大倾角斜井开拓煤矿混合辅助运输设计

赵海兴

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

煤矿井下辅助运输主要运输线路为地面到工作面、工作面到地面、工作面或采区之间的周转等，具有运输线路随工作地点的延伸或迁移而经常变化，工作地点分散、运输线路复杂，待运物料品种繁多及形状各异，设备必须防爆等特点[1]。国家能源局公告[2019]2号：截至2018年12月底，我国煤矿安全许可证等证照齐全的生产煤矿3373处，已核准(审批)、开工建设煤矿1010处。陕蒙地区平硐或斜井煤矿均采用无轨胶轮化辅助运输系统；竖井煤矿也全面采用无轨胶轮化辅助运输方式；全系列的无轨胶轮车功能齐全、承载能力强、运行速度快，使人员、物料及煤矿生产设备实现点对点运输，高效和减人的突出优势已被证实。

但是无轨胶轮车的牵引能力和制动效能不能适应巷道倾角大于20°的长距离斜井煤矿，所以大部分斜井开拓煤矿尤其是中小煤矿仍然采用小电机车和小绞车牵引的有轨辅助运输方式。随着井型和开拓范围的扩大，辅助运输距离越来越长，巷道地面起伏不平和顶板条件差等导致了有轨辅助运输方式效率低下以及事故率偏高[1]。考虑有轨和无轨混合辅助运输方式，在斜井巷道采用架空乘人及地面轨道运输方式，在煤矿井下进行换装后采用无轨胶轮车运输方式[2]，可提高人员、物料及煤矿生产设备的运输效率。笔者对王坡煤矿防爆无轨胶轮车的应用工艺及设计特点进行了探究分析。

1 山西天地王坡煤业辅助运输情况

1.1 巷道条件及硐室布置

矿井生产能力300万t/a，副斜井倾角23°，长度606m；巷道断面宽5m，高3.6m；辅运大巷宽4.3m、高3.1m，路面混凝土硬化厚度200～300mm，顶板采用锚杆、锚索支护并喷浆处理，受矿压影响巷道底鼓和片帮严重，巷道局部断面宽4.0m、高2.6m；巷道粉尘较大，需要用淋水或洒水进行降尘处理；工作面运输巷宽5m、高3.1m；巷道路况有底鼓变形。矿井井下运输路况为连续下8°坡600m，平直路段100m，紧接着连续下6°坡；往返一趟14km。

副斜井1布置有双排轨道，同时相向运行的入井或升井矿车由双滚筒绞车1完成。换装硐室位于副斜井底，长30m、宽6m、高7m，硐室连接副斜井和辅运大巷，如图1所示。设计有10t+10t和20t+20t行车各一部；10t行车用于小型机电设备及散料的换装；20t行车用于支架或其他大型设备的换装。巷道硬化平整近水平，轨道平面与硬化地面齐平，布置有两排轨道，矿车可双排通行。换装硐室与副斜井1之间设有一段安全转弯，防止绞车失控，轨道运输车辆直接冲入换装硐室。车辆检修硐室如图1所示，长70m、宽7m、高8m，装有5t行车一部和5t吊链数条用于车辆大型部件的换装；为方便车辆检修、维护和保养，设置有地沟。

图1 副斜井井口及井底换装站示意图

1.2 辅助运输工艺

由于该矿井是将井下的有轨运输更改为无轨运输，辅运大巷车辆只能单车道运行，可在联巷调头。为了避免上行车辆和下行车辆迎面相遇，导致辅运大巷堵塞，车辆上安装有定位卡，且在巷道中设置有信号接收基站和交通信号指示。当交通信号指示灯变为红色时，表明有车辆正在上行，由此下行车辆等待，直至信号指示灯变为绿色下行车辆方可开始运行。

1.2.1 人员运输

人员乘坐“猴车”通过副斜井2运行600m、步行100m后到达候车硐室，乘坐无轨胶轮车经环形车道、辅运大巷到联巷口，然后步行到工作面；由于工作面巷道尺寸较小，非特殊情况，人员运输车辆不进入工作面。

1.2.2 物料运输及综采设备搬运

物料及综采设备通过牵引绞车1辅助运送到井底，直接进入换装硐室，换装硐室的宽度尺寸可保证无轨胶轮车与轨道矿车的并列，用10t+10t行车起吊矿车，通过分别控制两个10t起吊绳索的高度，横向移动行车到货厢上方将物料卸载到无轨胶轮车上，井底物料换装方式如图2所示。袋装的水泥和沙子与石子装载到额定1.5t的矿车运至换装硐室，8t材料运输车货厢可容纳5辆矿车的货物，总载荷约为8～9t。大长物料使用专用平板车运输，为了提高运输效率，可以将平板车和物料一同吊入8t材料运输车货厢内运输，也可将大长物料绑扎后吊入货厢内运输。8t材料运输车运行线路如图1中的箭头所指，从辅运大巷经过环形车道到换装硐室，再到辅运大巷运行至联巷，利用8t车双向驾驶操纵的优点，驾驶员乘坐前座椅驾驶车辆反向行驶到指定地点，后翻自卸快速卸载；该辅助运输工艺可提高运输效率及安全性。工作面运输巷的物料运输由双向驾驶、侧翻自卸的3t材料运输车完成。为了提高无轨胶轮车在大巷或工作巷的爬坡附着性能，在局部路段布置有表面防滑处理的钢板。

图2 井底物料换装示意图

采煤机部件、液压支架放置在平板车上，通过牵引绞车1辅助运送到井底，采用20t+20t行车换装到40t框架式支架搬运车上运送至工作面；移变列车、刮板输送机拆解后的零部件由40t框架式支架搬运车或8t材料运输车运送到工作面。液压支架和采煤机前后摇臂和滚筒的回撤搬运均由40t框架式支架搬运车完成；中部槽可采用4t多功能车逐个转移到8t车上运送至新工作面。

1.2.3 无轨胶轮车入井及升井

无轨胶轮车由单滚筒牵引绞车2辅助入井或升井。入井时无轨胶轮车尾部与绞车连接，车辆Ⅰ档运行并启动绞车，缓慢的从斜井口驶入到井底。当车辆需要升井进行维修时，人员运输车和材料运输车不需要自驱动，只要保证车辆转向和制动正常工作，由绞车牵引车辆升井；重型搬运车需要自身驱动并需慢速绞车牵引升井，车辆行驶速度和绞车牵引速度须保持同步。

2 无轨胶轮车车型配置

王坡煤业每班入井人员约400人，考虑井下车辆的污染、巷道会车及井下各作业点人员分布特点等因素，配置多辆机械传动、四档位变速的29座人员运输车循环运行完成任务。单班入井物料约为150t，回收物料80t，配置8t材料运输车为主力车型，3t材料运输车为辅助车型。同时由两辆8t车专门点到点运输混凝土，完成路面硬化工作。无轨胶轮车型配置见表1。

表1 王坡煤业无轨胶轮车特征及配置数量

由表1可以看出，8t材料运输车使用频繁且运行时间长，该车型设计完全适应王坡煤矿井下狭窄和低矮的巷道条件，符合运输工艺。

3 无轨胶轮车设计特点

3.1 8t材料运输车

3.1.1 总体设计

8t材料运输车长8215mm、宽2360mm、高1860mm；整车最小离地间隙为335mm；货厢侧围板上边沿距地面1400mm；外形如图3所示。

图3 8t材料运输车外形示意图

为降低前车架高度，采用井下工程类车辆常用的驾驶舱布置在前车架一侧并位于轮胎前方的方案，方向盘相对驾驶员呈侧向布置，方便实现双向驾驶操纵，可调式减振座椅、加速和制动踏板均沿方向盘轴线对称设置，驾驶员可面向车辆运行方向前进或后退驾驶，方便在不能调头的狭窄巷道中装卸货物。为提高双向加速操控的灵敏性和可靠性，采用气压式比例加速装置；换向和档位操纵也采用气压式控制，这两项技术易于实现双向操纵。充分比较运输车辆空气弹簧悬挂、钢板弹簧悬挂和油气弹簧悬挂的优缺点，采用专门设计的前后油气悬挂系统[3]。前后橡胶充填轮胎为定制设计，既可保证承载能力又能降低整车高度。

后车架设计为无支撑桥边梁套架式结构，货厢装卸高度可调节，具有装卸高度低、自卸性能好的特点。货厢后挡板可快速拆装，运输散料及混凝土时需安装后挡板，其余作业拆除后挡板[3，4]。当顺槽车(宽度尺寸1600mm，整车整备质量6200kg)出现故障时，可直接装载到8t材料运输车货厢内，如图4所示，最大高度2670mm，被运送到指定地点。

图4 8t材料车装载顺槽车示意图

为了增强整车在低矮巷道的通过能力，两种悬挂油缸的振动阻尼行程不大于150mm，可实现车身高度调节；当悬挂油缸的活塞杆伸出一半行程时，车辆处于水平姿态，这时变速箱到驱动桥的传动轴夹角最小，利于车辆正常行驶。阻尼行程的确定一方面要保证车辆能越过矩形坑或障碍物时不损坏车架；另一方面当悬挂油缸活塞杆缩至最短或伸出最长时传动轴的工作夹角小于许用角度。

3.1.2 动力传动系统设计

整车设计为综合式驱动桥前轮驱动，后轮从动；防爆柴油机匹配国产单级双相综合式液力变矩器和前进、后退各三个档位的动力换挡变速箱，具体技术参数见表2。将车辆运行路普及工况和运输载荷作为边界条件，依据工程车辆液力传动系统全功率匹配原则进行计算，车辆在防爆柴油机油门全开状态时Ⅰ档升Ⅱ档的柴油机转速为1880r/min，Ⅱ档升Ⅲ档的柴油机转速为1930r/min；Ⅲ档降Ⅱ档的柴油机转速为2290r/min，Ⅱ档降Ⅰ档的柴油机转速为2350r/min；变速箱换挡对应的柴油机转速均在常用的转速范围，且柴油机与变矩器共同工作曲线在变矩器高效(≥75%)工作区间。传动油散热采用水冷却方式，不受防爆柴油机风扇转速影响，传动效率稳定，低速持续爬坡能力更强，满足矿井使用要求。

由表2可知，整车轴荷分配合理，前轮的附着能力满足牵引要求；防爆柴油机和变矩器的技术特性参数选取及匹配计算合理；动力换挡变速箱各档位速比和驱动桥速比设计分配合理。

表2 动力传动系统的主要技术参数

3.1.3 制动系统设计

由于8t材料运输车在井下运行路况坡度大、距离长，要求整车设计的驻车制动及行车制动安全可靠。驻车制动由前驱动桥失压型弹簧制动器和后轮失压型弹簧制动器共同作用实现。行车制动由前驱动桥液压给油多盘湿式制动器和后轮失压型弹簧制动器共同作用完成，液压控制系统为双回路控制；制动踏板阀为双阀体，通过该阀实现前轮制动器给油制动与后轮制动器卸油制动同步，使前、后轮制动同时起作用且制动特性基本一致，提高了整车运行安全系数，得到了矿方的高度认可。

3.1.4 工作装置设计

整车货厢内宽设计为1650mm，货厢底板距地面设计为580mm；如前所述，货厢可直接装载顺槽车。为了满足长件物料尤其是散料的快速卸载要求，货厢内部设计为平整型结构；为了提高散件或小型零部件的换装效率，轨道矿车外形尺寸小于货厢内空间尺寸，轨道矿车及散件或小型零部件一并装载到货厢内部，将货厢底板尾部上翘一定角度可防止货厢内轨道矿车溜出，同时需要在货厢尾部用绳索进行捆绑，货厢装载轨道矿车如图5所示。

图5 8t材料车装载轨道矿车示意图

货厢采用后翻自卸方式，为了使货厢的自卸角度大于煤矿井下散装物料的安息角、货厢最大举升高度小于巷道净高度，货厢嵌入式安装在后车架上，左右两个双级举升油缸倾斜对称布置在货厢的外侧，一端与后车架纵梁连接，另一端与货厢侧板中上部连接，货厢侧板可将油缸及后轮胎防护起来，而且要使货厢的上边沿离地面高度低，扩大倒车行驶时的可视范围。

3.2 其他无轨胶轮车

29座人员运输车设计为六缸大功率防爆柴油机，机械传动、三个档位切换；车辆客厢与驾驶室之间设计有信号联络，保证人员上下乘坐安全。3t材料运输车设计四气门涡轮增压柴油机匹配静液压闭式传动系统，无级变速；整车外形尺寸完全满足矿井工作面巷道运行；货厢设计为侧翻自卸方式，卸载快速，最大自卸高度小。40t框架式支架搬运车为封底式结构型式，底板尾部可接地，并设计有双牵引绞车和双推移油缸，方便卸载液压支架；除运送支架外，还可以运输其他大型设备装卸省时、省力。

由此可见，王坡煤业配置的无轨胶轮车可完成人员、物料及设备的运输和搬迁任务。每种无轨胶轮车的设计完全依据矿井巷道条件和辅助运输工艺。

4 无轨胶轮车应用效果

4.1 运输效率提高

山西天地王坡煤业采用无轨辅助运输方式后，人员从井下换装站乘车到工作面的时间由60min缩短到20min，且极大减轻了工人的劳动强度；物料运输量由120t增加到480t；综采工作面搬家倒面时间由90d缩短到30d[7]。

4.2 运输安全性提高

采用有轨、架空乘人和无轨混合辅助运输方式减少了转载环节和人员的数量，间接提高了辅助运输的安全性；避免了轨道运输系统中增加的辅助设施，减少了机械安全隐患；特别在工作面设备安撤运输中，随着机械化程度的提高、工作面设备安撤时间缩短，安全管理难度明显降低；同时减少了作业人员高强度作业时间，间接预防了人员伤亡事故的发生[8-11]。

5 结 论

1)在规划煤矿辅助运输系统时，设备的设计不仅要依据运输量和外形尺寸等技术参数，而且要从煤矿的地质状况、运输效率等因素进行全局考虑，特别是要考虑这几种因素的相互影响。大倾角斜井开拓煤矿采用架空乘人装置和无轨胶轮车混合的人员运输方式、有轨和无轨快速换装的物料及设备运输方式是必然选择。

2)王坡煤业从有轨运输更改为无轨运输方式，设备及材料通过轨道平板车运输到井底后换装到无轨胶轮车上，根据设备及材料的种类设计并配置最佳胶轮车型，实现“点到点”运输，形成了独特的辅助运输工艺。由于煤矿的产能不大，工作面的设备载荷小，材料运输车的额定载荷在8t以下、设备搬运车辆额定载荷在40t以下即可满足使用需求，且无轨胶轮车外形尺寸及举升最大高度可满足巷道要求。

3)对拟采用架空乘人、有轨和无轨的混合辅助运输的斜井开拓煤矿，井下巷道设计执行《煤矿用防爆柴油机无轨胶轮车安全使用规范》(AQ 1064—2008)。在换装系统设计中应充分考虑无轨与有轨的换装要求，满足换装能力，保证有轨与无轨运输的连续性、尽量实现机械化作业。