单轨吊车在煤矿辅助运输中的应用

霍 磊 王 辉 王 岩 王 勇

(1.山东能源集团有限公司，山东省济南市，250014；2.中国矿业大学，江苏省徐州市，221008；3.山东能源枣矿集团，山东省枣庄市，277000)

Huo Lei 1，2，Wang Hui 1，Wang Yan1，Wang Yong3

(1.Shandong Energy Group Co.，Ltd.，Jinan，Shandong 250014，China；2.China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Co.，Ltd.，Zaozhuang，Shandong 277000，China)

目前，煤矿井下煤炭运输已形成了以带式输送机为主的连续运输系统，与煤炭运输相比，井下辅助运输还未形成一种相对固定的模式，传统以绞车为主的辅助运输方式已不能实现运输的连续化，从而导致效率低下且存在安全隐患，严重制约了矿井的生产效率和安全生产。为了适应现代化矿井的快速发展，寻求和探索一种安全高效的新型辅助运输设备和方式显得尤为重要。

1 传统辅助运输方式存在的问题

煤矿传统井下辅助运输主要以架线电机车和绞车运输为主，而这两种方式在实际运行中均存在一定的安全问题。

1.1 架线电机车运输存在的问题

(1)架线电机车运行时，其集电器与架线经常摩擦产生出较大的火花，因此架线电机车不能进入有煤与瓦斯突出的矿井和瓦斯喷出区域，同时它的实际运行坡度一般不能大于5‰，使用范围受到很大限制。

(2)电机车架线高度由于受到巷道高度的限制，会出现作业人员或所携带的工具触碰到架线导致触电事故的发生。

(3)架线电机车会产生杂散电流，当杂散电流过大时可能会引爆雷管或导致瓦斯和煤尘爆炸。

1.2 绞车运输存在的问题

(1)绞车在提升过程中存在断绳跑车的危险，操作人员在频繁摘挂钩和倒换滑头时，人身安全常常受到威胁。

(2)在井下条件复杂、坡度起伏较大或较长的巷道中，采用绞车运输时常常需要多部小绞车接力提升，从而导致运输设备多和运输环节多，每个环节都需要多名绞车司机和把钩工，最终导致辅助运输人员多且工作效率低。

(3)绞车提升要执行 “行车不行人”或封闭管理制度，行人和绞车提升相互影响造成运输效率低下。

(4)采用绞车提升需要建设提升硐室和相关设施，巷道工程量大，占用生产准备时间长。

2 煤矿井下辅助运输的主要方式及特点

目前矿井井下辅助运输方式多种多样，主要分为轨道运输、无轨运输、带式输送机运输和单轨吊车运输四大类。

2.1 轨道运输

轨道运输主要包括架线电机车、防爆蓄电池机车、防爆柴油机车、胶套轮车、卡轨车、齿轨车、调度绞车、提升绞车、主尾绳牵引绞车、无极绳绞车和无极绳连续牵引车等。轨道运输是目前在用种类最多和最广泛的辅助运输形式，电机车运输具有系统灵活、运输能力大和运输效率高等优点，同时可以在运输距离较长、平直、有弯道以及分岔的巷道中运行，但电机车只能在坡度为3‰～5‰的巷道里运行，运行区段受到限制；防爆蓄电池机车和防爆柴油机车虽然可在有煤、岩尘与瓦斯突出危险的煤矿井下使用，同样也受到巷道坡度的限制；齿轨车和卡轨车分别改变了机车与轨面接触的形式和轨道本身，爬坡和运输能力有所增强，但齿轨车对轨道的要求较高，卡轨车要求巷道底板比较平整，因此这两种运输方式在使用上受到很大限制；调度绞车、提升绞车和主尾绳牵引绞车等绳牵引绞车系统简单，但存在效率低、占用人员多以及安全性差的问题。

2.2 无轨运输

无轨运输主要包括防爆蓄电池胶轮车和防爆柴油机胶轮车，无轨运输车具有运行灵活、运载能力较大以及可将货物等直接运送到各工作地点的优点，能够用于重型支架整体搬运，但要求巷道底板路面平整和硬化，并有足够的宽度，巷道坡度不得大于14°。

2.3 带式输送机运输

带式输送机主要用于辅助运输巷的矸石运输和掘进工作面的双载运输，使用范围较小。

2.4 单轨吊车运输

近几年，单轨吊车运输这种新型辅助运输方式在国内的煤矿中逐步发展起来，并以其优良的性能在许多矿井得到推广和应用。

3 单轨吊车运输的分类和使用特点

单轨吊车是由钢丝绳或机车牵引，沿固定巷道顶板的轨道运行，轨道吊挂在U型钢棚或巷道顶板的锚杆上。单轨吊车按照动力可分为绳牵引单轨吊车、防爆蓄电池机车单轨吊车和防爆柴油机车单轨吊车3种。总体来说，单轨吊车具有适应能力强、使用范围广、占用巷道空间小、不受巷道底板影响以及能在起伏坡度较大和弯道道岔较多的情况下运行等优点。由于单轨吊车保护装置齐全，制动系统完善，不存在因断绳引起的跑车和掉道事故，因而安全可靠性高。单轨吊车牵引力大，能实现重型液压支架等重型物料的整体搬运，机车单轨吊车还可实现从井底车场装载点到工作点的长距离连续运输，无需转载或换装，运输效率高，占用人员少。

3.1 绳牵引单轨吊车

绳牵引单轨吊车以绞车为动力牵引单轨吊车装置，钢丝绳通过导向轮和滑轮导向牵引单轨吊车在巷道顶部敷设的轨道系统上行走，从而实现设备和材料的运输。钢丝绳牵引单轨吊车具有造价低、无污染和低能耗的优点，但因为需要绞车牵引，存在牵引力相对较小、运输效率低和不安全因素多等缺点，因此主要应用于运行线路长度固定、运输距离不大于2000m和无分岔的巷道。

3.2 防爆蓄电池机车单轨吊车

防爆蓄电池机车单轨吊车是一种行驶于悬吊在巷道顶部轨道的电牵引单轨吊车，蓄电池装置是单轨吊车的动力源，直流电源通过逆变器将直流电逆变为三相交流电供给行走电机和液压站电机。防爆蓄电池机车单轨吊车具有无烟气排放、节能环保、体积相对较小、驱动力规格较多、价格相对较低、运行灵活以及运行费用低的优点，但也存在机车蓄电池质量大、续航能力受限和运行坡度受限的不足。

3.3 防爆柴油机车单轨吊车

防爆柴油机车单轨吊车是以柴油发动机为动力的单轨吊车，防爆柴油机车单轨吊车较防爆蓄电池机车单轨吊车具有续航能力更强、牵引力更大、爬坡能力更强、运行速度更快和机车自重更轻等优点，但是防爆柴油机车单轨吊车价格高且有尾气排放，对环境有一定影响。

4 单轨吊车的使用条件和要求

4.1 单轨吊车的运行速度

在实际运行中，单轨吊车最大运行速度可达2.5m／s，重载运行速度在1.2～1.8m／s左右，重载爬坡能力一般可在15°以上，如在轨道上增加齿轨，爬坡能力可以达到30°。运行绳牵引单轨吊车的巷道最大坡度一般不大于25°；运行防爆蓄电池机车单轨吊车巷道最大坡度一般不大于15°；运行防爆柴油机车单轨吊车采用摩擦轮式时，巷道最大坡度一般不大于25°；采用齿轨时，巷道最大坡度不大于30°。

4.2 单轨吊车的巷道运行条件

单轨吊车运行的巷道断面应满足以下条件:

(1)吊运物件最突出部位距一侧巷帮的间隙不小于0.8m，另一侧间隙不小于0.3m。

(2)巷道高度要使运送物件距离底板间隙不小于0.2m。

(3)驱动轮距巷道突出部分距离不小于0.1m。

在实际布置时，单轨巷道的最小宽度不小于2.8m，双轨巷道最小宽度不小于3.5m，机轨合一的巷道最小宽度不小于3.8m，净高不得低于2m。机轨合一巷道布置图如图1所示。

4.3 单轨吊车的轨道要求

(1)单轨吊车轨道安装采用锚杆和锚索吊挂方式时，锚固力、吊挂链以及连接件的破断力应不低于吊挂点允许承载力的3倍，单轨吊车轨道吊挂在棚梁上时，要有可靠的防倒棚措施。

(2)应根据起吊重物的最大载荷选择起吊梁结构型式、轨道每节长度、轨道轨型和轨道的吊挂方式。

(3)悬挂单轨吊车吊梁的锚杆应锚固在岩性较好的顶板上，根据单轨吊车欧盟标准，单轨吊车轨道吊挂点使用轻轨I140E轨道最大静拉力为50kN，最大动载荷为15t，也就是每处要用2根锚杆吊挂，每根锚杆的锚固力要求大于75kN能够满足要求；重轨I140V轨道最大静拉力为100kN，最大动载荷为30t，每处用4根锚杆吊挂，每根锚杆的锚固力要求大于75kN。当巷道顶板岩性较差锚固力不足时，可用两根锚杆固定两根吊链，采用双吊链吊挂方式。

(4)机车牵引单轨吊车轨道线路的竖曲率半径应不小于10m，水平曲率半径应不小于4m。

5 单轨吊车的应用实例

单轨吊车是一种适合煤矿特点的本质安全型辅助运输设备，具有安全性高、运输效率高和占用人员少的优点，近几年在国内煤矿得到了迅速推广和应用，现以在山东能源集团赵官煤矿使用情况为例，说明单轨吊车相比传统运输方式的优势。

赵官煤矿生产能力为90t／a，采用立井提升，主采煤层厚度为1.15～1.2m，采用薄煤层综合机械化采煤方式，巷道顶板多为砂岩。矿井原有辅助运输方式均为传统的地轨运输方式，大巷采用防爆蓄电池电机车将设备和材料由井底车场运送至各采区石门。采区运输采用卡轨车和绞车，因采区上下山有多个变坡，一部绞车无法完成运输任务，因此采用对拉绞车进行运输。矿井辅助运输系统改造前，井下共使用45台小绞车及回柱绞车、13台防爆蓄电池电机车、2台卡轨车和1台翻车机，共铺设地轨13406m，建设各类安全设施194套，矿井从事运输人员共计290人，零星运输事故时有发生，安撤一个工作面平均用时38d。该矿井后来引进了6台防爆柴油机车单轨吊车，并对原有井下辅助运输系统进行了改造，取消了上下山和采区内的电机车和小绞车运输模式，共取消45台小绞车及回柱绞车、10台防爆蓄电池电机车、2台卡轨车和1台翻车机，拆除地轨9406m和各类安全设施194套，在大大减轻了工人的作业强度的同时，辅助运输人员减少到110人，实现了采区内运输的连续化，提高了运输效率，安撤一个工作面仅用9d，辅助运输系统改造至今的3年间，未发生一起运输事故，使用单轨吊车运输的社会效益和经济效益十分显著。

6 结语

单轨吊车作为一种新型辅助运输设备，以其安全性高、占用人员少、工人劳动强度低、轨道建设相对简单且维护量小、对巷道条件要求低以及适应性较强等诸多优点，已在德国和波兰等欧洲产煤国家普及，并成为当地煤矿井下的主要辅助运输形式。单轨吊车技术引入国内后，得到了长足的发展和应用，并以其安全、连续和高效逐步成为替代井下小绞车的一种新型辅助运输设备。但同时单轨吊车运输存在着造价相对较为昂贵、运输速度相对不高、防爆柴油机车尾气对井下空气造成污染等方面的不足。因此，在应用单轨吊车过程中，应扬长避短，并根据矿井实际情况，在矿井开拓规划和井下巷道设计时为单轨吊车的安装和使用创造适宜的条件，并力求使运输轨道网络化，以更好地发挥单轨吊车的最大效能。

[1]陈焕瑛.我国煤矿辅助运输机械化现状及展望[J].中国煤炭，1998(6)

[2]中国煤炭建设协会.煤矿井下辅助运输设计规范[S].GB50533-2009

[3]国家煤炭工业局.柴油机单轨吊机车[S].MT／T883-2000

[4]国家煤炭工业局.防爆特殊型蓄电池单轨吊车[S].MT／T887-2000DX25J

[5]《＜煤矿安全规程＞专家解读》编委会.《煤矿安全规程》专家解读 (2011年修订版)[M].徐州:中国矿业大学出版社，2011