安全高效智能化礦井無軌運(yùn)輸條件的優(yōu)化與應(yīng)用

鄭愛午

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 大同 037100）

引言

隨著煤礦運(yùn)輸設(shè)備不斷的升級改造，裝備已經(jīng)達(dá)到較高的水平，但是在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)應(yīng)用中由于運(yùn)輸條件的設(shè)計(jì)把關(guān)不嚴(yán)格，設(shè)施設(shè)計(jì)不合理等原因，使得設(shè)備的性能沒有得到充分發(fā)揮，應(yīng)有的作用未明顯表現(xiàn)出來，其中問題最為突出的設(shè)備是無軌膠輪車，在井下常常出現(xiàn)堵車、與墻面觸碰、轉(zhuǎn)彎困難、連續(xù)性差等現(xiàn)象。

基于上述現(xiàn)象，要想實(shí)現(xiàn)安全、高效、智能、連續(xù)的無軌運(yùn)輸，必須對運(yùn)輸條件進(jìn)行合理的優(yōu)化，才能充分發(fā)揮無軌膠輪車的性能[1-6]。

1 影響無軌運(yùn)輸條件因素的分析

通過現(xiàn)場調(diào)研與因素的辨識，影響無軌運(yùn)輸條件的主要因素有以下7 方面：

1）礦井開拓方式是無軌膠輪車運(yùn)輸能否實(shí)現(xiàn)井上、下連續(xù)運(yùn)輸?shù)闹饕笜?biāo)；

2）巷道斷面、硐室是無軌膠輪車運(yùn)輸能否實(shí)現(xiàn)暢通運(yùn)輸?shù)闹饕笜?biāo)，在礦井輔助運(yùn)輸效率、安全方面占主導(dǎo)地位；

3）巷道坡度是無軌膠輪車運(yùn)輸能否實(shí)現(xiàn)安全、高效的主要指標(biāo)；

4）巷道變坡點(diǎn)與轉(zhuǎn)彎半徑是無軌膠輪車能否運(yùn)輸?shù)闹攸c(diǎn)指標(biāo)；

5）巷道路面是無軌膠輪車運(yùn)輸能否順利通行的重點(diǎn)指標(biāo)；

6）信息化系統(tǒng)是無軌膠輪車運(yùn)輸能否實(shí)現(xiàn)智能化的主要指標(biāo)，在礦井輔助運(yùn)輸調(diào)度、智能運(yùn)行方面占主要地位；

7）巷道標(biāo)識是無軌膠輪車能否實(shí)現(xiàn)安全、規(guī)范運(yùn)輸?shù)闹饕笜?biāo)，在指導(dǎo)無軌膠輪車司機(jī)駕駛方面占較高的地位。

2 安全、高效、智能運(yùn)輸條件的設(shè)計(jì)

2.1 開拓方式及井筒規(guī)劃

礦井開拓一般會(huì)根據(jù)井筒的不同劃分為斜井開拓、平硐開拓和立井開拓3 種形式，無軌運(yùn)輸?shù)牡V井優(yōu)先選用斜井或平硐開拓方式，但是選用立井開拓時(shí)提升井筒應(yīng)滿足所有車輛能夠順利上下井的尺寸要求（建議選用井筒直徑不小于9.6 m）。

2.2 巷道斷面、硐室

無軌運(yùn)輸巷道優(yōu)先按單車道單車運(yùn)輸和雙車道雙車運(yùn)輸設(shè)計(jì)，運(yùn)行的安全間距（b、c、e）不得小于0.5 m，人行道的寬度a 不得小于1.0 m（見圖1、下頁圖2 所示），綜合上述要求：單向行駛的巷道凈寬不得小于礦井使用最大車輛寬度加1.5 m 之和，巷道的凈高不得小于車輛拉運(yùn)設(shè)備后最高點(diǎn)高度加0.5 m之和；雙向行駛的巷道凈寬不得小于礦井使用兩個(gè)最常用車輛寬度加2.0 m 之和，巷道的凈高不得小于車輛拉運(yùn)設(shè)備后最高點(diǎn)高度加0.5 m 之和。

圖1 單車道單向巷道

圖2 雙車道雙向巷道

無軌膠輪車運(yùn)輸巷道內(nèi)每隔300～500 m 設(shè)置1個(gè)錯(cuò)車硐室（會(huì)讓硐室），錯(cuò)車硐室的間距應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)際產(chǎn)量確定，產(chǎn)量越大的礦井間距應(yīng)越小，硐室內(nèi)宜配置加水點(diǎn)和加氣點(diǎn)；盡頭式的硐室斷面、深度應(yīng)根據(jù)井筒或巷道寬度和運(yùn)行車輛的外形尺寸確定，確保會(huì)讓硐室停車時(shí)，不得妨礙井筒或巷道正常通行車輛的通過，且兩車會(huì)車間距不小于0.5 m；巷道加寬布置時(shí)，加寬后的巷道總寬度應(yīng)滿足車輛雙車道雙向行駛方式，硐室長度應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定，但至少不小于會(huì)讓車輛2 倍的長度。

無軌膠輪車運(yùn)輸巷道內(nèi)每隔300 m 設(shè)置一個(gè)人員躲避硐室，在300 m 間距附近有可以利用的硐室或巷道符合躲避硐尺寸時(shí)，可不另設(shè)躲避硐。

采用無軌和有軌的混合輔助運(yùn)輸方式時(shí)，兩種運(yùn)輸方式的交接處，設(shè)置換裝硐室，有快捷、方便的換裝手段，加裝翻輪機(jī)與起吊裝置，并且將礦車改裝成無軌膠輪車車廂結(jié)構(gòu)，方便兩者互換裝卸；路面硬化時(shí)應(yīng)采用軌道埋入的方式，使得軌面與混凝土路面齊平，對于道岔的岔尖和轉(zhuǎn)轍部分應(yīng)設(shè)置護(hù)軌保護(hù)。

2.3 巷道變坡與交岔點(diǎn)

車輛通過凹凸型坡度時(shí)，路面所需倒角半徑與凹凸型變坡點(diǎn)的變坡角、車輛的軸距、離地間隙等有關(guān)，變坡參數(shù)如圖3、圖4 所示。

圖3 凸形變坡

圖4 凹形變坡

當(dāng)巷道凸形變坡角θ≤2arctan（2n/D）時(shí)，路面不需要倒圓角，車輛即可通過。

當(dāng)θ≥4arctan（2n/D）時(shí)，路面的倒圓角半徑必須滿足下列公式（1）要求，車輛才可通過。

當(dāng)2arctan（2n/D）＜θ＜4arctan（2n/D）時(shí)，路面的倒圓角半徑必須滿足下列公式（2）要求，車輛才可通過。

當(dāng)巷道凹形變坡角θ≤β 時(shí)，車輛可直接通過。當(dāng)巷道凹形變坡角β＜θ＜2β 之間時(shí)，巷道路面的倒圓角半徑必須滿足下列公式（3）要求，車輛才可通過。

當(dāng)巷道凹形變坡角θ≥2β 時(shí)，巷道路面倒圓角半徑必須滿足下列公式（4）要求，車輛才可通過。

式中：B 為巷道的寬度，m；θ（θ1、θ2）為變坡角，（°）；D為車輛軸距，m；n 為離地間隙，m；β 為車輛接近角β1與離去角β2的較小角，（°）；k 為調(diào)整系數(shù)，按照經(jīng)驗(yàn)取0.3。

車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)，車身內(nèi)外側(cè)與巷道壁的安全間距不得小于0.5 m（如圖5 所示），不同巷道寬度、不同巷道夾角時(shí)，轉(zhuǎn)彎處的倒圓角要求不同，其計(jì)算公式為：

圖5 交岔點(diǎn)

式中：R 為巷道轉(zhuǎn)彎處設(shè)置倒圓角半徑，m；B 為車輛邊緣至巷道壁突出物最小距離，m；R1為車輛的最小外轉(zhuǎn)彎半徑，m；R2為車輛最小內(nèi)轉(zhuǎn)彎半徑，m；R3為車輛尾部最突出部分的最小轉(zhuǎn)彎半徑，m；θ 為轉(zhuǎn)彎巷道的夾角，（°）；

綜合以上公式，轉(zhuǎn)彎處倒角足夠大（外轉(zhuǎn)彎半徑不得小于10 m，內(nèi)轉(zhuǎn)彎半徑不得小于7 m），不妨礙車輛轉(zhuǎn)彎。

2.4 巷道路面和坡度

安全高效礦井要求無軌膠輪車運(yùn)輸巷道坡度必須小于6°，當(dāng)局部坡度超過10°，路面應(yīng)做防滑處理；當(dāng)連續(xù)坡度超過500 m 時(shí)，應(yīng)設(shè)置15～20 m 水平緩沖段。

井底車場、主要的輔助運(yùn)輸大巷、采區(qū)集中運(yùn)輸巷線路路面宜采用強(qiáng)度為C30 的混凝土鋪設(shè)300 mm 厚，采區(qū)主要準(zhǔn)備巷道宜采用C20 混凝土鋪設(shè)150～200 mm 厚。采用支架搬運(yùn)車準(zhǔn)備、搬家的工作面切眼轉(zhuǎn)彎處應(yīng)采用鋼筋混凝土的硬化方式，強(qiáng)度不得低于C30，鋪設(shè)厚度不得小于300 mm。

巷道有底臌現(xiàn)象，在硬化路面時(shí)應(yīng)將螺紋鋼筋硬化在混凝土中，若巷道局部底臌非常嚴(yán)重，可用石子或三七灰土做基礎(chǔ)夯實(shí)。

2.5 信息化系統(tǒng)

無軌膠輪車運(yùn)輸系統(tǒng)信息化做到礦井全覆蓋，以精準(zhǔn)定位為基礎(chǔ)，依托無線通訊、智能調(diào)度和地理信息系統(tǒng)的平臺，實(shí)現(xiàn)路徑智能規(guī)劃、無線調(diào)度通訊、車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)輸任務(wù)指令下達(dá)、違章行為自動(dòng)抓拍、信號的自動(dòng)開放和閉鎖等功能。主要設(shè)備在停電的情況下應(yīng)有4 h 的續(xù)航能力，采用高速、寬帶的工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、無線通信網(wǎng)絡(luò)等，配置高可靠、抗干擾、快速的服務(wù)器，交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)20 km/h 時(shí)，重點(diǎn)區(qū)域空間定位誤差不大于1 m，同時(shí)跟蹤目標(biāo)不小于2 000個(gè)，要求抗干擾能力強(qiáng)、無誤碼、無漏檢、分辨率達(dá)到0.3 m。

無軌運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)井下車輛位置和重量的自動(dòng)感知，紅綠燈信號的自動(dòng)控制，為井下各地點(diǎn)車輛提供正確的運(yùn)行路線行駛或提前避讓，達(dá)到故障監(jiān)測、自動(dòng)報(bào)警和智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)車的可視化調(diào)度。

2.6 標(biāo)識系統(tǒng)

標(biāo)識主要分為四類，分別是禁止標(biāo)志，警告標(biāo)志，指令標(biāo)志，路標(biāo)、名牌、提示標(biāo)志。其中：禁止標(biāo)志是指禁止或制止人們的某種行為的標(biāo)志；警告標(biāo)志是指警告人員注意可能發(fā)生危險(xiǎn)的標(biāo)志；指令標(biāo)志指人員必須遵守某種規(guī)定的標(biāo)志；路標(biāo)、名牌、提示標(biāo)志：告訴人們目標(biāo)方向、地點(diǎn)的標(biāo)志。各類標(biāo)志應(yīng)符合GB 2984—2008《安全標(biāo)志及其使用導(dǎo)則》、GB 14161—2008《礦山安全標(biāo)志》、GB 5768《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》、AQ 1017—2005《煤礦井下安全標(biāo)識》規(guī)定。

在巷道轉(zhuǎn)彎處或駕駛員視線受阻區(qū)段，應(yīng)設(shè)限速、鳴笛標(biāo)志；人員躲避硐室、車輛停放處、車輛會(huì)讓（錯(cuò)車）硐室、調(diào)頭硐室、檢修硐室、加油硐室、換裝硐室等附近上方或兩側(cè)應(yīng)設(shè)置提示標(biāo)志；在各巷道、硐室入口處的限高、限寬等標(biāo)志；無軌膠輪車運(yùn)輸巷道各岔口、錯(cuò)車點(diǎn)、彎道、車場等處設(shè)有行車指示等安全標(biāo)志和信號；有軌運(yùn)輸與無軌運(yùn)輸交叉處危險(xiǎn)路段設(shè)置有限速和警示裝置；無軌膠輪車運(yùn)輸巷道和路面應(yīng)當(dāng)設(shè)置行車標(biāo)識和安全標(biāo)識，能夠準(zhǔn)確指示、警示和引導(dǎo)駕駛、乘車人員安全運(yùn)輸。

3 工程實(shí)踐

由于上述運(yùn)輸條件還未在同一個(gè)礦井完全實(shí)踐，因此按照運(yùn)輸條件進(jìn)行分類說明實(shí)踐效果。

1）塔山礦采用平硐的開拓方式，井上、下實(shí)現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)輸，運(yùn)輸效率較高；無軌運(yùn)輸巷道的坡度較?。ㄆ骄露?°），實(shí)現(xiàn)建礦以來15 年輔助運(yùn)輸“0”事故的安全運(yùn)輸；無軌運(yùn)輸巷道內(nèi)嚴(yán)格按照300 m的要求設(shè)置了車輛會(huì)讓硐室，堵車現(xiàn)象極其少見，實(shí)現(xiàn)了車輛高效運(yùn)輸；建立無軌膠輪車智能調(diào)度平臺，引進(jìn)了UWB 精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下網(wǎng)約車模式，充分利用在用車輛，發(fā)揮出最大的作用。

2）馬脊梁礦采用立井開拓方式，井筒直徑9.6 m，罐籠尺寸（7.7 m×3.78 m×4.68 m），完全滿足綜采搬家準(zhǔn)備期間的上、下井運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)井上、下連續(xù)運(yùn)輸，提高了運(yùn)輸效率，并且杜絕了車輛在井下加油、檢修現(xiàn)象，充分保障井下用車安全。

3）三元中能礦采用副斜井與立井開拓方式，副斜井采用有軌運(yùn)輸，井下采用無軌運(yùn)輸，井底車場設(shè)置了翻輪機(jī)，混凝土的材料可以直接轉(zhuǎn)載到無軌膠輪車上，轉(zhuǎn)載效率提高了1 倍；但是該礦立井井筒直徑8.2 m，罐籠尺寸（6.3 m×4.5 m×3.8 m），不能滿足綜采搬家準(zhǔn)備期間的上、下井運(yùn)輸，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)化運(yùn)輸。

4）盛泰礦采用副斜井開拓方式，輔助運(yùn)輸方式為有軌與無軌混合運(yùn)輸，井底車場設(shè)置起吊裝置，并且將礦車與無軌膠輪車車廂改造成統(tǒng)一形狀，可以實(shí)現(xiàn)直接換裝，極大提高了換裝的效率。

5）大通礦采用副平硐開拓方式，井下約有10 處轉(zhuǎn)彎，在第6 個(gè)轉(zhuǎn)彎處，轉(zhuǎn)彎角度成銳角，且轉(zhuǎn)彎半徑較小，原倒圓角半徑2 m，轉(zhuǎn)彎時(shí)一次性過不去，最后計(jì)算將轉(zhuǎn)彎半徑擴(kuò)到7 m，目前所有的車輛均能一次性順利通行。

6）孫家溝礦采用副斜井開拓方式，井下輔助運(yùn)輸巷道坡度變化起伏較大，但是變坡點(diǎn)倒圓角半徑都在10 m 及以上，車輛不存在觸碰底盤的現(xiàn)象。

7）馬道頭礦采用副斜井開拓方式，副斜井全長3 200 m，坡度5.5°，平坡段4 處，平均每800 m 一個(gè)，錯(cuò)車硐室14 個(gè)，且錯(cuò)車硐室均安裝了靜壓水管，實(shí)現(xiàn)無軌運(yùn)輸高效運(yùn)行。