党家河煤矿转接辅助运输设计研究

赵海兴

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

无轨胶轮车是煤矿井下的辅助运输设备之一，被国家煤矿安监局确定为煤矿安全生产先进适用推广技术装备，助推了高效、现代化矿井建设的进程。但是传统的中小型煤矿尤其是大倾角斜井开拓煤矿仍然采用小电机车和小绞车牵引的有轨辅助运输方式，既严重制约了矿井的开采效率又给井下工作人员带来了安全隐患。山西高平科兴龙马煤业为斜井开拓煤矿，现布置有主斜井、副斜井和回风立井三个井筒，核定生产能力为0.90Mt/a。矿井副斜井装备一台缠绕式单滚筒提升机担负串车或平板车运输，在井下采用无极绳连续牵引车担负设备及液压支架的运输任务。2019年7月27日，龙马煤业井下在采区运输巷与工作面运输巷交叉处运输液压支架时发生一起事故，造成1人死亡，事故直接经济损失约114.5万元。

近年来国内一些大倾角提升矿井已经对井下有轨辅助运输系统进行了无轨化改造。山西天地王坡煤业行人斜井装备架空乘人装置担负矿井人员上、下井任务；倾角23°的副斜井铺设轨道担负除人员以外的辅助提升任务，在井底换装后采用无轨胶轮车运输人员、材料及设备，极大地提高了运输效率和安全性[1]。山西吕梁东江煤业采用主、 副斜井运输方式, 主斜井一侧装备一台主运带式输送机担负煤矿煤炭提升任务; 在另一侧装备一台架空乘人装置担负全矿人员的运输任务, 运输距离为 700m；倾角20°的副斜井设计有长度700m的轨道辅助运输, 主要用于物料及综采设备入井，在井底进行换装后采用无轨胶轮车运输。东江煤业对井下部分轨道运输改造为无轨辅助运输后，辅助运输人员至少减去50%以上；综采工作面旧面回撤、新面安装总时间由原来的90d缩短至30d，辅助运输综合效率提高30%以上[2]。山西兰花玉溪煤矿设计的主斜井井筒内一侧装备一台主斜井带式输送机，另一侧装备一台架空乘人装置；倾角20°的副斜井布置长度1400m的轨道运输；在井下换装后采用转接辅助运输，目前第一个综采工作面已正常生产。

由此，考虑副斜井倾角17°的鹤壁煤业陕西党家河煤矿采用转接辅助运输方式[3]，即在斜井巷道采用架空乘人或轨道运输方式，在煤矿井下进行换装后采用无轨胶轮车运输方式可提高人员、材料及煤矿生产设备的运输效率及安全性。

1 党家河煤矿概况

鹤壁煤业陕西党家河煤矿可采储量约为125.50Mt，矿井生产能力 1.50Mt/a，全矿井服务年限为59.8a。生产盘区瓦斯涌出量预测计算值为8.93m3/t[4]。矿井采用斜、立井综合开拓，在工业场地内布置主斜井、副斜井和回风立井三个井筒。根据井田面积、煤层分布范围特点、工作面年推进度、开采技术装备水平和通风需要，将井田划分为四个盘区，从东到西开采顺序依次为Ⅰ盘区→Ⅱ盘区→Ⅲ盘区→Ⅳ盘，各盘区基本特征见表1。在井田中部沿东西方向布置一组大巷，每组大巷包括1条主运输大巷、1条辅助运输大巷和2条回风大巷，每条大巷间距40m，井田开拓平面布置如图1所示。四条大巷均为半圆拱形断面，将每个盘区分为南北两部分独立开采。井下大巷均沿煤层布置，掘进矸石量小。

表1 四个盘区基本特征

图1 井田开拓平面图

图2 井筒及井底车场平面布置示意图

井筒及水平井底车场平面布置如图2所示。主斜井配置宽度为1200mm的钢丝绳芯带式输送机用于煤炭提升，在带式输送机一侧布置吊椅中心距为1440mm的双向架空乘人装置，左右两排架空乘人装置吊椅中心分别距输送机和巷道侧壁为960mm和750mm，满足煤炭安全规程的规定。副斜井由双滚筒单绳缠绕式绞车牵引轨道串车(轨距900mm)提升渣石废料或下放材料及设备[5]，双排轨道矿车的中心距为1650mm。井筒具体尺寸和运输条件见表2。

表2 井筒尺寸及运输条件

Ⅰ盘区辅运大巷断面如图3所示，巷道底板硬化，可双向会车运行；工作面运输巷道、胶带运输巷道和回风巷道断面如图4所示。巷道底板未硬化，长度约3000m，满足不同载荷的车辆单向运行。

井下换装硐室布置在副斜井底，硐室内铺设有双轨道，且设计有32t+5t的移动起重机方便吊装，换装硐室剖面及起重机安装如图5所示。胶轮车硐室设计符合《煤矿用防爆柴油机无轨胶轮车安全使用规范》(AQ 1064)的要求，距离换装硐室20m(见图2)。

图3 辅运大巷断面图(mm)

图4 工作面运输巷道断面图(mm)

图5 井下换装硐室剖面及起重机安装示意图(mm)

2 辅助运输系统设计

2.1 辅助运输工艺确定

由前文可知，煤矿井下的巷道条件、煤层开采倾角及运输距离完全适合无轨胶轮车运输，而且现有车辆的外形尺寸、技术性能、功用及巷道适应性均可满足煤矿开采需求。借鉴王坡煤业、吕梁东江煤业和兰花玉溪煤矿的转接辅助运输方式，在井下并列式换装[6]保证有轨转接无轨运输的连续性、尽量实现机械化作业。

2.2 人员运输

如前文所述，人员从主斜井通过架空乘人装置运行1150m到达井底，然后步行到乘车点，乘坐无轨胶轮车沿箭头方向经过辅运大巷到达目的地，如图2所示。

2.3 材料运输

井上材料存放及换装场地空间大，距井口大约50m；地面设置有埋入式轨道，轨面与路面齐平，轨道矿车由双向驾驶的电机车牵引运行，单次最多可牵引10辆矿车。在轨道正上方设置有龙门起吊装置，方便轨道矿车点到点装卸货物。

散装物料从副斜井通过轨道矿车运输到井下换装站，单辆矿车承载能力1.5t，绞车单钩牵引10辆矿车入井或升井；矿车进入换装硐室，通过32t+5t起重机换装到无轨胶轮车运输到指定地点。长件物料(锚索)通过轨道平板车运输入井，然后将长件物料摆放并捆绑到窄型双向驾驶无轨胶轮车，直接运送到综采工作面指定地点。当井下需要混凝土硬化巷道时，先将石子和沙子在地面进行混合，在井下换装后通过材料运输车运输至施工地点，添加水泥搅拌后使用。

2.4 综采设备的运输

为了保证综采工作面设备如采煤机、液压支架、中部槽和移变等运输的安全性，可将大型设备进行拆解，各部件采用轨道平板车运输、井下换装和无轨胶轮车转接辅助运输。由于井下辅运大巷和工作面运输大巷近水平，因此采用无轨胶轮车运输工艺，可极大地提高效率。

3 无轨胶轮车设计及车型配置

3.1 无轨胶轮车设计

3.1.1 防爆动力系统确定

由于该矿井为斜井开拓、瓦斯矿井，锂离子蓄电池无轨胶轮车的锂电池采用串联后放置在隔爆箱内在井下完成充放电，其安全性有待于进一步加强研究和验证[7]。因此，所有无轨胶轮车动力系统均设计为防爆电喷柴油机，满足国家煤矿安全监察局国安监技装[2018]39号文要求：井工煤矿须使用国Ⅲ及以上标准的防爆柴油机无轨胶轮车。可在井下加注柴油，维持车辆连续运行。防爆电喷柴油机采用组合式电控单体泵系统，由单体泵、高压油管、喷油器总成、油泵、电磁阀、 ECU以及各类传感器等组成[8]，采用气启动电子安全保护方式。防爆电控单体泵技术已批量应用于防爆柴油机无轨胶轮车上，试验表明可降低柴油机排放，提高燃油经济性[9]。无轨胶轮车用三种防爆电喷柴油机以《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ Ⅳ 阶段)》(GB 20891—2014)为检验依据，测试数据见表3。

3.1.2 整车结构设计

20座人员运输车为整体式结构，由加强型汽车底盘设计而成，前后钢板弹簧悬架，机械传动，后双轮驱动；长度不大于6000mm，宽度不大于1950mm，高度不大于2215mm，转弯半径不大于7000mm；行车制动采用全液压控制多盘湿式制动器的制动系统，驻车制动采用安全型多盘湿式制动器；完全适合在近水平巷道运行。整车外形如图6所示。

表3 三种防爆电喷柴油机主要技术参数

图6 人员运输车外形图

为了方便物料的换装，材料运输车设计为铰接式、液力机械传动，可使货厢上边沿离地1600mm、货厢后翻自卸最大举升高度3200mm。由图2可知换装站起重机的起吊钩距地面的高度为4030mm，换装时用起吊钩将矿车提升后，调整两个起吊钩的高度差倾斜卸载物料，具体如图7所示。

图7 散料换装示意图

材料运输车整车载荷确定为5t和8t，采用四轮驱动，钢板弹簧悬架；具有工作、紧急和驻车制动功能[10]，还设计有驾驶舱车门开启制动和柴油机熄火制动功能；外形结构如图8所示。为了使车辆在辅助运输大巷可双向会车运行，整车宽度不大于1980mm；同时要保证整车倒车视线良好，整车前后车体高度设计为齐平；货物装卸载便利快捷，货厢底板须高于轮胎最高点且保留一定的间隙，由此货厢的宽度和长度可完全容纳煤矿用集装箱或轨道矿车，且保证在运输过程中没有相对位移。5t和8t材料运输车宽度和最大自卸高度相同。

图8 铰接式材料运输车外形图

由工作面运输巷道尺寸可知，铰接式双向驾驶运输车宽度尺寸设计为1600mm，由于整车的同侧设计有前后独立操纵的驾驶室且需要自卸功能，由此载荷确定为3t；静液压机械传动，双桥四轮驱动，钢板弹簧悬架；可侧翻自卸，最大自卸高度小；货厢尾部随车配置自装卸起吊设备，适应性更广泛，整车外形结构如图9所示。由于货厢的长度小于锚索的长度，因此将锚索等长物料纵向摆放到驾驶室一侧、前后车体的上方进行捆绑运输。

图9 双向驾驶运输车外形图

综采工作面安撤采用无轨胶轮车运输工艺，由于液压支架中心距为1.5m，重量约为18t，因此配置了技术成熟可靠40t框架式搬运车[11]和25t铲板式搬运车[12]作为主力车型，框架车长9110mm、宽3520mm、高1960mm，装载液压支架后高度低于2400mm；铲板车长9500mm、宽2260mm、高1900mm，可双向驾驶操纵，设计有最大牵引力为120kN的车载液压绞车，机动灵活；铲板离地高度600mm，装载液压支架后高度低于2400mm；由此两种车型完全适合在工作面运输巷道运行。同时配置了7t多功能车辅助工作面安撤，整车长8830mm、宽1800mm、高1980mm，可双向驾驶操纵，可选装铲斗、铲叉等多种工作机构，用途广泛。

3.1.3 铰接式材料运输车双桥四轮驱动工作特性研究及测试

材料运输车是辅助运输的主力车型，采用纵置半椭圆钢板弹簧非独立悬架，满载最大运行速度为30km/h。为了适应煤矿井下复杂巷道工况，整车设计为双桥四轮驱动系统，可以充分利用四个轮胎及车重来产生牵引力。由于受整车总体结构约束，铰接中心线距离前后驱动桥的距离不同，整车空载和满载时的轴荷、轮胎的滚动半径及重心分配变化，这些因素均对四轮驱动工作特性产生影响。由此对直线行驶加速度、制动减速度、载荷、轮胎滚动半径、转向角、车辆上坡及下坡等因素致使前后桥动力分配比变化情况进行了研究分析，并对整车重心位置、轴距和轮胎直径等技术参数进行最优化设计。

整车满载分别在试验台上对前、后驱动轮不同速度时完成了牵引力和制动力测试试验，如图10所示。测试结果为前、后车轮之间牵引力最小分配比为0.86，制动力最小分配比为0.9。由此，整车设计合理，行驶和操纵平稳。

3.2 无轨胶轮车车型配置

党家河煤矿每班下井工作人数约120人，配置2辆人员运输车；每辆车早班往返运输5趟，中班往返运输3趟，夜班往返运输3趟；车辆运行速度不超过20km/h。每天井下所需物料总量约为50t，配置3t、5t和8t三种不同数量的材料运输车循环运输，每辆车平均每天运行6趟；同时承担井下渣石废料的升井运输，平均每天由5t材料运输车运行一趟；车辆满载运行速度不超过20km/h，车型及数量配置见表4。

综采工作面液压支架共有165架，由2台40t框架式搬运车和2台25t铲板式搬运车完成运输和摆放工作；1台7t多功能车主要用于中部槽的搬运和巷道整修；在工作面运输巷道开切眼时，2台装载机用于转载煤炭和渣石废料。

3.3 无轨胶轮车入井及升井

无轨胶轮车从副斜井处入井，车辆最大整备质量为40t，尾部与绞车联接，启动车辆并开启慢速绞车，缓慢地从井口驶入井底。

无轨胶轮车日常存放在井下胶轮车硐室，如图2所示；当车辆需要在地面进行维修时，启动人员运输车和材料运输车只需转向和制动正常，不需自驱动，由绞车牵引车辆升井；重型搬运车需自驱动并由慢速绞车辅助牵引升井。

4 应用效果

4.1 运输效率

5t材料运输车可承载3辆轨道矿车的物料，在辅运大巷运行时，具有载荷大、运行速度快、爬坡能力强、效率高的特点，货厢最大自卸高度完全适应巷道工况。3t双向驾驶运输车可承载2辆轨道矿车的物料，更适合在工作面运输巷道运行；在运输小型设备、锚杆和锚索时具有省时、省力的突出优势，受到矿工的一致好评。

综采工作面安装和回撤时，各种功能的无轨胶轮车均可在工作面辅助运输巷道运行，实现材料或设备从换装站到工作面“点到点”的无轨运输。

党家河煤矿转接辅助运输系统的成功实施，工作面安装周期可由两个队安装 70d缩短至由一个队安装 20～30d；拆除周期可由一个队 60d缩短至 15～20d，各工序环节衔接顺畅，大幅度降低了安装和拆除周期。辅助运输人员减少50%以上，辅助运输综合效率提高40%以上。

4.2 运输安全性

转接辅助运输系统避免了全轨道运输系统中增加的辅助设施，减少了机械安全隐患，降低了安全管理难度。特别是综采工作面的所有设备均可由无轨胶轮车直接搬运，运输实现了连续化，降低了工人的劳动强度，从根本上消除了各类运输事故的安全隐患。

5 结 论

1)党家河煤矿属于中小型斜井开拓煤矿，生产辅助材料用量少，综采工作面设备重量小，系列齐全、功能多样的无轨胶轮车可满足矿井辅助运输要求；同时无轨胶轮车装载材料及设备后的外形尺寸、工作装置自卸的最大高度尺寸均小于煤矿井下巷道断面尺寸且安全间隙满足安全使用规范要求，具有较强的通过能力，可实现“点到点”运输。

2)为了利于转接辅助运输能力的发挥和提高运输效率，井下换装硐室设计需使轨道矿车和无轨胶轮车并列式换装；配置的起吊设备提升能力须大于综采工作面设备重量且起吊高度大于车辆工作装置高度，可以快速换装。

3)中小型斜井开拓煤矿采用转接辅助运输方式可以提高辅助运输的效率和安全性，即在斜井巷道采用架空乘人装置运送人员或轨道矿车运输材料和设备，在井下快速换装后实现由无轨胶轮车直达运输。