一種地下礦山斜井維護(hù)作業(yè)平臺的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

韋 黃家政

摘 要：為降低地下礦山斜井井筒維護(hù)作業(yè)的作業(yè)難度，減少作業(yè)時(shí)危險(xiǎn)性，制作一種可調(diào)節(jié)角度斜井維護(hù)作業(yè)平臺。

關(guān)鍵詞：斜井;平臺;孔距;三角函數(shù)

中圖分類號：TV554;TD77 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-5168（2021）27-0037-04

Abstract： In order to reduce the difficulty and risk of inclined shaft maintenance in underground mine，this paper discussed and made an adjustable angle inclined shaft maintenance platform.

Keywords： inclined shaft;platform;hole spacing;trigonometric function

斜井提升是地下礦山的一種主要提升方式;斜井在使用的過程中，井筒會出現(xiàn)片幫、松石、冒頂、滴水等事件，影響斜井設(shè)備設(shè)施（管道、電纜、軌道、箕斗等）的運(yùn)行和使用，因此必須對井筒進(jìn)行經(jīng)常性的管道線路維護(hù)、松石處理、錨網(wǎng)支護(hù)、安裝擋雨棚等井筒維護(hù)作業(yè)。

1 地下礦山傳統(tǒng)的斜井維護(hù)作業(yè)方式及其存在問題

1.1 傳統(tǒng)的斜井井筒維護(hù)作業(yè)方式

①傳統(tǒng)的斜井井筒維護(hù)作業(yè)方式包括在斜井提升箕斗上鋪設(shè)木板或錨網(wǎng)，作為作業(yè)平臺。

②用鋼管、木板搭建腳手架作為作業(yè)平臺。

1.2 存在問題

以上兩種作業(yè)方式對井筒的維護(hù)作業(yè)都存在作業(yè)難度和強(qiáng)度大、耗時(shí)長、耗材無法回收利用的問題，并存在平臺坍塌、人員滑倒、高處墮落等的安全隱患。

案例一，2017年6月15日，A外包工程公司3名員工在3#盲斜井井筒進(jìn)行鉆機(jī)錨網(wǎng)支護(hù)作業(yè)，他們在箕斗上鋪設(shè)錨網(wǎng)作為作業(yè)平臺;由于井筒頂板滴水，錨網(wǎng)面濕滑，其中一名員工腳底打滑，從平臺上落下，身體多處被錨網(wǎng)邊緣鋼筋刺傷，腳關(guān)節(jié)骨折，醫(yī)療費(fèi)直接損失15 000元。

案例二，2018年9月27日，B外包工程公司5名員工在8#盲斜井安裝猴車架線電纜時(shí)，1人從箕斗上跌落，肋骨骨折，醫(yī)療費(fèi)直接損失38 000元。

2 解決方案

針對以上存在的問題，作者發(fā)明了一種斜井可調(diào)節(jié)水平[1-2]維護(hù)作業(yè)平臺。該作業(yè)平臺以礦用平板車作為底座，在底座上安裝由撐桿支架和水平支架及固定橫梁構(gòu)成的可調(diào)節(jié)角度三角形機(jī)構(gòu)[3]作為斜井作業(yè)平臺，如圖1所示。作業(yè)時(shí)，斜井卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩牽引平板車，信號工打信號指示平板車到達(dá)斜井作業(yè)地點(diǎn)，作業(yè)人員在作業(yè)地點(diǎn)架設(shè)隨車運(yùn)送的平臺支架和錨網(wǎng)（或木板）形成作業(yè)平臺進(jìn)行斜井維護(hù)作業(yè)。作業(yè)結(jié)束后，平臺支架和錨網(wǎng)（木板）等物料隨平板車由卷揚(yáng)機(jī)牽引返回作業(yè)原始地馬頭門進(jìn)行回收，重復(fù)使用。

該平臺經(jīng)過設(shè)計(jì)可根據(jù)作業(yè)環(huán)境需要，在人體平衡穩(wěn)定極限（Limit of Stability，LOS）前后擺動角度范圍內(nèi)[4]（≤12.5°[4]，本文設(shè)計(jì)和計(jì)算采用12°，下同）進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，使人員在斜井中間作業(yè)時(shí)人體重心保持平衡，防止發(fā)生人員滑倒、高處墮落等的安全事故發(fā)生，增加作業(yè)安全性。

3 作業(yè)平臺設(shè)計(jì)及制作

3.1 平臺設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)目的。隨著公司提升任務(wù)增加，提升系統(tǒng)的日常維護(hù)工作量也隨著增加，作業(yè)人員發(fā)生安全事故的概率增加，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，從2016年1月到2019年12月，4年內(nèi)公司在斜井維護(hù)作業(yè)過程中發(fā)生了4起安全事故，年均1起;其中3起輕傷，1起重傷，主要原因都是由于搭建的臨時(shí)作業(yè)平臺傾斜角度大，人體失去平衡穩(wěn)定性，導(dǎo)致作業(yè)人員發(fā)生滑倒、墜落事故。因此，需要發(fā)明一種能使人體保持平衡的斜井維護(hù)作業(yè)平臺，確保斜井維護(hù)作業(yè)人員的人身安全，減少安全事故發(fā)生。

3.1.2 設(shè)計(jì)要求。由于地下礦山斜井掘進(jìn)時(shí)對巷道的規(guī)格要求不太嚴(yán)格，在后期進(jìn)行井筒維護(hù)時(shí)，需要根據(jù)斜井的頂?shù)装宓淖兓瘜ψ鳂I(yè)平臺進(jìn)行一定角度調(diào)節(jié)，因此本文所述的作業(yè)平臺在斜井中間需可按人體平衡穩(wěn)定極限前后擺動角度范圍內(nèi)（≤12°）進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，以適應(yīng)巷道變化需要。

3.1.3 設(shè)計(jì)過程。要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目的和要求，設(shè)計(jì)過程需要滿足以下三點(diǎn)，如圖1所示。①平臺撐桿支架和水平支架有多種連接組合方式;②撐桿支架和水平支架組合通過螺孔用螺栓固定;③平臺調(diào)節(jié)的角度由連接螺孔孔距確定。

3.1.3.1 平臺連接組合方式。平臺連接是設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)要素，連接的設(shè)計(jì)和選擇決定平臺的最終模式。如圖2所示，平臺撐桿支架和水平支架的連接組合方式，本文給出三種連接方式：①撐桿支架單孔和水平支架多孔連接，如圖2（a）所示;②撐桿支架多孔和水平支架單孔連接，如圖2（b）所示;③撐桿支架和水平支架多孔連接，如圖2（c）所示。

三種連接方式的設(shè)計(jì)計(jì)算原理基本相同，可用三角函數(shù)正弦定理（Law of Sines）或余弦定理（ Law of Cosine ）計(jì)算出連接孔孔距。本文以圖2（a）：撐桿支架單孔和水平支架多孔連接方式進(jìn)行計(jì)算并制作平臺。

3.1.3.2 支架孔距和調(diào)節(jié)角度關(guān)系。根據(jù)人體平衡穩(wěn)定極限（Limit of Stability，LOS），前后方向的最大擺動角度約為12.5°，本文取12°，受斜井巷道頂板影響，平臺無須向上調(diào)節(jié)，則向前擺動角度為6°;作者所在礦山使用的斜井傾角為30°，下面計(jì)算各連接孔孔距。

如圖3，斜井傾角∠A=30°，平板車固定孔2和孔6之間距離為3 000 mm，撐桿支架孔1和孔2之間距離為1 500 mm。平臺傾角[5]向下調(diào)節(jié)角度為6°，調(diào)節(jié)2次，每次調(diào)節(jié)角度為3°，則平臺的水平支架和斜井夾角A分別為30°、27°、24°，以圖3（a）連接方式用三角函數(shù)正弦定理（The Law of Sines，a/sinA=b/sinB=c/sinC）分別計(jì)算孔3、4、5到孔6之間的距離S，如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示。

結(jié)果如表1所示。

說明，表1中S3-6表示孔3到孔6之間距離，依此類推。

3.1.3.3 平臺材料選擇和支架連接的受力分析

①平臺作業(yè)時(shí)的外在承重和本身自重總和m=3人×80（kg）+鉆機(jī)（50 kg）+平臺自重（150 kg）+其他工具（20 kg）≈500 kg，G=mg=4 900 N;平臺撐桿支架和水平支架采用L70×70×5角鋼，其最大承載力為117 700 N>4 900 N，完全可以滿足作業(yè)中的承重需要。

②平臺的受力點(diǎn)主要集中在各連接孔的螺栓上，平臺連接采用M20螺栓，下面以承重力F=mg=500×9.8=4 900 N計(jì)算螺栓所受最大剪切力。以調(diào)節(jié)角度為24°為例進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證，如圖3（c），其力學(xué)模型如圖4所示。

a.受力計(jì)算

如圖4，A點(diǎn)的承重力F分解為撐桿支架方向力F1和水平支架方向力F2，F(xiàn)=4 900 N，根據(jù)平行四邊形法則，計(jì)算得F1=5 991 N，F(xiàn)2=2 972 N;且F1是整個(gè)平臺各受力點(diǎn)最大的剪切力，因此，如果A點(diǎn)螺栓受的剪切力F1符合設(shè)計(jì)要求，則其他點(diǎn)也符合，下面驗(yàn)證F1。

b.驗(yàn)證

螺栓需用剪切應(yīng)力為60 MPa，M20螺栓應(yīng)力截面積為2.45 cm2，代入公式[6]

Q=τ·A? ? ? ? （1）

式中，Q為剪切力，N;τ為剪切應(yīng)力，MPa，0.1 MPa=1 kg/cm2;A為剪切面面積，cm2。

計(jì)算得Q=14 406 N>F1=5 991 N，因此，平臺連接選用M20螺栓規(guī)格符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 平臺制作

3.2.1 平板車加工。

3.2.1.1 固定孔及收納托架布置。根據(jù)圖5分析如下。

①在平板車兩側(cè)主梁前后分別鉆孔徑22 mm的固定孔，孔距為3 000 mm。

②在平板車兩側(cè)主梁前后分別焊接平臺收納托架，使平臺支架收納時(shí)和平板車融為一體，方便隨時(shí)使用。

3.2.1.2 支架部件。支架部件分別為：①撐桿支架;②水平支架;③固定橫梁。

材料選擇和制作：

①材料：支架選用L70×70×5角鋼;連接螺栓，M20規(guī)格。

②制作：2根同樣規(guī)格的撐桿支架和水平支架，鉆Φ22 mm的螺孔;撐桿支架設(shè)置1固定孔和1連接孔，水平支架設(shè)置1固定孔和3調(diào)節(jié)孔。

③固定橫梁一根，兩個(gè)Φ22 mm螺孔固定水平支架。

4 可調(diào)節(jié)平臺的應(yīng)用

2020年9月17日凌晨3時(shí)左右，公司專用于提升人員和物料的6#盲斜井頂板局部發(fā)生冒頂事件，人車無法運(yùn)行，需要立即對頂板進(jìn)行錨網(wǎng)處理。經(jīng)從豎井地面（海拔標(biāo)高723 m）、4#盲斜井下放材料到6#盲斜井（海拔標(biāo)高-60 m），利用作業(yè)平臺進(jìn)行施工到完工，一共用時(shí)1.5 h左右，如果搭建臨時(shí)作業(yè)平臺作業(yè)，耗時(shí)8 h左右，該作業(yè)平臺大大縮減了作業(yè)時(shí)間。

公司井下各條斜井（8條）位置分散，且各條斜井的規(guī)格（巷道斷面、傾角、軌距等）不盡相同，為使作業(yè)平臺作業(yè)效率最大化，公司為每條斜井配備相應(yīng)的作業(yè)平臺。從2020年公司通過使用該平臺，減少了井筒維護(hù)作業(yè)時(shí)間和作業(yè)強(qiáng)度，降低人力、物力成本，增加作業(yè)人員安全系數(shù)，效果良好。

5 結(jié)語

該平臺的設(shè)計(jì)和制作，是為了解決我們公司在斜井維護(hù)作業(yè)中遇到的實(shí)際問題：高強(qiáng)度作業(yè)，大量的物料浪費(fèi)，以及作業(yè)人員安全事故的頻繁發(fā)生。該作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)簡單，材料充足，制作容易，安裝方便，使用靈活，造價(jià)低;其設(shè)計(jì)理念和依據(jù)，可應(yīng)用于其他行業(yè)，有一定拓展性。

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