輸尺寸并考慮安全間隙，T 型錯(cuò)車(chē)硐室沿斜坡道方向的總長(zhǎng)度25 m（包含斜坡道正常段10 m），錯(cuò)車(chē)及存矸硐室長(zhǎng)度15 m，錯(cuò)車(chē)硐室與斜坡道銜接處切3 m×3 m 等邊三角，以滿足設(shè)備轉(zhuǎn)彎半徑需求，銜接處頂板挑高7 m，滿足鏟運(yùn)機(jī)裝車(chē)需求。T型錯(cuò)車(chē)硐室的結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。平行錯(cuò)車(chē)硐室沿斜坡道方向的總長(zhǎng)度25 m（包含斜坡道正常段6 m），按照最大車(chē)寬3.2 m 的兩倍、兩側(cè)安全間隙0.6 m 的兩倍及錯(cuò)車(chē)安全距離1 m 考慮，平行錯(cuò)車(chē)硐室的寬度8.6 m，加寬存車(chē)段長(zhǎng)度13 m，存矸硐室長(zhǎng)度12 m，斜坡道與錯(cuò)車(chē)硐室銜接處切3 m×3.6 m 斜三角便于錯(cuò)車(chē)，錯(cuò)車(chē)硐室頂板挑高6 m，以滿足鏟運(yùn)機(jī)裝車(chē)需求。平行錯(cuò)車(chē)硐室的結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

圖2 T 型錯(cuò)車(chē)硐室結(jié)構(gòu)

圖3 平行錯(cuò)車(chē)硐室結(jié)構(gòu)

斜坡道兩種錯(cuò)車(chē)硐室的空頂面積均較大，對(duì)于大斷面錯(cuò)車(chē)硐室的支護(hù)設(shè)計(jì)，巷道支護(hù)暫按Ⅲ級(jí)圍巖進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用錨桿+噴射混凝土支護(hù)+鋼筋網(wǎng)隨掘進(jìn)進(jìn)行初次支護(hù)，錨桿采用φ47.5×3 管縫式錨桿，錨桿長(zhǎng)度L=2 400 mm，間排距1.0 m×1.0 m，鋼筋網(wǎng)片100 mm×100 mm×6 mm，噴射混凝土厚度150 mm，強(qiáng)度為C25；在錯(cuò)車(chē)硐室全部掘進(jìn)完成后，采用錨索進(jìn)行二次加固支護(hù)，錨索采用兩根直徑15.2 mm 錨索，長(zhǎng)度6 300 mm，間排距2 000 m×2 000 mm，使用錨索臺(tái)車(chē)完成支護(hù)工作。若遇到含水層、局部不穩(wěn)定、破碎巖層段，根據(jù)圍巖條件調(diào)整錯(cuò)車(chē)硐室的位置或改變支護(hù)參數(shù)。

相比斜坡道T 型錯(cuò)車(chē)硐室和平行錯(cuò)車(chē)硐室，兩種錯(cuò)車(chē)硐室在具體工程應(yīng)用中各有優(yōu)劣，T 型錯(cuò)車(chē)硐室的掘進(jìn)及支護(hù)工程量小，頂板暴露面積小易于頂板支護(hù)，施工較為簡(jiǎn)單不影響斜坡道的建設(shè)進(jìn)度，平行錯(cuò)車(chē)硐室的基建開(kāi)拓量較大，但是平行錯(cuò)車(chē)硐室的通行能力大，錯(cuò)車(chē)過(guò)程也更為安全高效。兩種錯(cuò)車(chē)硐室的對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表3。對(duì)于本工程斜坡道運(yùn)輸能力的實(shí)際需求，斜坡道內(nèi)行車(chē)密度較大，適合采用平行錯(cuò)車(chē)硐室結(jié)構(gòu)形式。

表3 兩種錯(cuò)車(chē)硐室的對(duì)比結(jié)果

4 斜坡道交通信號(hào)管控系統(tǒng)

斜坡道通過(guò)交通信號(hào)控制系統(tǒng)，以車(chē)輛優(yōu)先級(jí)別為控制規(guī)則，能夠引導(dǎo)斜坡道內(nèi)行車(chē)規(guī)范，提升斜坡道內(nèi)車(chē)輛通行能力和運(yùn)輸效率，有效減少斜坡道運(yùn)輸事故的發(fā)生[7]。斜坡道交通信號(hào)管控系統(tǒng)由交通燈控制和車(chē)輛精確定位兩個(gè)部分組成，車(chē)輛定位和人員精確定位系統(tǒng)是同一套系統(tǒng)，交通燈控制軟件通過(guò)車(chē)輛精確定位系統(tǒng)對(duì)井下車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤定位，獲取車(chē)輛的類型、位置變化得到車(chē)輛運(yùn)行軌跡等信息；系統(tǒng)軟件通過(guò)獲取的井下車(chē)輛實(shí)時(shí)位置信息結(jié)合井下車(chē)輛行駛規(guī)則判斷出井下各路口信號(hào)燈的顏色，從而以既定的交通原則指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到各區(qū)域的交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)井下交通燈智能化管控。斜坡道交通信號(hào)控制系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 斜坡道交通信號(hào)控制系統(tǒng)

斜坡道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的邏輯依據(jù)車(chē)輛通行的邏輯，斜坡道內(nèi)車(chē)輛通行的邏輯為“輕車(chē)讓重車(chē)、小車(chē)讓大車(chē)、下行車(chē)讓上行車(chē)”。在斜坡道內(nèi)兩車(chē)相向而行，上行車(chē)輛與下行車(chē)輛錯(cuò)車(chē)避讓在錯(cuò)車(chē)硐室內(nèi)進(jìn)行，上行車(chē)輛一般是連續(xù)行駛的重車(chē)，因此以下行車(chē)輛避讓上行車(chē)輛為原則，當(dāng)下行車(chē)輛和上行車(chē)輛同時(shí)相向駛向單行區(qū)段2，當(dāng)下行車(chē)輛下行越過(guò)信號(hào)燈6，進(jìn)入避讓點(diǎn)3 時(shí)，信號(hào)燈4 為紅燈，提示下行車(chē)輛提前到避讓點(diǎn)2 避讓，交通控制系統(tǒng)控制邏輯示意如圖5 所示。當(dāng)小車(chē)與大車(chē)相遇時(shí)，實(shí)時(shí)定位車(chē)輛的位置，根據(jù)車(chē)輛的類型確定優(yōu)先級(jí)，以同樣的控制邏輯控制交通信號(hào)燈，實(shí)現(xiàn)斜坡道內(nèi)車(chē)輛在錯(cuò)車(chē)硐室內(nèi)的合理避讓。

圖5 交通控制系統(tǒng)控制邏輯示意

5 結(jié)論

本文以國(guó)外地下礦山斜坡道內(nèi)錯(cuò)車(chē)硐室的合理設(shè)置為背景，通過(guò)分析得出以下幾點(diǎn)總結(jié)：

（1） 對(duì)于該礦山斜坡道的行車(chē)密度進(jìn)行計(jì)算，礦山斜坡道的行車(chē)密度約為14 輛/h，可見(jiàn)單一斜坡道的行車(chē)密度比較大，需要設(shè)置合理的錯(cuò)車(chē)硐室，以提升斜坡道的通行能力。（2） 對(duì)比斜坡道T 型錯(cuò)車(chē)硐室和平型錯(cuò)車(chē)硐室的結(jié)構(gòu)形式，分析認(rèn)為平行錯(cuò)車(chē)硐室的通行效率高，適合于該礦山單一斜坡道的運(yùn)輸需求。（3） 通過(guò)設(shè)置斜坡道交通信號(hào)管控系統(tǒng)，按照規(guī)定的行車(chē)優(yōu)先級(jí)控制原則，能夠提升斜坡道的通行能力和運(yùn)輸效率。