孟家窑煤矿综采工作面辅助运输设备的优化技术研究

付云贵

(潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司，山西 忻州 036000)

1 矿井辅助运输概况

孟家窑矿井采取斜井开拓方式，其辅助运输设备主要有：绳牵引卡轨车、蓄电池电机车、单绳缠绕式提升机、小绞车及架空乘人器等。11采区胶带上山安装一部型号RJKY75-25/960的架空乘人器，运输长度960m，最大倾角为25°，运送人员能力271人/h，最大运行速度V=1.13m/s，使用可摘挂抱索器吊椅。副斜井采用KSD90J（A）绳牵引卡轨车，主要担负着全矿井材料、设备的运输及矸石的提升任务，铺设轨道SMJ160异型轨，运输距离1300m。

11采区各中部车场布置主要服务2#煤采掘工作面，通过与区段石门的连接通往5#煤，11采区2、5#煤共用一条轨道运输大巷，车场及区段石门内物料的转载主要采用蓄电池电机车来完成运输。掘进工作面临时辅助运输采用绞车接力运输。

2 辅助运输系统存在的主要问题

截至到目前11采区已回采11204、11205以及11203工作面，在安装、回采期间这三个综采工作面采用的是SQ-120/132B绳牵引卡轨车的辅助运输方式。根据孟家窑矿井工程地质条件，分析了该运输方式的主要问题如下：

（1）调度绞车接力运输效率不高，无法满足快速掘进、高产高效的目标要求，并且在形成准备工作面后需要对巷道内所有设备回收和人工抬运轨道，耗费工期长，职工劳动强度大[1]。

（2）顺槽内底板积水、顶板淋水对机械驱动部件、钢丝绳等造成严重的锈蚀，降低设备使用寿命，甚至可能出现断绳的安全事故。在顺槽转载和车场绕道时存在多个环节，极易引起人员伤亡。

（3）绳牵引卡轨车设备的使用存在一定的局限性，一部绳牵引卡轨车只能单一服务一条巷道。

（4）调度绞车设备安装难度大，资金投入多，轨道、钢丝绳以及卡轨车的布置大约需要花费600万元。绳牵引卡轨车数量有限，在综采工作面的接替作业时无法服务于下一工作面。

3 综采工作面单轨吊技术的应用

3.1 单轨吊主要性能

为解决绳牵引卡轨车在辅助运输过程中存在的问题，孟家窑煤矿采用DX80防爆型蓄电池单轨吊机车进行了改进[2]。其中运输液压支架型号ZF4600/17/32，起吊梁和机车自重分别为4t、12.5t，最大运输坡度12°。各型号绞车主要性能如表1所示。

表1 各绞车主要性能分析

3.2 受力分析

（1）整车的牵引力和制动力

孟家窑矿井采取斜井开拓方式，单轨吊机车运输形式如图1所示。整车的最小牵引力和制动力计算公式分别如下[3]：

式中：

F1-整车的牵引力，kN；

F2-整车的最小制动力，kN；

G-机车含起吊梁总重，33t；

α-最大爬坡的正弦值，sin12°；

β-最大爬坡的余弦值，cos12°；

g-重力加速度，9.8N/kg；

f1-阻力系数，取值为0.03。

将上述各字母取值带入公式，分别得到F1、F2值为76.72kN和67.24kN；DX80单轨吊机车的牵引力和制动力为80kN和120kN，因此该机车均满足运输要求。

图1 单轨吊机车运输形式

（2）起吊梁受力分析

当承载小车处于轨道中间时，使用运输梁进行液压支架的运输，6个承载小车平均受力，如图2所示。

图2 各承载小车平均受力

起吊梁重4t，液压支架重16.5t，总重20.5t，各小车平均受力，其计算公式如下：

式中：

G-液压支架与起吊梁总重，t；

n-承载小车个数。

当承载小车处于轨道正下方时，小车受力状况如图3所示，此时吊点受力最大，计算过程如下[4]：

图3 承载小车处于轨道正下方吊点受力

吊点对左侧轨道的起吊梁F1和吊点对右侧轨道的起吊梁F2计算结果如下：

吊点所受的总重力为：

由上述结果可知：单个吊点最大承载力为：F吊点≈4.75t；单根锚杆最大承重力为：F锚杆＝F吊点/2=2.375；单根锚杆的锚固力为125kN（12.5t）＞F锚杆（2.375t），符合要求。

根据上述计算结果可以看出，采用蓄电池单轨吊机车辅助运输替代绳牵引卡轨车，不仅满足各项安全运输要求，而且可有效解决工作面运输效率低、掘进速度慢等问题，更好的为掘进和综采工作面服务[5]。

3.3 主要安装工艺

（1）首先检查作业前后20m巷道内顶帮的支护完好情况，然后按照地测部门给出的单轨吊中性线利用工程线拉一条直线，并采用喷漆在巷道顶板上每3m做一个标记。以吊挂点为基准，左右各偏移100mm做两个标记，然后在工作台上井下打设锚杆，检测锚固力并保证不小于125kN后，方可进入下一道工序。

（2）在锚固力检测合格后，采用MX20X95和M20X115高强度螺栓挂上圆环链。将大吊环穿过圆环下端并将单轨道梁抬到作业平台上，用吊链将单轨吊梁悬挂在顶板规定位置上，然后采用高强螺栓将大吊环与单轨吊梁吊耳进行禁锢连接。

（3）每向前掘进5m应安装一组单轨吊梁，并且其底板面不得低于3m，单根轨道水平和垂直夹角最大允许值分别为±1°、3.5°。

（4）轨道安装前应对每根锚杆进行拉拔试验，锚杆预紧力不得小于200kN，单根锚杆锚固力大于125kN，巷道中垂线与锚杆夹角小于10°。为限制轨道的横向摆动应每隔10组吊挂点布设一组夹角大于120°的加强链，如图4示。

图4 单轨道直道段加强链的铺设

（5）采用斜拉链对上坡轨道进行斜拉加固，并且沿轨道垂直方向应每隔四根轨道增设一个横向拉链，通过在链条中间增加一个张紧器提高链条的受力性能，如图5所示。

图5 链条中间张紧器的设置

4 应用效果

（1）经济效果

采用风运两巷辅助运输时设备安装投入资金大，两部绳牵引卡轨车及其附件、钢丝绳等大约花费600万元，而采用单轨吊机车时轨道附件、锁具、锚链、起吊梁等机车部件一共需要500万元左右。选用单轨吊机车具有较好的经济效益，并且可同时服务于多个工作面，一部单轨吊机车可降低辅助运输系统投入资金约230万。

（2）安全性

辅助运输系统是仅次于顶板安全事故的第二大因素，矿井事故中约20%～30%均来自于辅助运输系统，并且往往发生于辅助运输的薄弱环节。而采用单轨吊机车运输不仅可替代原有的绞车接力运输，大大降低作业人员的劳动强度，而且可有效避免断绳跑车事故的发生。

（3）时效性

结合孟家窑矿井车场、石门与工作面之间的位置关系，采用单轨吊机车运输系统无需转载就能实现连续性的物料运输作业。另外，单轨吊机车掘进期间即可跟进，准备工作面可顺利进入安装阶段，缩短了搬家倒面的时间。

5 结 论

孟家窑矿井采用单轨吊运输方法的实践表明：该辅助运输技术不仅具有良好的爬坡能力、较高的运输效率，而且相对于小绞车地轨运输具有良好的经济效益和安全效益，在煤矿综采工作面中具有较强的适用性，具有一定的推广价值。