地下礦山斜坡道運(yùn)輸能力的計(jì)算及應(yīng)用

陳小康

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

隨著礦山無軌設(shè)備技術(shù)的發(fā)展， 斜坡道開拓在地下礦山中的應(yīng)用越來越廣泛， 運(yùn)輸功能也逐漸由輔助運(yùn)輸發(fā)展為擔(dān)負(fù)起主要運(yùn)輸職能。 尤其是在斜坡道開拓的礦山中， 主斜坡道需要擔(dān)負(fù)礦山的全部運(yùn)輸任務(wù)， 其運(yùn)輸能力也成為影響礦山生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。 斜坡道通常為單行道，上、下行車輛通過錯(cuò)車道會(huì)車，因此斜坡道的通行能力相對較小。在斜坡道開拓礦山的設(shè)計(jì)階段， 需要根據(jù)斜坡道的布置形式計(jì)算其通行能力，選擇合適的運(yùn)輸設(shè)備，以滿足礦山對斜坡道運(yùn)輸能力的要求。在礦山生產(chǎn)階段，則需要校核斜坡道的運(yùn)輸能力為礦山的正常生產(chǎn)提供保障。本文擬借鑒單車道公路的設(shè)計(jì)理念， 結(jié)合地下礦山斜坡道的運(yùn)輸特點(diǎn)， 對斜坡道通行能力的計(jì)算方法進(jìn)行推導(dǎo)，為礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理提供依據(jù)。

1 運(yùn)輸能力的計(jì)算方法

1.1 計(jì)算理論

道路運(yùn)輸能力一般是指在一定的技術(shù)設(shè)備和行車組織方法的條件下，一定時(shí)期內(nèi)某一線段（或區(qū)段）所能完成的最大運(yùn)輸量。 道路通行能力是指在特定的交通條件、道路條件及人為度量標(biāo)準(zhǔn)下，單位時(shí)間內(nèi)通過的最大交通量。通行能力是運(yùn)輸能力的基礎(chǔ)，運(yùn)輸能力的計(jì)算首先要確定通行能力。 道路基本通行能力計(jì)算公式見式（1）[1]：

式中：ν 為車輛行駛速度，km/h；l 為最小車輛間距，也是司機(jī)在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)車輛行駛的距離、車輛的制動(dòng)距離、車輛間的安全間距、車輛平均長度之和，m。

道路可能通行能力則需充分考慮車道寬度、側(cè)向凈空、縱坡度、視距和沿途條件等各種影響因素，對道路基本通行能力進(jìn)行修正后得到。

另外，由于斜坡道內(nèi)車輛上、下行的速度不一樣，下行速度比上行速度快，因此會(huì)車時(shí)，須遵循“小車讓大車、輕車讓重車、下行車輛讓上行車輛”的原則[2]。

1.2 計(jì)算模型

斜坡道中，上行與下行車輛的讓行主要在錯(cuò)車道（或分段巷道聯(lián)絡(luò)道）內(nèi)進(jìn)行。 上行車輛一般是連續(xù)行駛的重車，因此是由下行車輛避讓上行車輛。上行車輛的間距需要滿足下行車輛在不影響上行車輛行駛的情況下有足夠時(shí)間向下行駛至下一個(gè)錯(cuò)車道進(jìn)行會(huì)車[2]。

為了簡化計(jì)算模型，假設(shè)下行車輛位于錯(cuò)車道內(nèi)讓車，上行車輛剛剛駛過。 此時(shí)，錯(cuò)車道內(nèi)的下行車輛駛出錯(cuò)車道，回到斜坡道內(nèi)行駛一段時(shí)間，在遇到下一輛上行車輛前，需要再次駛?cè)胂乱粋€(gè)錯(cuò)車道內(nèi)讓行。 上、下行車輛運(yùn)行示意見圖1。 上行車輛分別從A1和C1勻速行駛至A2和C2的時(shí)間內(nèi)，下行車輛需從B1加速駛出錯(cuò)車道，在斜坡道內(nèi)勻速行駛，最后吊壓減速行駛至下一個(gè)錯(cuò)車道B2。

圖1 上、下行車輛運(yùn)行示意

由圖1 可知，L 為上行車輛的間距；L1為下行車輛加速駛出錯(cuò)車道距離；L2為斜坡道內(nèi)勻速行駛距離；L3為減速駛?cè)胂乱粋€(gè)錯(cuò)車道的距離；L4為車輛安全間距；L5為下行車輛行駛時(shí)間內(nèi)上行車輛的行駛距離；L6為車輛平均長度。錯(cuò)車道間距=L1+L2+L3。L=錯(cuò)車道間距+2L4+L5+L6。 理想狀態(tài)下，L 即為上行車輛的最小間距， 根據(jù)上行車輛的行駛速度即可計(jì)算出斜坡道的最大通行能力。

除上部無礦段外，斜坡道通常利用分段巷道聯(lián)絡(luò)道作為錯(cuò)車道，因此錯(cuò)車道的間距一般可以確定；車輛間的安全間距則按照規(guī)范要求取值。 只需計(jì)算下行車輛在兩個(gè)相鄰錯(cuò)車道之間的行駛時(shí)間（上行車輛行駛距離為L5的時(shí)間），即可計(jì)算出上行車輛的間距。 下行車輛的行駛時(shí)間為t1（加速駛出錯(cuò)車道時(shí)間）+t2(斜坡道內(nèi)勻速行駛時(shí)間)+t3(減速駛?cè)胂乱粋€(gè)錯(cuò)車道時(shí)間)。

1.3 計(jì)算公式[3-4]

下行車輛加速行駛距離L1和時(shí)間t1計(jì)算公式見式（2）、式（3）：

式中：V1為下行車輛速度，km/h；a1為車輛平均行駛加速度，取 2.5 m/s2。

下行車輛減速行駛距離L3和時(shí)間t3計(jì)算公式見式（4）、式（5）：

式中：t4為駕駛員反應(yīng)時(shí)間， 取 2.5 s；t5為發(fā)動(dòng)機(jī)減速時(shí)間，取 3.0 s；a2為發(fā)動(dòng)機(jī)減速度，取 1.8 m/s2；a3為制動(dòng)器減速度，取 2.5 m/s2。

據(jù)了解，目前現(xiàn)有金融類軟件系統(tǒng)中，通常的做法是在各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行加解密，加解密通信算法通常采用的是固定因子，采用固定因子的加解密通信通常對不同客戶端加密相同數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生的密文不唯一，安全性較低，容易被破解。本文提出的加密算法是基于傳統(tǒng)常見的算法模式衍生的動(dòng)態(tài)加密模式，較目前國內(nèi)各大廠商使用的現(xiàn)有加密算法更加安全可靠。

下行車輛斜坡道內(nèi)勻速行駛距離L2和時(shí)間t2計(jì)算公式見式（6）、式（7）：

式中：L0為錯(cuò)車道間距，m。

上行車輛行駛距離L5和間距L 的計(jì)算公式見式（8）、式（9）：

式中：L4為車輛安全間距，取50 m；L5為上行車輛行駛距離，m；L6為車輛平均長度，m；V2為上行車輛速度，km/h。

斜坡道通行能力N 的計(jì)算公式見式（10）：

式中：N 為斜坡道通行能力，輛/h。

式中：Q 為斜坡道運(yùn)輸能力，kt/a；G 為車輛有效載重，t；S 為班工作時(shí)數(shù)，h；C 為日工作班數(shù)，班；H為年工作日數(shù)，d/a；K1為時(shí)間利用系數(shù)；K2為運(yùn)輸不平衡系數(shù)。

2 影響運(yùn)輸能力的因素

斜坡道的運(yùn)輸能力為單位時(shí)間內(nèi)通過斜坡道運(yùn)輸?shù)牡V巖量。在通行能力一定的情況下，車輛的載重決定了運(yùn)輸能力。 此外，工作時(shí)間的利用系數(shù)、運(yùn)輸不均衡系數(shù)和運(yùn)輸車輛中運(yùn)礦車輛的比例也會(huì)影響斜坡道的運(yùn)輸能力。根據(jù)計(jì)算方法可知，影響斜坡道通行能力的主要因素為運(yùn)輸車輛的行駛速度和錯(cuò)車道的間距。在開拓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，基本確定了斜坡道的線路布置和坡度選取， 也間接確定了運(yùn)輸車輛的行駛速度。因此，斜坡道運(yùn)輸能力的主要影響因素為車輛的載重和錯(cuò)車道的間距。

顯然，在錯(cuò)車道間距相同的情況下，通行能力相同，斜坡道的運(yùn)輸能力與車輛的載重呈線性關(guān)系。錯(cuò)車道的間距對斜坡道運(yùn)輸能力的影響表現(xiàn)為： 錯(cuò)車道間距越大，下行車輛在斜坡道內(nèi)勻速行駛時(shí)間t2越長，上行車輛的行駛距離L5就越大，上行車輛的間距L 也越大，從而導(dǎo)致斜坡道的通行能力越小。在相同車輛載重的情況下，斜坡道的通行能力越小，運(yùn)輸能力就越小。假設(shè)車輛的載重為30 t，錯(cuò)車道的間距從50 m 逐漸增加至400 m，斜坡道的運(yùn)輸能力前期顯著下降，后期逐漸平緩，如圖2 所示。

圖2 不同錯(cuò)車道間距的運(yùn)輸能力（車輛載重30 t）

雖然計(jì)算方法中沒有反映斜坡道的長度與運(yùn)輸能力的關(guān)系，但是隨著開采深度的增加，斜坡道的長度隨之增加，井下所需的輔助車輛也會(huì)相應(yīng)的增加，上行車輛中運(yùn)礦車輛的比例就會(huì)降低， 從而影響斜坡道的運(yùn)輸能力。 此外，斜坡道長度越長，需要的運(yùn)輸車輛越多，斜坡道內(nèi)的生產(chǎn)調(diào)度更為復(fù)雜。

3 運(yùn)用實(shí)例

國外某鉛鋅礦生產(chǎn)規(guī)模為1 000 kt/a，采用斜坡道開拓、無軌設(shè)備運(yùn)輸。主斜坡道擔(dān)負(fù)礦石、廢石、人員、材料及設(shè)備的運(yùn)輸，兼作輔助進(jìn)風(fēng)。 主斜坡道布置于礦體下盤， 以直線段1∶7 的坡度和曲線段1∶10的坡度折返式向下延深，且在垂直方向上每下降20 m設(shè)一處聯(lián)絡(luò)道與分段巷道相連，并在分段聯(lián)絡(luò)道處設(shè)20 m 緩坡段。主斜坡道在進(jìn)入分段聯(lián)絡(luò)道之前每隔150 m 設(shè)置一個(gè)T 形錯(cuò)車道（掘進(jìn)時(shí)作為調(diào)頭硐室或廢石裝載硐室），進(jìn)入分段水平之后則以各分段聯(lián)絡(luò)道口段作為T 形錯(cuò)車道（間距約150 m）。

設(shè)計(jì)選擇較為先進(jìn)的大型無軌設(shè)備， 根據(jù)坑內(nèi)卡車的性能和主斜坡道的線路布置、 坡度設(shè)計(jì)等因素， 上行和下行車輛的行駛速度分別確定為8 km/h和12 km/h。 經(jīng)計(jì)算，上行車輛的最小間距為370 m，最小間隔時(shí)間為3 min，最大行車密度（通行能力）為20 輛/h，如表 1 所示。車輛裝滿系數(shù)取 0.9，工作時(shí)間利用系數(shù)取0.6，運(yùn)輸不平衡系數(shù)取1.1，按照年工作時(shí)間330 d 計(jì)算，15～50 t 不同載重運(yùn)輸車輛的運(yùn)輸能力如表2 所示。

表1 斜坡道通行能力計(jì)算

表2 不同車輛載重的斜坡道運(yùn)輸能力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，選擇20 t 以上坑內(nèi)卡車才能滿足礦山礦石1 000 kt/a 和廢石300 kt/a 的運(yùn)輸能力要求。如果將來礦山擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，則需要增加運(yùn)輸車輛的載重或縮短斜坡道內(nèi)錯(cuò)車道的間距。 增加運(yùn)輸車輛的載重，可能需要擴(kuò)大斜坡道的斷面，將會(huì)影響礦山的正常生產(chǎn)。因此，縮短錯(cuò)車道的間距為礦山后期擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的主要措施。

4 結(jié)語

本文通過借鑒單車道公路錯(cuò)車道的設(shè)置方法，對地下礦山斜坡道的通行能力進(jìn)行了推導(dǎo)，得到了影響斜坡道運(yùn)輸能力的主要因素，并將計(jì)算方法實(shí)際應(yīng)用于斜坡道開拓礦山的運(yùn)輸能力計(jì)算和運(yùn)輸設(shè)備選型。研究結(jié)果表明，影響斜坡道運(yùn)輸能力的主要因素為運(yùn)輸車輛的載重和錯(cuò)車道的間距，這為礦山后期擴(kuò)大生產(chǎn)能力提供了調(diào)整依據(jù)和補(bǔ)救措施。