單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)在掘進(jìn)工作面的研究與應(yīng)用

馬登陸,劉成升

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500）

1 概述

單軌吊機(jī)車作為一種成熟的運(yùn)輸設(shè)備，在物料運(yùn)輸、工作面安裝撤除等作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。單軌吊機(jī)車具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、安全可靠、使用靈活方便的特點(diǎn)，如僅作為運(yùn)輸起吊設(shè)備使用，不能充分發(fā)揮其特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。單軌吊機(jī)車應(yīng)作為一種平臺(tái)工具，在其基礎(chǔ)上不斷研發(fā)改進(jìn)，以適應(yīng)不同的工況及用途。兗礦能源集團(tuán)股份有限公司東灘煤礦五采區(qū)皮帶巷掘進(jìn)期間，通過對(duì)單軌吊機(jī)車的研究與改造，創(chuàng)造性的將單軌吊與轉(zhuǎn)載機(jī)相結(jié)合，研制出單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)及配套工藝流程。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用，其安全性、出矸效率均得到充分驗(yàn)證[4-5]。

2 背景簡(jiǎn)介

2.1 制約因素

出矸速度慢是制約普掘工作面施工效率的主要因素之一，提高出矸效率能夠大幅度提升掘進(jìn)速度，是普掘工藝優(yōu)化的首選工序。目前提升出矸效率的常用方法是使用膠帶運(yùn)輸機(jī)配合不同出矸設(shè)備進(jìn)行快速出矸，此方法需要頻繁延伸膠帶運(yùn)輸機(jī)承載段，由于增加了額外工作量及工序，不利于效率提高及現(xiàn)場(chǎng)安全管理。一種能夠安全高效、簡(jiǎn)化工藝的出矸方法，成為新的研究方向。

2.2 巷道概況

東灘煤礦五采區(qū)皮帶巷為開拓巷道，為五采區(qū)煤流運(yùn)輸、通風(fēng)、行人服務(wù)，皮帶機(jī)頭硐室設(shè)計(jì)為三心拱斷面，凈寬5 500 mm，凈高5 033 mm，墻高3 200 mm，拱高1 833 mm，采用鉆爆法掘進(jìn)。

五采區(qū)皮帶巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度1 114 m，沿掘進(jìn)方向0～200 m，煤（巖）層傾角-6°～-9°；200～1 075 m煤巖層傾角-5°～-7°；1 075～1 114m設(shè)計(jì)停掘煤（巖）層傾角-2°～-4°。

巷道掘進(jìn)位于3上、3下煤及頂、底板層位。3上煤厚4.55～4.9 m，f=2～3，黑色，油脂光澤，內(nèi)生裂隙發(fā)育，參差狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，以暗煤為主，夾鏡煤條帶，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3上煤底板之上1.90～2.30 m發(fā)育一層細(xì)砂巖夾矸厚0.02～0.03 m，f=3～4。3上煤直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖，厚0～3.81 m，f=3～4；基本頂巖性為中砂巖，厚0～2.17 m，f=5～7；3上煤與3下煤夾矸巖性為粉砂巖厚1.33～2.15 m，f=3～4；3下煤厚1.10～1.48 m，f=2～3；3下煤直接底為粉砂巖，厚5.59～7.84 m，f=3～4；老底為中砂巖，厚19.12～21.72 m，f=5～7。

2.3 設(shè)備概況及改進(jìn)方案

五采區(qū)皮帶巷前期掘進(jìn)期間，采用1臺(tái)ZCY120R型側(cè)卸式裝巖機(jī)出矸，巷道內(nèi)安裝DSJ80型膠帶輸送機(jī)排矸，隨巷道前掘不斷延伸機(jī)尾。

由于側(cè)卸式裝巖機(jī)鏟裝矸石后，需要運(yùn)行一定距離至皮帶機(jī)尾處方可卸載矸石，出矸效率難以發(fā)揮。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，側(cè)卸式裝巖機(jī)裝卸后的行走時(shí)間約每次100s，鏟裝矸石約每鏟40s，卸矸石約每鏟30s，其行走時(shí)間約占總出矸時(shí)間的59%，有較大的提升空間。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的分析，決定設(shè)計(jì)一部能夠自行走及升降的轉(zhuǎn)載機(jī)，以配合側(cè)卸機(jī)出矸使用。

3 方案設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)以單軌吊機(jī)車作為設(shè)備平臺(tái)，集成自行走、轉(zhuǎn)載機(jī)升降及運(yùn)矸功能于一體[6，7]。單軌吊軌道隨迎頭掘進(jìn)同時(shí)安裝，滯后迎頭3～5 m，前期用于單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行，后期為巷道輔助運(yùn)輸服務(wù)。出矸時(shí)，將單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行至迎頭，側(cè)卸式裝巖機(jī)就近鏟裝出矸。出矸結(jié)束后，將單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行至迎頭以外，以滿足后續(xù)施工空間需要。單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)長(zhǎng)度可根據(jù)需要靈活調(diào)整，以滿足不同條件需要。

3.1 單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)主要分為行走部、懸吊升降部及轉(zhuǎn)載部三部分，各部分操控閥集中在同一操作臺(tái)處，人員在安全地點(diǎn)操控整個(gè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)載機(jī)行走機(jī)構(gòu)動(dòng)力單元為單軌吊機(jī)車，為轉(zhuǎn)載機(jī)移動(dòng)及工作提供動(dòng)力，機(jī)車安裝在轉(zhuǎn)載機(jī)遠(yuǎn)離迎頭的一側(cè)，避免爆破時(shí)崩出的矸石損壞設(shè)備。

機(jī)車后方安裝若干組轉(zhuǎn)載懸吊滑車，滑車之間通過連桿連接，滑車安裝剎車機(jī)構(gòu)。懸吊滑車下方安裝升降機(jī)構(gòu)，通過圓環(huán)鏈與轉(zhuǎn)載部連接，通過控制升降機(jī)構(gòu)，可升起或落下轉(zhuǎn)載部，以便于行走或裝矸。

轉(zhuǎn)載部采用膠帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，多點(diǎn)懸吊于升降部下方。由轉(zhuǎn)載機(jī)架、V型受煤口、卸矸口、馬達(dá)等主要部件組成，卸矸口處安裝轉(zhuǎn)載噴霧及清掃裝置。

圖1 懸吊自移式轉(zhuǎn)載機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)能力計(jì)算

表1 單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)技術(shù)參數(shù)表

單軌吊機(jī)車運(yùn)行最大坡度為10°，單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)整機(jī)重量45 kN，行走部牽引力20 kN，制動(dòng)力30 kN，行走速度0.4 m/s。

單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)行走時(shí)需要牽引力為：

經(jīng)計(jì)算，機(jī)車額定牽引力20 kN，大于需要牽引力F=8.6 kN，滿足設(shè)備行走要求。

制動(dòng)減速度計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，機(jī)車額定制動(dòng)力30 kN，大于需要制動(dòng)力F=6.93 kN，滿足設(shè)備制動(dòng)要求。

制動(dòng)減速度及制動(dòng)距離計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，制動(dòng)距離s=0.311 m，小于6 s內(nèi)單軌吊機(jī)車的運(yùn)行距離0.4×6=2.4 m，符合使用要求。式中：F為需要牽引力，kN；P為整機(jī)重量，45 kN；α為最大坡度，10°；ω為摩擦系數(shù)，取0.02；FZ為額定制動(dòng)力，30 kN；F0為運(yùn)行阻力，kN；FG為慣性力，kN；a為制動(dòng)加速度，m/s2；s為制動(dòng)距離，m。

3.3 設(shè)備安裝及安全要點(diǎn)

3.3.1 單軌吊梁安裝

1）選用I140E型單軌吊梁，每節(jié)長(zhǎng)度2 400 mm，允許載荷225.4 kN，每節(jié)單軌吊梁采用2個(gè)吊點(diǎn)吊掛。采用φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采用加長(zhǎng)錨固，設(shè)計(jì)錨固力190 kN。

2）軌道采用雙鏈吊掛，垂直吊軌方向布置“V”字型吊掛鏈，每間隔5組吊掛點(diǎn)布置1個(gè)平行吊軌方向“V”字型吊掛鏈。

3）每根吊掛鏈必須處于受力狀態(tài)，嚴(yán)禁出現(xiàn)吊鏈不受力現(xiàn)象。

4）軌道敷設(shè)：直線段目視直順，無明顯折點(diǎn)。軌道接頭過渡平順，軌道接頭平整度：高低和左右允許偏差不大于2 mm和1 mm；接頭擺角水平方向不得大于1°，垂直方向不得大于6°；下軌面接頭間隙不大于5 mm，不小于2 mm。

5）斜巷坡度在10°及以上時(shí)，上下變坡點(diǎn)前后區(qū)域根據(jù)使用需要適當(dāng)調(diào)整角度。每2節(jié)軌道安設(shè)一組側(cè)拉調(diào)節(jié)鏈拉緊，斜巷其它區(qū)域每3節(jié)軌道安設(shè)一組側(cè)拉調(diào)節(jié)鏈拉緊，按“V”字布置，生根錨桿在斜巷上方，使用對(duì)拉螺絲張緊；斜巷坡度在10°以下3°以上時(shí)，每5節(jié)軌道安設(shè)一組側(cè)拉調(diào)節(jié)鏈拉緊，按“V”字布置，生根錨桿在斜巷上方，使用對(duì)拉螺絲張緊，拉緊錨桿使用φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿垂直于頂板施工。

6）驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)行范圍，即軌道左右兩側(cè)0.6 m、上方0.1 m內(nèi)不得有障礙物，防止影響車輛運(yùn)行。

3.3.2 單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)安裝

1）單軌吊機(jī)車選用DQD20型單軌吊車，將單軌吊機(jī)車運(yùn)輸?shù)桨惭b地點(diǎn)。

2）采用手拉葫蘆人工起吊的方式將單軌吊機(jī)車安裝至單軌吊梁上，依次安裝單軌吊機(jī)車行走部、懸吊升降裝置及連桿。

3）檢查單軌吊機(jī)車完好情況，然后試運(yùn)行。

4）將橋架式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸?shù)轿弧?/p>

5）在底板上組裝好橋架式轉(zhuǎn)載機(jī)，在轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾位置分別安裝溜矸口及擋煤板。將組裝好的單軌吊機(jī)車運(yùn)行至橋架轉(zhuǎn)載機(jī)上方，將懸吊升降裝置起吊鏈落下，分別固定在轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭節(jié)及機(jī)尾節(jié)機(jī)架上，采用4點(diǎn)吊掛，吊掛鏈選用φ18 mm×64 mm圓環(huán)鏈。

6）操作單軌吊機(jī)車，通過懸吊升降裝置將橋架轉(zhuǎn)載機(jī)整體吊起。安裝斜拉連桿，將轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭與單軌吊行走部鉸接固定，以增架轉(zhuǎn)載機(jī)在行走過程中的縱向穩(wěn)定性。

7）在單軌吊行走部外側(cè)單軌吊梁上安裝電纜吊掛滑車，將供電電纜吊掛在電纜滑車上，保證轉(zhuǎn)載機(jī)能夠在單軌吊機(jī)車牽引下自由行走。

8）整體全部組裝完成后，整機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查行走單元、懸吊升降單元、轉(zhuǎn)載單元聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)情況，確保完好。

3.3.3 施工安全要點(diǎn)

1）加強(qiáng)單軌吊錨桿錨固質(zhì)量控制，錨桿施工后進(jìn)行錨固力檢測(cè)，確保錨固力合格。

2）起吊施工前現(xiàn)場(chǎng)安全負(fù)責(zé)人排查現(xiàn)場(chǎng)起吊錨桿拉拔力試驗(yàn)記錄，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)使用的起吊錨桿拉拔合格。起吊施工前應(yīng)指定專人負(fù)責(zé)，安全負(fù)責(zé)人對(duì)整個(gè)起吊過程統(tǒng)一指揮。起吊工作中要做到專人指揮、監(jiān)護(hù)。發(fā)現(xiàn)不安全因素,整改后方可繼續(xù)工作。

3）單軌吊懸吊升降裝置與橋架轉(zhuǎn)載機(jī)之間使用專用連接扣連接，確保牢固可靠。單軌吊行走部與轉(zhuǎn)載機(jī)之間要采用斜撐鉸接固定，增加縱向穩(wěn)定性。

4）單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)整機(jī)組裝完畢后，要聯(lián)機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)檢查整體穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)有機(jī)體共振、部件間相互擾動(dòng)等情況時(shí)，必須處理完畢后方可使用，確保設(shè)備使用安全。

5）單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)行走期間，施工人員必須遠(yuǎn)離設(shè)備運(yùn)行范圍5 m以上，設(shè)置警戒帶，保證設(shè)備挪移期間安全。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.4.1 出矸工藝流程

頂板支護(hù)完畢后，開始出矸作業(yè)。首先開機(jī)試運(yùn)行，檢查單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，操作升降機(jī)構(gòu)升起轉(zhuǎn)載部，操作行走機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行至距迎頭約4～6 m處。落下轉(zhuǎn)載部，使轉(zhuǎn)載部機(jī)尾落至矸石堆上，轉(zhuǎn)載部機(jī)頭卸矸口降至距膠帶運(yùn)輸機(jī)上方約500 mm處，閉鎖升降機(jī)構(gòu)。將側(cè)卸式裝巖機(jī)運(yùn)行至迎頭出矸位置開始鏟裝矸石，裝矸期間根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)位置。出矸結(jié)束后，將側(cè)卸式裝巖機(jī)退出迎頭，啟動(dòng)單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)，將轉(zhuǎn)載機(jī)退至膠帶機(jī)上方停放。

3.4.2 施工效率比較

五采區(qū)皮帶巷循環(huán)進(jìn)尺2.0 m，每循環(huán)實(shí)體矸石量約52 m3，按1.5膨脹系數(shù)計(jì)算，每循環(huán)矸石量約78 m3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)寫實(shí)情況，未使用單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)前，每循環(huán)出矸時(shí)間約3.5～4 h。使用單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)后，每循環(huán)出矸時(shí)間縮短約2 h，出矸工序效率提高一倍。

五采區(qū)皮帶巷每天按2個(gè)正規(guī)循環(huán)組織生產(chǎn)，三八制作業(yè)，每班出勤9人，理論工效每工0.148 m。使用單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)，每循環(huán)時(shí)間減少約2 h，理論工效提升至每工0.178 m，工效提升20%。

五采區(qū)皮帶巷未使用單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)前，每8～10 m延伸一次膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾，使用單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)出矸后，每25 m延伸一次機(jī)尾，延伸機(jī)尾頻率約降至原來的1/3。集中延伸機(jī)尾促進(jìn)了施工效率發(fā)揮，簡(jiǎn)化了施工環(huán)節(jié)，有利于現(xiàn)場(chǎng)安全管理。

3.4.3 現(xiàn)場(chǎng)適用性分析

單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)采用集中控制，能夠輕松完成轉(zhuǎn)載機(jī)的行走、升降及轉(zhuǎn)載排矸工作，操作簡(jiǎn)單方便。設(shè)備通過單軌吊軌道運(yùn)行，不受巷道底板條件限制，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)從開機(jī)挪移到落架出矸全過程僅需3～5 min時(shí)間，挪移方便靈活。單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)不使用時(shí)，懸停于膠帶機(jī)上方，不占用現(xiàn)場(chǎng)空間，有利于現(xiàn)場(chǎng)安全管理。

五采區(qū)皮帶巷后期使用單軌吊運(yùn)輸物料及設(shè)備，單軌吊梁隨迎頭掘進(jìn)同時(shí)安裝，減少了后期單獨(dú)安裝單軌吊梁占用的時(shí)間，有利于掘進(jìn)一次成巷施工管理。

3.4.4 可靠性分析

單軌吊機(jī)車作為一種成熟的運(yùn)輸設(shè)備，上世紀(jì)70、80年代，便已成為西方一些國(guó)家的主要輔助運(yùn)輸設(shè)備，其安全性、可靠性已得到充分論證。以單軌吊機(jī)車為平臺(tái)開發(fā)出的單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)，在單軌吊牽引的基礎(chǔ)上，增加轉(zhuǎn)載功能，是單軌吊平臺(tái)的模塊化拓展，在東灘煤礦五采區(qū)皮帶巷掘進(jìn)使用期間運(yùn)行安全平穩(wěn)，可以根據(jù)不同需要選擇柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)或高壓風(fēng)動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力源，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，能夠滿足煤礦井下使用要求。

4 存在的問題及解決方案

單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)在平巷內(nèi)行走時(shí)較平穩(wěn)，但由于轉(zhuǎn)載部與懸吊升降部之間采用圓環(huán)鏈連接，造成在斜巷內(nèi)起步行走時(shí)，轉(zhuǎn)載部會(huì)有較明顯的前后晃動(dòng)，對(duì)使用安全造成一定影響。針對(duì)該問題，可在轉(zhuǎn)載部機(jī)頭側(cè)安裝滑道，滑道與懸吊升降部之間剛性連接，轉(zhuǎn)載部升降時(shí)沿機(jī)頭側(cè)滑道運(yùn)行，可減輕轉(zhuǎn)載部晃動(dòng)現(xiàn)象。

單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)卸矸口需與膠帶運(yùn)輸機(jī)中心線重合方可正常出矸，要求單軌吊軌中需布置在膠帶運(yùn)輸機(jī)中線處，使單軌吊軌道及膠帶運(yùn)輸機(jī)安裝位置受到一定限制。針對(duì)該問題，可重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)載部卸矸口，在矸石卸載部增加斜槽，使轉(zhuǎn)載部具備側(cè)向卸矸功能。

5 結(jié)束語

自動(dòng)化、無人化是煤礦未來發(fā)展的趨勢(shì)，但長(zhǎng)期以來普掘（巖巷）施工工藝發(fā)展緩慢、停滯不前，在距離自動(dòng)化、無人化的目標(biāo)上還有諸多問題需要解決。普掘（巖巷）施工要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，必須通過不斷的更新設(shè)備、優(yōu)化工藝才能夠達(dá)到目標(biāo)。單軌式轉(zhuǎn)載機(jī)通過單軌吊軌道運(yùn)行，受環(huán)境影響小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。后期可集成裝矸、儲(chǔ)矸、迎頭破巖、支護(hù)功能于一體，采用模塊化、多功能設(shè)計(jì)，能夠解決普掘（巖巷）工作面難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的難題，如能夠廣泛應(yīng)用及推廣，將對(duì)普掘（巖巷）工藝自動(dòng)化的發(fā)展產(chǎn)生一定的推動(dòng)作用。