主斜井高低道线路优化的研究与应用

王朋朋 任志丹

摘要：本文通过研究斜井上部车场设置高低道的方法，并结合煤矿实际情况，推导出了斜井上车场各参数的计算公式，且借助于MATLAB数学软件，确定了影响高低道设计的关键因素。现已在煤矿成功应用。该研究为斜井上车场改造提供了借鉴意义和参考价值。

Abstract： According to the principle of setting up the high-low rail lines in the wellhead of the main slant， combined with the actual situation of coal mine， some calculation formulas were derived to calculate the track length and the reconstruction quantities of wellhead， using the MATLAB mathematical software to draw the function curve. Through the curve and its reflected reconstruction quantities， the depth from wellhead to bottom， and the relationship between the distance from wellhead to the High-Rail and the angles of the symmetrical combination turnout on the plane and other factors， the paper studies the key factors which can effect the design of high-low rail lines， put into the application in a coal mine.This study has some certain significance and reference value to the similar projects.

关键词：高低道;MATLAB;改造工程量;对称组合道岔

Key words： high-low rail lines;MATLAB;reconstruction quantities;symmetrical combination turnout

中图分类号：TD55                                          文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）34-0140-03

1  概况

四川省某煤矿矿区面积为3.96km2，现有可采储量是135万吨。矿井核定生产能力15万吨/年，属生产矿井。该矿是斜井开拓方式，主斜井采用2JTP-1.6×0.9P/20型提升绞车提升煤炭、矸石及下放材料，井筒倾角为30°，斜长370m，内置双轨，轨中心距为1300mm，采用双钩串车提升，每次提升量为3-5車。主斜井上车场采用三股道平车场，通过一组对称组合道岔与井筒内双轨线路相连，中间轨道为重车道，两旁为空车道，顺向布置，但该对称组合道岔布置在平面上，未设置高低道。

2  改造方式的选择

主斜井是煤矿生产的咽喉要道，是保证矿井产量的重要环节。选择合理的提升方式是矿井工作的重点之一。理论上，可以通过两种方式进行改造：方案一，可以在主斜井内安装皮带，采用皮带运输煤炭和矸石，巷道另一侧仍安设轨道，用于下放材料;方案二，利用原有的轨道以及提升绞车，只对井口进行部分改造。经过比较，方案一的工程造价很高，而该煤矿的剩余服务年限仅仅7年，在经济上不合理。方案二的工程造价很低，且容易实现，技术上可行，经济上合理，安全上可靠。由于该煤矿矿生产能力小，储量少，服务年限低，为减少投资成本，选用方案二，利用原有的轨道及绞车，只需改造井口处。

3  高低道

为了降低地面工人的劳动强度，提高操作的安全性，减少工人数量，达到增加工效的目的，可以在井口处布置高低道，实现矿车的自动滑行。

由井内两股线路向车场内三股道过渡时，必须装一组道岔作为线路联接系统。这组道岔一般铺设在平车场平段上，也可铺设在斜井的斜面上，然后联接曲线再过渡到平段[1]。这组道岔一般采用对称组合道岔。为提高地面轨道系统的运输能力，降低工人的劳动强度，增加煤炭运输的安全性，决定在该矿井口布置高低道，实现矿车的自动滑行。

而必须将对称组合道岔布置在斜面上。若将对称组合道岔布置在斜面上，可以有两种方案：方案一，下沉主斜井井口部分的底板（如图1所示）;方案二，自井口开始第一次变坡，会造成整个地面轨道系统自现有基础上抬高1～2m（因对称组合道岔所在斜面的倾角而异）甚至更多。因为方案二工程量太大，高填方造成地面平台安全性担忧，而方案一工程量很小，简单易实现，安全性很好，故而选择方案一，井口沉底。即：首先，将井口段按照一定尺寸沉底，形成一斜面，布置一组称组合道岔布置，井筒内双轨线路通过竖曲线与对称组合道岔联接，对称组合道岔形成高低道后，再通过竖曲线与地面上的轨道联接。

前人研究成果：白沙煤电集团的周永鸿在其论文中，阐述了高低道布置和计算方法，并给出了应用实例[2]。本文在此研究的基础之上，从工程量角度、场地角度研究高低道线路优化问题。

4  推导计算公式

主斜井井口至轨道的弯道处距离仅有30m，而且需要在弯道以内布置一副菱形交叉道岔，以实现轻车分道，故而在设计中，需要增大自变坡点距道岔端点的距离。而主斜井井口围岩较破碎，井口周围新建了库房。故而，减少井口改造工程量，是保证安全，减少生产费用的基础。下面推导出相关的计算公式，以备选择符合矿情的基本参数。

4.1 布置对称组合道岔的斜面长度公式

井口沉底后的斜面主要布置对称组合道岔以及反向曲线之间插入的直线段、用于连接的竖曲线等。在该矿，对称组合道岔选用ZDZ622/3/1213[3]。斜面长度L1是对称组合道岔长度L1，反向曲线之间插入的直线段C1、C2，第一、第二竖曲线切线长度之和。经过计算推导，得：

4.4 井口改造工程量计算

改造工程量分为两种情况：第一，如图2（a）所示，对称组合道岔只有Ⅰ段中的部分或全部深入井筒内，这一部分只需要沉底便可实现改造目的;第二，如图2（b）所示，对称组合道岔不僅仅只有Ⅰ段深入井筒内，而且Ⅱ段部分也深入井筒内，如此一来，仅仅斜井井口沉底是不够的，还需要扩大斜井宽度，进行刷帮处理。

综合两种情况，其工程量：

5  利用MATLAB进行绘图分析

MATLAB是由Mathworks公司开发的一套功能强大的数学软件，也是当今科技界应用最广泛的计算机语言之一。其不仅具有强大的数值运算功能，还具有强大的二维和三维绘图功能，尤其擅长于各种科学计算结果的可视化，计算的可视化可以将杂乱的数据通过图形来表示，从中观测出其内在的关系。MATLAB的图形命令格式简单，可以使用不同线型、色彩、数据点标记和标注等来修饰图形[4]。

由（2）、（7）式，我们不难看出H、L5与R2、R3、C1、C2、A、R1呈正线性关系。故而，本文重点利用MATLAB软件根据上面的函数公式绘图，来分析H、V、L5与？茁的关系。根据《采矿工程设计手册》[1]知，R1的取值范围是6000、9000、12000、15000等，R2、R3的取值范围是9000、12000、15000等，C1、C2的取值范围为1000-2000。

本文结合该煤矿的实际情况，根据设置高低道的原理，推导出了计算井口改造工程量、井口沉底深度以及井口至第高道变坡点距离的计算公式，并利用MATLAB数学软件，绘制出函数图形，分析了各个变量与各个参数之间的关系，确定布置对称组合道岔的斜面倾角？茁是设计高低道的关键因素。

改造采区上山、暗斜井、主斜井等斜巷上车场，倾角？茁取值8°到12°是比较合适的。但是，在该煤矿，由于井口场地狭小，只有选择增大倾角？茁值，减小井口至高道变坡点的距离，来增加存车线的长度。现在，该研究已经在该煤矿成功应用。

参考文献：

[1]张荣立，何国维，李铎.采矿工程设计手册 [M].煤炭工业出版社，2003：2176，2790-2793.

[2]周永鸿.竖面二次变坡在斜井上部车场高低道中的应用[J]. 煤矿开采，2005，65（4）：42-44.

[3]中华人民共和国煤炭部标准设计.窄轨铁路道岔图册[M].北京煤炭设计院，1996，5：77.

[4]张德丰，雷晓平，周燕.MATLAB基础与工程应用[M].清华大学出版社，2011.