輔助運(yùn)輸無軌系統(tǒng)在礦井建設(shè)中的應(yīng)用

趙長紅，呂兆海

(1.寧夏煤炭基本建設(shè)有限公司，寧夏 銀川 750004；2.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750000)

隨著我國大型礦井的建設(shè)和老礦井的技術(shù)改造，礦井規(guī)模不斷擴(kuò)大，煤礦輔助運(yùn)輸?shù)闹亓亢瓦\(yùn)輸距離直線上升[1]。煤礦輔助運(yùn)輸是指除煤炭以外的人員、矸石、設(shè)備、材料等物資的運(yùn)輸，主要指地面到工作面等周轉(zhuǎn)運(yùn)輸作業(yè)[2]。礦井開拓方式?jīng)Q定了礦井輔助運(yùn)輸方式，輔助運(yùn)輸設(shè)備的機(jī)械化水平對礦井開拓方式的選擇又有一定影響。礦井的輔助運(yùn)輸方式主要分為有軌運(yùn)輸和無軌運(yùn)輸兩種形式。其中，有軌運(yùn)輸是礦井輔助運(yùn)輸?shù)闹饕问?，但隨著技術(shù)裝備的發(fā)展，設(shè)計理念的更新，無軌運(yùn)輸系統(tǒng)在近年新礦井設(shè)計中得到重視并逐步推廣應(yīng)用，其經(jīng)濟(jì)效益及社會價值得到廣泛的認(rèn)可。由于無軌運(yùn)輸系統(tǒng)無軌道限制，并具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動靈活性好、安全高效的特點(diǎn)，因而在美國、英國、澳大利亞、南非等產(chǎn)煤大國已普遍使用[3-5]。隨著近年膠輪車技術(shù)的發(fā)展成熟，無軌運(yùn)輸系統(tǒng)在我國也逐步推廣使用。在此過程中先后出現(xiàn)了各種型號的膠輪車，主要有WC1.2J、 WC3J、 WC5E、WC20R等防爆無軌膠輪車，這類膠輪車的出現(xiàn)促使礦井在生產(chǎn)過程中逐步淘汰落后的軌道運(yùn)輸方式，使礦井的輔助運(yùn)輸效率成倍提高，為建設(shè)高產(chǎn)高效礦井奠定了基礎(chǔ)。

1 當(dāng)前煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦井輔助運(yùn)輸方式對巷道掘進(jìn)工效影響較大，受地質(zhì)條件制約采用軌道運(yùn)輸?shù)牡V井，相對無軌運(yùn)輸而言，明顯存在運(yùn)輸效率低下、速度慢、用人用機(jī)多、耗時長、人員裝卸物料勞動強(qiáng)度大、機(jī)動性差、安全管控風(fēng)險高等問題，成為制約礦井產(chǎn)量及企業(yè)效益的瓶頸[6，7]。因此，選擇合理的輔助運(yùn)輸方式，提高輔助運(yùn)輸裝備水平，將直接影響礦井生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益。我國煤礦井下輔助運(yùn)輸系統(tǒng)主要分為有軌運(yùn)輸系統(tǒng)、無軌運(yùn)輸系統(tǒng)。其中有軌運(yùn)輸系統(tǒng)主要集中在黑龍江、山東、徐州等以立井開拓或斜井開拓的開采深度較大的老礦井，受礦井開拓方式及煤層傾角的限制，在我國煤礦生產(chǎn)中仍然作為主要的運(yùn)輸方式存在且難以更新?lián)Q代；無軌運(yùn)輸系統(tǒng)主要集中在開采條件相對較好，煤層傾角較小的新建礦井或在后期進(jìn)行技術(shù)改造的大型礦井中。神東煤業(yè)公司、寧夏煤業(yè)公司的部分大型礦井、平煤集團(tuán)等礦業(yè)集團(tuán)的部分礦井都已大范圍的推廣使用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)，并且取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。例如：神東大柳塔礦和活雞兔礦引進(jìn)英國埃姆科公司HLD-913型無軌膠輪鏟車等無軌輔助運(yùn)輸設(shè)備，礦井實(shí)現(xiàn)無軌系統(tǒng)的高效運(yùn)輸，山西云崗礦無軌運(yùn)輸系統(tǒng)采用澳大利亞諾依斯公司的柴油機(jī)重型支架鏟車創(chuàng)10d搬完一個工作面的記錄。無軌運(yùn)輸系統(tǒng)的高效便捷和安全優(yōu)勢，促使我國無軌運(yùn)輸設(shè)備得到空前發(fā)展，國內(nèi)在用無軌膠輪車輛設(shè)備超過4萬臺[8]。

2 影響輔助運(yùn)輸方式的因素

礦井輔助運(yùn)輸方式的選擇受地質(zhì)條件、輔助運(yùn)輸裝備、礦井開拓方式等多種因素的影響，但是隨著輔助運(yùn)輸設(shè)備的更新升級，無軌運(yùn)輸在近年來逐步成為新建、改擴(kuò)建礦井輔助運(yùn)輸方式的主要形式。

1)地質(zhì)因素，煤層傾角是影響礦井輔助運(yùn)輸方式的主要因素。煤層按傾角劃分為近水平、緩傾斜、傾斜、急傾斜煤層。在傾角小于12°的緩傾斜煤層、近水平煤層中既可以選擇軌道運(yùn)輸、也可以選擇無軌運(yùn)輸，在傾角大于12°的緩傾斜及傾斜煤層、急傾斜煤層中工作面以外的運(yùn)輸既可以選擇軌道運(yùn)輸、也可以選擇無軌運(yùn)輸，但在工作面內(nèi)只能選擇軌道運(yùn)輸。另外在底臌嚴(yán)重或頂板破碎的巷道內(nèi)不宜選擇軌道運(yùn)輸。

2)輔助運(yùn)輸裝備，輔助運(yùn)輸裝備是輔助運(yùn)輸方式的基礎(chǔ)，高效、先進(jìn)、智能的輔助運(yùn)輸裝備是礦井輔助系統(tǒng)選擇的必然。因此，輔助運(yùn)輸裝備的現(xiàn)代化水平、發(fā)展更新速度對礦井輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的選擇有重要的影響。

3)礦井開拓方式，礦井的開拓方式在很大程度上決定礦井輔助系統(tǒng)的選擇，在采用副立井+主斜井開拓的礦井及主斜井+副斜井開拓的礦井，采用軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，但在立井開拓的礦井，后期設(shè)計改造中如采用暗緩坡斜井開拓，輔助運(yùn)輸可以改為罐籠+無軌運(yùn)輸；在采用主斜井+緩坡斜井開拓的礦井，采用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)，但在煤層傾角較大的工作面內(nèi)運(yùn)輸時，仍然采用軌道運(yùn)輸系統(tǒng)作為輔助運(yùn)輸。

4)運(yùn)輸距離，工作面的運(yùn)輸距離或者運(yùn)量對輔助運(yùn)輸方式的選擇有一定的影響，隨著大型礦井的建設(shè)，部分工作面走向長度達(dá)到5km以上且隨著巷道斷面的增大支護(hù)材料及輔助設(shè)備的運(yùn)量顯著增多，遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸及支護(hù)材料運(yùn)量的增大，選擇快捷、高效的無軌運(yùn)輸系統(tǒng)有利于礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。

3 輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的主要形式

礦井輔助運(yùn)輸系統(tǒng)主要分軌道運(yùn)輸系統(tǒng)、無軌和軌道混合運(yùn)輸系統(tǒng)、無軌運(yùn)輸系統(tǒng)。軌道運(yùn)輸系統(tǒng)主要依托軌道通過滾筒絞車、無極繩絞車、柴油發(fā)動機(jī)機(jī)車、蓄電池機(jī)車等動力的牽引進(jìn)行運(yùn)輸，這種運(yùn)輸方式效率低，安全性差。受礦井開拓方式及煤層傾角的限制，在我國煤礦生產(chǎn)中仍然作為主要的運(yùn)輸方式存在且難以更新。無軌和軌道混合運(yùn)輸系統(tǒng)主要是采用無軌運(yùn)輸負(fù)責(zé)地面至井下大部分工作面的運(yùn)輸工作，但在工作面安裝、回撤過程中由于工作面傾角較大，無軌膠輪車運(yùn)行受限，采用軌道運(yùn)輸進(jìn)行工作面的安裝、回撤等工作。無軌運(yùn)輸系統(tǒng)主要是采用膠輪車進(jìn)行設(shè)備及人員的運(yùn)輸，該系統(tǒng)在主立井+緩坡斜井、主斜井+緩坡斜井開拓的新建礦井及改擴(kuò)建礦井中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用并取得了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 有軌運(yùn)輸系統(tǒng)

有軌運(yùn)輸系統(tǒng)主要包括：柴油機(jī)單軌吊機(jī)車、蓄電池單軌吊機(jī)車、繩牽引卡軌車、柴油機(jī)膠套輪齒軌卡軌車、無極繩連續(xù)牽引車等。由于其適應(yīng)性強(qiáng)，在煤礦井下的運(yùn)輸過程中曾得到廣泛的應(yīng)用。但是有軌運(yùn)輸系統(tǒng)占用設(shè)備數(shù)量多，投入人員多，運(yùn)輸環(huán)節(jié)多，軌道系統(tǒng)復(fù)雜，受巷道底臌影響較大，安全隱患大，作業(yè)功效低，運(yùn)行過程中經(jīng)常發(fā)生掉道事故[9，10]。隨著科技進(jìn)步，軌道運(yùn)輸設(shè)備的更新?lián)Q代在近年取得了一定的發(fā)展，但其在運(yùn)輸過程中存在諸多弊端難以克服。特別在近年現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)過程中采用軌道運(yùn)輸系統(tǒng)難以滿足礦井發(fā)展的需要，如采用絞車提升的副斜井，提升距離1000m，提升能力約30鉤/d，按每鉤5輛MGC1.7-9D固定礦車進(jìn)行計算，每天提升約150車，合255m3矸石，僅為18m2斷面，10m巖巷的矸石量，運(yùn)輸能力有限。

3.2 無軌+有軌運(yùn)輸系統(tǒng)

受地質(zhì)條件的限制，煤層賦存傾角變化較大，在煤層傾角較大的工作面，無軌膠輪車難以運(yùn)行，因此在這類礦井中，地面至井底車場及工作面順槽可采用無軌系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸，在工作面安裝、回撤過程中采用軌道運(yùn)輸。這種運(yùn)輸方式較單一軌道系統(tǒng)效率明顯提高，但在膠輪車運(yùn)行受限的區(qū)域需進(jìn)行轉(zhuǎn)載，存在一定的弊端。

3.3 無軌運(yùn)輸系統(tǒng)

輔助運(yùn)輸機(jī)械化不僅節(jié)省大量的人員，而且可以提高工時利用率，提高工作面的產(chǎn)量和進(jìn)度[11]。無軌運(yùn)輸系統(tǒng)具有運(yùn)輸效率高，轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)少，運(yùn)行速度快、載重能力大、輔助人員少，運(yùn)輸成本低的特點(diǎn)，無軌運(yùn)輸系統(tǒng)可以將作業(yè)人員由地面或井底車場直接運(yùn)送到作業(yè)工作面，有效緩解工人的勞動強(qiáng)度，減少作業(yè)人員非作業(yè)時間，提高用工功效，實(shí)現(xiàn)減員增效的目的。另外可實(shí)現(xiàn)將設(shè)備及材料直接由地面運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)工作面，轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)減少，使礦井的輔助運(yùn)輸水平顯著提高。通過對寧夏煤業(yè)公司礦井現(xiàn)有輔助運(yùn)輸方式比較，無軌運(yùn)輸較軌道運(yùn)輸優(yōu)越性明顯，功效高出約30%～50%。

3.3.1 罐籠+無軌運(yùn)輸系統(tǒng)

礦井開拓方式?jīng)Q定了礦井輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的選擇，罐籠+無軌運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用在主斜井+副立井+暗緩坡斜井聯(lián)合開拓的礦井中，如圖1所示，采用副立井結(jié)合無軌膠輪車與暗緩坡斜井迂回折返的方式，能夠很好地拓寬無軌膠輪車輔助系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，適應(yīng)性更強(qiáng)，有利于礦井高產(chǎn)高效和現(xiàn)代化建設(shè)[12]。這種輔助運(yùn)輸方式比副斜井軌道運(yùn)輸?shù)男拭黠@提高，但井下無軌運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸功效往往受限于立井提升系統(tǒng)。比如石槽村煤礦、麥垛山煤礦采用主斜井+副立井+暗緩坡斜井開拓方式，無軌膠輪車經(jīng)罐籠由地面到開采水平后，膠輪車通過暗緩坡斜井直接將支護(hù)材料、工器具、人員運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅妗＿@種運(yùn)輸方式往往存在地面車輛下不去、井下車輛上不來的共性問題，立井罐籠提升成為制約運(yùn)輸系統(tǒng)的瓶頸。雖然通過加強(qiáng)調(diào)度管理等措施可以緩解提升運(yùn)輸?shù)膯栴}，但罐籠提升制約無軌膠輪車高效運(yùn)輸?shù)母締栴}無法解決。

圖1 主斜井+副立井+暗緩坡斜井開拓方式

3.3.2 緩坡斜井無軌運(yùn)輸系統(tǒng)

緩坡斜井無軌運(yùn)輸系統(tǒng)主要應(yīng)用在主斜井+緩坡斜井開拓的新建礦井，如圖2所示，在傳統(tǒng)設(shè)計理念上是一種突破和飛躍。該系統(tǒng)無軌膠輪車可以從地面通過緩坡斜井直接將人員、材料、設(shè)備等運(yùn)送到工作面，是目前運(yùn)輸效率最高的一種輔助運(yùn)輸方式。尤其在某些大型礦井中，工作巷走向長度達(dá)到5km以上，采用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)不僅提高了運(yùn)輸效率，也有效減輕了作業(yè)人員遠(yuǎn)距離行走的勞動強(qiáng)度。在這類運(yùn)輸系統(tǒng)中，有上下雙向行車和單向輔以錯車硐室兩種方式。比如梅花井煤礦、雙馬煤礦、紅柳煤礦等采用這種輔助運(yùn)輸方式功效明顯提高。

圖2 主斜井+緩坡斜井開拓方式

4 輔助運(yùn)輸系統(tǒng)綜合對比

礦井的快速高效發(fā)展，要求輔助運(yùn)輸系統(tǒng)能較快實(shí)現(xiàn)工作面的搬遷及工作面支護(hù)材料、設(shè)備的運(yùn)輸。無軌膠輪車廣泛使用不僅提高了礦井的輔助運(yùn)輸能力，助推了高效、現(xiàn)代化礦井建設(shè)的進(jìn)程[13]，也使礦井的設(shè)計思路更加開闊，為礦井設(shè)計在輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的選擇上拓寬了優(yōu)選空間，并逐步成為礦井輔助運(yùn)輸方式發(fā)展的主導(dǎo)方向。

1)運(yùn)輸能力，與軌道運(yùn)輸系統(tǒng)相比，無軌運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸能力明顯提高。在軌道系統(tǒng)中，工作巷運(yùn)輸一般采用KFV1.1-6型翻斗式礦車配合連續(xù)牽引絞車運(yùn)輸，單次按3輛礦車計算，最大載重能力5t。無軌運(yùn)輸系統(tǒng)以WC5E無軌膠輪車為例，單臺車輛外形尺寸6667mm×1960mm×2000mm，最大載重能力5t，并且隨著無軌膠輪車的更新升級，其載重能力逐步增大。梅花井礦液壓支架搬運(yùn)車裝載能力最大達(dá)到50t，實(shí)現(xiàn)了液壓支架的整體運(yùn)輸，梅花井礦采用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)投入的各類膠輪車見表1。

2)運(yùn)行速度，無軌運(yùn)輸系統(tǒng)中井下膠輪車運(yùn)料一般要求最大允許運(yùn)行速度30km/h，(煤礦安全規(guī)程要求運(yùn)料不超過40km/h，運(yùn)人不超過25km/h)軌道系統(tǒng)中連續(xù)牽引絞車的最大運(yùn)行速度6.12km/h，若在運(yùn)輸支架等大型設(shè)備期間，運(yùn)行速度約3.6km/h，無軌運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸效率優(yōu)勢明顯。以寧夏煤業(yè)公司梅花井煤礦輔助運(yùn)輸為例，從地面至井下的最遠(yuǎn)距離達(dá)到15km以上，無軌膠輪車單趟運(yùn)輸約40min，工作巷最大長度達(dá)5km，采用無軌膠輪車運(yùn)輸巷內(nèi)僅需0.33h，采用無極繩絞車運(yùn)輸需要1.63～2.78h，在相同時間內(nèi)，無軌運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸效率明顯高于軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，并且這種優(yōu)勢隨著運(yùn)輸距離的增加而更加顯著。

表1 梅花井礦無軌膠輪車統(tǒng)計表

表2 輔助運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸時間對比表

3)輔助運(yùn)輸人員，采用無軌膠輪車運(yùn)輸，每輛膠輪車配備1名司機(jī)，而采用軌道運(yùn)輸，僅連續(xù)牽引絞車運(yùn)輸期間，至少需要絞車司機(jī)、信號工、跟車工3名。因此，采用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)，礦井的輔助運(yùn)輸人員數(shù)量將大幅度減少，對礦井的安全管理意義重大。

4)轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)，采用緩坡斜井的無軌運(yùn)輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)直接從井口到工作面的一站式運(yùn)輸，采用副斜井提升的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，從地面運(yùn)輸至工作面至少進(jìn)行3次摘掛鉤工作，轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)極其復(fù)雜。

5)設(shè)備占用，采用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)，從地面到工作面的運(yùn)輸僅有膠輪車，不占用其他設(shè)備，而采用軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，從地面到井下工作面，至少占用電機(jī)車2～3臺，提升絞車1臺，連續(xù)牽引絞車1臺。

6)輔助工作，采用軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，前期存在軌道的鋪設(shè)，地坪的硬化(鋪墊道砟)調(diào)整軌道等工作，并且對軌道的鋪設(shè)質(zhì)量要求較高。而采用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)，對巷道底板的適應(yīng)性更強(qiáng)，僅施工地坪即可運(yùn)行。

7)運(yùn)輸距離及其它工作，采用軌道系統(tǒng)，從地面到各水平車場的距離相對較近，而采用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)，在礦井開拓過程中，緩坡斜井的距離較長，另外在地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，采用緩坡斜井施工，通過復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的距離較長，礦井建設(shè)的前期費(fèi)用較高，施工難度相對較大。

綜合上述因素，在礦井輔助系統(tǒng)的選擇中，采用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)的社會、經(jīng)濟(jì)效益均比軌道運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)越性明顯，推廣應(yīng)用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)對提高礦井功效意義重大。

5 無軌運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用

寧夏煤業(yè)公司梅花井、雙馬、紅柳、棗泉、羊場灣等礦井采用無軌運(yùn)輸系統(tǒng)，麥垛山、石槽村煤礦采用罐籠+無軌運(yùn)輸系統(tǒng)，無軌運(yùn)輸系統(tǒng)不僅提高了運(yùn)輸效率，降低了工人的勞動強(qiáng)度，為建設(shè)高產(chǎn)高效礦井奠定了基礎(chǔ)。梅花井煤礦緩坡斜井坡度5.5°，緩坡斜井長度6.3km，寬度5.2m，高度4.2m，緩坡斜井內(nèi)采取單向行車+錯車硐室，如圖3所示。礦井工作巷最大長度5.0km，井下輔助聯(lián)絡(luò)巷長度1.5～6.0km，最大運(yùn)輸距離15km。膠輪車井下運(yùn)人最大運(yùn)行速度25km/h，運(yùn)料最大運(yùn)行速度30km/h，工作面單趟運(yùn)輸時間30～36min，通過支架搬運(yùn)車運(yùn)輸支架，運(yùn)距在10km以內(nèi)，工作面安裝(回收)150臺支架最快15d，功效明顯提高。

圖3 梅花井煤礦緩坡斜井平、剖面示意圖

6 結(jié)論及展望

1)無軌膠輪車的生產(chǎn)雖然形成了一定的規(guī)模，但是由于受政策及行業(yè)的影響，更新升級較快，在同一礦井中存在類型繁多的各類膠輪車，給車輛的維修、保養(yǎng)及安全管理帶來了一定難度。

2)隨著井下機(jī)械設(shè)備的大型化，無軌膠輪車外形尺寸也逐步增大，巷道斷面也相應(yīng)增大，因此要有大斷面巷道支護(hù)尤其是軟巖巷道大斷面支護(hù)技術(shù)的強(qiáng)力支撐。

3)隨著井下無軌膠輪車的大量應(yīng)用，井下運(yùn)輸?shù)慕煌ü芾黼y度也逐步增大，實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車的智能化管理、調(diào)度是智慧礦山首要解決的問題。

4)無軌運(yùn)輸系統(tǒng)較軌道運(yùn)輸系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢，對建設(shè)高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井意義重大，在新建礦井及具備條件的改擴(kuò)建礦井，應(yīng)積極推廣應(yīng)用。