煤礦無軌輔助運(yùn)輸適用條件及裝備選型研究

何景強(qiáng)

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

隨著我國煤礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，機(jī)械化程度較高的無軌輔助運(yùn)輸工藝己成為高產(chǎn)高效礦井的標(biāo)配。無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)涉及巷道及硐室施工、礦井通風(fēng)、輔助運(yùn)輸工藝、裝備配套選型等眾多方面，只有各方面配套協(xié)調(diào)才可發(fā)揮其高效的運(yùn)輸能力[1-3]。目前無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)為《煤礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車安全使用規(guī)范》(AQ 1064—2008)、《煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50533—2009)、2016版《煤礦安全規(guī)程》，但隨著國內(nèi)無軌輔助運(yùn)輸裝備的高速發(fā)展，煤礦開采設(shè)計(jì)院、無軌膠輪裝備生產(chǎn)廠家、煤礦業(yè)主三者之間存在一定的信息壁壘，從而給礦井輔助運(yùn)輸?shù)脑O(shè)計(jì)、裝備選型及采購帶來一定困難，導(dǎo)致部分煤礦的無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)輸效率不理想、采購的設(shè)備不適用、投資過大等現(xiàn)象。另外，部分采用有軌運(yùn)輸?shù)睦吓f礦井為了進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益，有軌運(yùn)輸改造成無軌運(yùn)輸?shù)男枨笠苍絹碓蕉郲3]，因此研究無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)適用條件及裝備選型，可以更好的發(fā)揮無軌輔助運(yùn)輸?shù)男?，避免無效或過度投資具有一定的指導(dǎo)意義。

1 無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的適用條件

煤礦輔助運(yùn)輸是指除運(yùn)輸煤炭以外的所有運(yùn)輸，主要運(yùn)輸對(duì)象包括人員、矸石、設(shè)備、輔助材料等，主要運(yùn)輸線路為地面到工作面、工作面到地面、工作面或采區(qū)之間的周轉(zhuǎn)等。因此采用無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的礦井，其巷道寬度、高度及路面的抗壓強(qiáng)度必須滿足無軌膠輪車滿載運(yùn)行的要求，具體涉及巷道、各種硐室、通風(fēng)等要求。

1.1 無軌膠輪車適用的巷道條件

1.1.1 巷道斷面

巷道寬度應(yīng)滿足車輛安全行駛的需要。根據(jù)2016版《煤礦安全規(guī)程》要求，車輛單向行駛的巷道，巷道寬度應(yīng)滿足車輛最外側(cè)至巷道兩側(cè)壁突出物的間距不少于500mm；巷道高度應(yīng)滿足車輛滿載貨物時(shí)的最高點(diǎn)與巷道頂部突出物最低點(diǎn)的距離不少于500mm[1]。目前，無軌輔助運(yùn)輸中以框架式支架搬運(yùn)車寬度最大，因此巷道最小凈寬和最低凈高可根據(jù)液壓支架重量、尺寸及選配的支架搬運(yùn)車來確定[4]。車輛雙向行駛的巷道，巷道寬度應(yīng)滿足兩車錯(cuò)車間距不低于500mm或設(shè)置必要的會(huì)車硐室，并設(shè)置方向標(biāo)識(shí)。巷道內(nèi)若設(shè)置有人行道，其寬度不得小于1m，否則必須制定專項(xiàng)安全技術(shù)措施，嚴(yán)格執(zhí)行“行人不行車，行車不行人”的規(guī)定[2]。

1.1.2 巷道坡度

無軌膠輪車的動(dòng)力特性和地面的附著力極限決定了其不適合在長(zhǎng)距離大坡度的情況下使用。在干硬水泥或混凝土路面上，當(dāng)縱向坡度小于6°時(shí)，一般對(duì)巷道無特殊要求；當(dāng)坡度在6°～14°之間，且持續(xù)距離過長(zhǎng)時(shí)，則每隔一定的距離應(yīng)設(shè)置30～50m的水平緩沖段，以防止車輛在長(zhǎng)距離、大載荷爬坡時(shí)產(chǎn)生的高溫現(xiàn)象；當(dāng)坡度超過10°以上時(shí)，坡道路面采取適當(dāng)?shù)姆阑胧?如“搓衣板”路面)；當(dāng)縱向坡度大于14°時(shí)，則巷道不適合無軌膠輪車直接運(yùn)行[4]。依據(jù)目前市場(chǎng)上防爆無軌膠輪車的動(dòng)力特性以及礦方實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，車輛在不同坡度下連續(xù)縱向坡道長(zhǎng)度的適應(yīng)能力曲線如圖1所示。對(duì)于變化范圍超出10°以上的坡道，坡道起點(diǎn)和終點(diǎn)應(yīng)設(shè)置緩坡路面，建議變坡圓角半徑不得小于18m。另外，為防止車輛的傾翻，巷道的橫向坡度要求不大于7°。

圖1 坡度與坡道長(zhǎng)度的關(guān)系曲線

1.1.3 巷道頂、底板條件

頂板支護(hù)必須牢固，底板路面應(yīng)平整，不得有大的凸起物和凹坑。在輔助運(yùn)輸大巷、綜采工作面搬家通道一般采用C30混凝土鋪設(shè)300mm厚的硬化路面。采區(qū)主要準(zhǔn)備巷道，可采用C20混凝土鋪設(shè)150～200mm厚的硬化路面。

1.1.4 巷道轉(zhuǎn)彎

巷道轉(zhuǎn)彎處倒角應(yīng)足夠大，一般建議外轉(zhuǎn)彎半徑在12m以上，最小不得低于10m，以不妨礙車輛轉(zhuǎn)彎為宜。在巷道彎道或駕駛員視線受阻的區(qū)段，應(yīng)設(shè)限速、鳴笛和反光條等標(biāo)志，巷道內(nèi)還應(yīng)有里程碑標(biāo)志。在工作面切眼處應(yīng)開設(shè)車輛掉頭硐室，以方便車輛倒車進(jìn)入切眼，同時(shí)也可以作為會(huì)車硐室使用。

1.2 無軌輔助運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)硐室和設(shè)施

礦井的無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)通常配備的各種車輛硐室包括檢修、存放、加油、換裝、調(diào)頭、會(huì)車硐室等。各硐室必須采用強(qiáng)度為C20-30的混凝土全部硬化200～300mm厚，地面保持干燥，坡度不大于3‰，有良好的照明，深度超過6m必須強(qiáng)制通風(fēng)或采用調(diào)節(jié)風(fēng)窗，硐室內(nèi)應(yīng)配備相應(yīng)的滅火器材[2]。

1)檢修硐室：檢修硐室可選址在井筒附近的輔運(yùn)大巷和回風(fēng)巷的一條聯(lián)巷，可單獨(dú)構(gòu)建也可與存放硐室共用。該硐室長(zhǎng)度30～40m，寬6～8m，高6～8m，配備5t防爆行車一部，行車起吊高度不小于4m，行車縱向行程不小于20m，橫向行程不小于5m，配置手拉葫蘆數(shù)條，用于車輛大型部件的換裝。為方便檢修車輛底盤，硐室內(nèi)應(yīng)設(shè)置有地溝，保證地溝干燥[2]。

2)存放硐室：存放硐室大小、位置應(yīng)根據(jù)運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)際需要確定。硐室內(nèi)溫度應(yīng)不小于5℃，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水結(jié)冰而損壞。硐室要求通風(fēng)良好，保證車輛處于通風(fēng)干燥處。能存放10輛左右材料車的硐室，一般長(zhǎng)25～30m，寬6～8m，高5～6m，應(yīng)配置排水溝及滅火器[5-7]。

3)加油硐室：加油硐室可利用大巷之間的聯(lián)巷改擴(kuò)建，該硐室一般長(zhǎng)8～10m，寬5～6m，高5～6m，使用不燃性材料支護(hù)，地面應(yīng)平整、干燥，并有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，硐室內(nèi)應(yīng)設(shè)置足夠數(shù)量用于撲滅燃油火災(zāi)的滅火器材。加油硐室柴油的儲(chǔ)存量不應(yīng)超過井下所有車輛8h的用油量[2]。

4)換裝硐室：換裝硐室位于副斜井井底或副立井井底車場(chǎng)附近，該硐室一般長(zhǎng)25～30m，寬7～8m，高6～8m，裝有5/10t和10/20t行車各一部(行車噸位依據(jù)實(shí)際需換裝的機(jī)電設(shè)備的重量確定)。其中10t行車用于小型機(jī)電設(shè)備、散料的換裝，20t行車用于采煤機(jī)、支架等大型設(shè)備的換裝。

5)調(diào)頭硐室：當(dāng)井下輔助運(yùn)輸巷道無法形成環(huán)路時(shí)，在某些路段就一定要設(shè)置一些掉頭硐室，以方便車輛完成運(yùn)輸任務(wù)后的返回。根據(jù)目前市場(chǎng)上主流車輛參數(shù)建議調(diào)頭硐室寬度不小于6m，深度不小于10m，硐室轉(zhuǎn)彎圓角不得小于4.5m。

6)會(huì)車硐室：車輛單向行駛的巷道應(yīng)根據(jù)運(yùn)距、運(yùn)量、運(yùn)速及運(yùn)輸車輛的特性，在巷道的合適位置設(shè)置會(huì)車硐室，其推薦尺寸如圖2所示。會(huì)車硐室一般每隔600～800m設(shè)置一個(gè)，且會(huì)車點(diǎn)應(yīng)配有信號(hào)裝置。

圖2 會(huì)車硐室平面圖(mm)

1.3 無軌輔助運(yùn)輸通風(fēng)要求

隨著煤礦安全生產(chǎn)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，礦井井下工作場(chǎng)地的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)不但要確保井下工作人員生命安全，還要滿足日益增加的人體舒適度需求。無軌膠輪車排放的CO、CO2、NOx等氣體對(duì)井下空氣環(huán)境有一定的影響，根據(jù)2016年版《煤炭安全規(guī)程》和《煤礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車安全使用規(guī)范》(AQ 1064—2008)規(guī)定，采用煤礦防爆柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)輸?shù)牡V井，行駛車輛巷道的供風(fēng)量應(yīng)當(dāng)按同時(shí)運(yùn)行的最多車輛數(shù)增加巷道配風(fēng)量，其配風(fēng)量不小于4m3/(min·kW)[1，2]。因此應(yīng)根據(jù)在井下同時(shí)運(yùn)行的車輛總數(shù)來確定發(fā)動(dòng)機(jī)總功率及運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出配風(fēng)量。

2 防爆無軌膠輪車配套選型

2.1 無軌膠輪車功能及參數(shù)

目前國內(nèi)的防爆無軌膠輪車技術(shù)日趨成熟，已實(shí)現(xiàn)完全替代進(jìn)口，其按照用途分為運(yùn)人車、運(yùn)料車、多功能鏟運(yùn)機(jī)、特種搬運(yùn)車、專用作業(yè)車等5大類；按照驅(qū)動(dòng)裝置可分為防爆柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)和防爆蓄電池驅(qū)動(dòng)兩種，其中防爆柴油機(jī)車輛需滿足非道路國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著礦企對(duì)無軌膠輪車尾氣污染問題的重視，蓄電池驅(qū)動(dòng)的車輛已逐漸興起，但目前充電技術(shù)及續(xù)航能力有待進(jìn)一步提高[8-10]。

運(yùn)人車主要用于人員運(yùn)輸；運(yùn)料車主要用于錨桿、錨索、錨網(wǎng)、矸石等各種材料的運(yùn)輸；多功能鏟運(yùn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)叉、鏟、卷電纜、輸送帶、升降平臺(tái)、拖運(yùn)平板車及貨斗等多種功能，各工作機(jī)構(gòu)間可快換；特種搬運(yùn)車主要用于綜采、綜掘工作面的搬家倒面；專用作業(yè)車可實(shí)現(xiàn)混凝土攪拌運(yùn)輸、灑水、送餐、清掃等特殊功能[10]。根據(jù)國家安標(biāo)辦網(wǎng)站2019年末公布的數(shù)據(jù)，全國共計(jì)66家企業(yè)有無軌膠輪車的安標(biāo)申辦記錄，隨著市場(chǎng)的不斷淘汰，目前主流生產(chǎn)廠家有：山西天地煤機(jī)、常州科試、萊州亞通、連云港天明裝備、湖北塞弗精工、航天重型工程裝備、深圳德塔等，其中山西天地煤機(jī)是國內(nèi)最早研制防爆無軌膠輪車的企業(yè)，也是國內(nèi)唯一具有全系產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家，市場(chǎng)占有率超過60%。目前市場(chǎng)上主流防爆柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)車型和蓄電池驅(qū)動(dòng)車型參數(shù)表分別見表1、表2，以供選型參考。

2.2 無軌膠輪車的選型

無軌膠輪車的選型應(yīng)根據(jù)礦井巷道條件、采掘裝備的重量、物料及人員的運(yùn)量來配置，綜合考慮運(yùn)輸效率及投資效益。當(dāng)采用斜井輔運(yùn)時(shí)，配置無軌膠輪車時(shí)應(yīng)盡量滿足所有裝備及物料、人員等一次運(yùn)輸?shù)轿?。?dāng)采用立井輔運(yùn)時(shí)，主要根據(jù)罐籠的尺寸及運(yùn)載能力來配置無軌膠輪車[3]。以某礦條件為例，其選型過程如下：

表1 主流防爆柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的車型參數(shù)表

注：表中所列車速均為車輛的設(shè)計(jì)車速，而在井下巷道中行駛時(shí)，車輛運(yùn)行車速需要滿足《煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50533—2009)和2016《煤炭安全規(guī)程》(第三百九十二條)的規(guī)定。

表2 主流蓄電池驅(qū)動(dòng)的車型參數(shù)表

注：表中所列車速均為車輛的設(shè)計(jì)車速，而在井下巷道中行駛時(shí)，車輛運(yùn)行車速需要滿足《煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50533—2009)和2016《煤炭安全規(guī)程》(第三百九十二條)的規(guī)定。

已知該礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8.0Mt/a，采用副立井、主斜井綜合開拓方式。大巷及工作面巷道坡度均小于6°，輔運(yùn)大巷寬度5200mm，去除水管、電纜、溝槽后凈寬約4500mm左右，凈高4200mm，頂部為圓弧頂，各工作面平均運(yùn)輸距離3340m。罐籠尺寸為(L×W×H)：7150mm×2750mm×5900mm，提升能力50t。采掘設(shè)備運(yùn)輸最大重量45t，支架中心距1.75m，共計(jì)115架；最大班下井人員：217人/班，共計(jì)10個(gè)隊(duì)，材料運(yùn)量(平均按6t/車計(jì))：1個(gè)回采工作面，1車/班，瓦斯預(yù)抽面2車/班；4個(gè)綜掘工作面，每個(gè)面2車/班；1個(gè)大巷綜掘工作面，4車/班；1個(gè)巖巷普掘工作面，4車/班；通修隊(duì)，3車/班；機(jī)運(yùn)隊(duì)2車/班。設(shè)備、備件，6車/班，其它，5車/班，矸石，9車/班(井下回填)，合計(jì)59車/班。

2.2.1 無軌膠輪車選型

由于目前蓄電池驅(qū)動(dòng)車輛續(xù)航能力有限，充電管理復(fù)雜，采購成本高，僅神東礦區(qū)有部分應(yīng)用，因此暫不考慮蓄電池驅(qū)動(dòng)車型，后續(xù)隨著運(yùn)量增大，可適當(dāng)增配。

礦井日常生產(chǎn)用車配置：運(yùn)送人員，選用WC20R型防爆運(yùn)人車，在副立井底轉(zhuǎn)載；運(yùn)送散裝物料、矸石、小型設(shè)備，選用WCJ8E鉸接料車和WC5J整體自卸車，立井不用轉(zhuǎn)載；工作巷運(yùn)輸、管件運(yùn)送及井筒、大巷帶式輸送機(jī)檢修，選用WC3Y整體順槽車；井下生產(chǎn)調(diào)度指揮、緊急搶修時(shí)運(yùn)送少量人員、物品，選用WC9R防爆皮卡車；井下矸石裝載及10t級(jí)以下的機(jī)電設(shè)備運(yùn)送、巷道清理維修、短途物料運(yùn)輸?shù)?，選用WJ-10FB防爆鏟運(yùn)機(jī)，并配有工作機(jī)構(gòu)快換裝置，同時(shí)配置鏟斗、鏟叉、升降平臺(tái)、平板拖車、平板拖斗、卷電纜裝置、卷帶裝置、破碎錘、吊臂等多種工作機(jī)構(gòu)，矸石由自卸料車運(yùn)至井下廢舊巷道回填，WJ-10FB鏟運(yùn)機(jī)解體入井，僅在井下作業(yè)，不再升井；巷道降塵，選用WC4S灑水車，可直接入罐，無需轉(zhuǎn)載；能夠直接入罐升井的車輛采用地面加油，無法直接入罐升井的車輛可由其他車輛運(yùn)輸油料進(jìn)行加油；井下送餐選用WC3J運(yùn)餐車，無需轉(zhuǎn)載；井下支護(hù)、路面硬化混凝土運(yùn)輸，選用JC2.5混凝土攪拌車，無需轉(zhuǎn)載；

采掘工作面大型設(shè)備搬家倒面用車配置：采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)部分解體后運(yùn)輸，解體后重量最大不超過45t，選用2臺(tái)WC55E鏟板式搬運(yùn)車運(yùn)輸；刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、泵站、工作巷帶式輸送機(jī)等設(shè)備按尺寸局部解體后，選用WC25E鏟板式搬運(yùn)車或WJ-10FB防爆鏟運(yùn)機(jī)+平板拖車運(yùn)輸，入井時(shí)均需解體；液壓支架總重不超過50t，選用WC50Y支架車整體運(yùn)輸，搬運(yùn)車入井時(shí)需要解體。

2.2.2 各型無軌膠輪車的數(shù)量配置

車輛往返一次總運(yùn)輸時(shí)間計(jì)算：

t=t1+t2+t3+ty

(1)

式中，t為無軌膠輪車往返一次所需時(shí)間，min；t1為裝車時(shí)間，min；t2為卸車時(shí)間，取0.5～1.0min；t3為膠輪車調(diào)車等待停歇時(shí)間，影響因素較多，應(yīng)按具體情況確定，可取2～4min。

無軌膠輪車臺(tái)班運(yùn)輸能力為：

式中，Qw為每臺(tái)無軌膠輪車運(yùn)載量；T為每班運(yùn)行時(shí)間，按4.5h/班；k1為無軌膠輪車載重量利用系數(shù)，取0.9；k2為無軌膠輪車工作時(shí)間利用系數(shù)，每日一班取0.9，兩班取0.85，三班工作取0.8。

運(yùn)送矸石、物料、設(shè)備無軌膠輪車臺(tái)數(shù)為：

N=k(Q1+Q2)/Qb

(3)

式中，Q1為礦井每班矸石運(yùn)輸量，取50t/班；Q2為礦井每班運(yùn)輸其他設(shè)備、材料折算量，按210t/班；k為運(yùn)輸不均衡系數(shù)，取1.15。

經(jīng)上述計(jì)算，并借鑒神華公司的管理模式，礦井初期達(dá)產(chǎn)時(shí)每班運(yùn)送矸石和其它物料、設(shè)備的無軌膠輪車運(yùn)行臺(tái)數(shù)至少為35臺(tái)，考慮設(shè)備故障時(shí)的備用車輛，中、輕型車輛共計(jì)配置41臺(tái)，采掘工作面搬家倒面用重型車輛配置8臺(tái)，合計(jì)49臺(tái)，具體明細(xì)見表3。

表3 無軌膠輪車配置選型表

3 結(jié) 語

本文從系統(tǒng)的角度統(tǒng)籌考慮了無軌輔助運(yùn)輸所涉及的巷道適用條件、巷道通風(fēng)設(shè)計(jì)，并根據(jù)目前市場(chǎng)上主流車型參數(shù)給出了無軌輔助運(yùn)輸適用的巷道斷面參數(shù)、巷道路面及坡道條件、硐室的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，為礦井設(shè)計(jì)及巷道、硐室的無軌化改造提供了參考依據(jù)。最后，以某礦井條件數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)的闡述了無軌膠輪車配套選型計(jì)算過程，為煤礦輔助運(yùn)輸?shù)脑O(shè)計(jì)及無軌膠輪車的選型配套提供了參考依據(jù)。