煤矿无轨辅助运输适用条件及装备选型研究

何景强

(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)

随着我国煤矿开采规模的不断扩大，机械化程度较高的无轨辅助运输工艺己成为高产高效矿井的标配。无轨辅助运输系统涉及巷道及硐室施工、矿井通风、辅助运输工艺、装备配套选型等众多方面，只有各方面配套协调才可发挥其高效的运输能力[1-3]。目前无轨辅助运输系统设计的主要依据为《煤矿用防爆柴油机无轨胶轮车安全使用规范》(AQ 1064—2008)、《煤矿井下辅助运输设计规范》(GB 50533—2009)、2016版《煤矿安全规程》，但随着国内无轨辅助运输装备的高速发展，煤矿开采设计院、无轨胶轮装备生产厂家、煤矿业主三者之间存在一定的信息壁垒，从而给矿井辅助运输的设计、装备选型及采购带来一定困难，导致部分煤矿的无轨辅助运输系统出现运输效率不理想、采购的设备不适用、投资过大等现象。另外，部分采用有轨运输的老旧矿井为了进一步提高经济效益，有轨运输改造成无轨运输的需求也越来越多[3]，因此研究无轨辅助运输系统适用条件及装备选型，可以更好的发挥无轨辅助运输的效率，避免无效或过度投资具有一定的指导意义。

1 无轨辅助运输系统的适用条件

煤矿辅助运输是指除运输煤炭以外的所有运输，主要运输对象包括人员、矸石、设备、辅助材料等，主要运输线路为地面到工作面、工作面到地面、工作面或采区之间的周转等。因此采用无轨辅助运输系统的矿井，其巷道宽度、高度及路面的抗压强度必须满足无轨胶轮车满载运行的要求，具体涉及巷道、各种硐室、通风等要求。

1.1 无轨胶轮车适用的巷道条件

1.1.1 巷道断面

巷道宽度应满足车辆安全行驶的需要。根据2016版《煤矿安全规程》要求，车辆单向行驶的巷道，巷道宽度应满足车辆最外侧至巷道两侧壁突出物的间距不少于500mm；巷道高度应满足车辆满载货物时的最高点与巷道顶部突出物最低点的距离不少于500mm[1]。目前，无轨辅助运输中以框架式支架搬运车宽度最大，因此巷道最小净宽和最低净高可根据液压支架重量、尺寸及选配的支架搬运车来确定[4]。车辆双向行驶的巷道，巷道宽度应满足两车错车间距不低于500mm或设置必要的会车硐室，并设置方向标识。巷道内若设置有人行道，其宽度不得小于1m，否则必须制定专项安全技术措施，严格执行“行人不行车，行车不行人”的规定[2]。

1.1.2 巷道坡度

无轨胶轮车的动力特性和地面的附着力极限决定了其不适合在长距离大坡度的情况下使用。在干硬水泥或混凝土路面上，当纵向坡度小于6°时，一般对巷道无特殊要求；当坡度在6°～14°之间，且持续距离过长时，则每隔一定的距离应设置30～50m的水平缓冲段，以防止车辆在长距离、大载荷爬坡时产生的高温现象；当坡度超过10°以上时，坡道路面采取适当的防滑措施(如“搓衣板”路面)；当纵向坡度大于14°时，则巷道不适合无轨胶轮车直接运行[4]。依据目前市场上防爆无轨胶轮车的动力特性以及矿方实际使用经验，车辆在不同坡度下连续纵向坡道长度的适应能力曲线如图1所示。对于变化范围超出10°以上的坡道，坡道起点和终点应设置缓坡路面，建议变坡圆角半径不得小于18m。另外，为防止车辆的倾翻，巷道的横向坡度要求不大于7°。

图1 坡度与坡道长度的关系曲线

1.1.3 巷道顶、底板条件

顶板支护必须牢固，底板路面应平整，不得有大的凸起物和凹坑。在辅助运输大巷、综采工作面搬家通道一般采用C30混凝土铺设300mm厚的硬化路面。采区主要准备巷道，可采用C20混凝土铺设150～200mm厚的硬化路面。

1.1.4 巷道转弯

巷道转弯处倒角应足够大，一般建议外转弯半径在12m以上，最小不得低于10m，以不妨碍车辆转弯为宜。在巷道弯道或驾驶员视线受阻的区段，应设限速、鸣笛和反光条等标志，巷道内还应有里程碑标志。在工作面切眼处应开设车辆掉头硐室，以方便车辆倒车进入切眼，同时也可以作为会车硐室使用。

1.2 无轨辅助运输的相关硐室和设施

矿井的无轨辅助运输系统通常配备的各种车辆硐室包括检修、存放、加油、换装、调头、会车硐室等。各硐室必须采用强度为C20-30的混凝土全部硬化200～300mm厚，地面保持干燥，坡度不大于3‰，有良好的照明，深度超过6m必须强制通风或采用调节风窗，硐室内应配备相应的灭火器材[2]。

1)检修硐室：检修硐室可选址在井筒附近的辅运大巷和回风巷的一条联巷，可单独构建也可与存放硐室共用。该硐室长度30～40m，宽6～8m，高6～8m，配备5t防爆行车一部，行车起吊高度不小于4m，行车纵向行程不小于20m，横向行程不小于5m，配置手拉葫芦数条，用于车辆大型部件的换装。为方便检修车辆底盘，硐室内应设置有地沟，保证地沟干燥[2]。

2)存放硐室：存放硐室大小、位置应根据运行系统实际需要确定。硐室内温度应不小于5℃，以防止发动机冷却水结冰而损坏。硐室要求通风良好，保证车辆处于通风干燥处。能存放10辆左右材料车的硐室，一般长25～30m，宽6～8m，高5～6m，应配置排水沟及灭火器[5-7]。

3)加油硐室：加油硐室可利用大巷之间的联巷改扩建，该硐室一般长8～10m，宽5～6m，高5～6m，使用不燃性材料支护，地面应平整、干燥，并有独立的通风系统，硐室内应设置足够数量用于扑灭燃油火灾的灭火器材。加油硐室柴油的储存量不应超过井下所有车辆8h的用油量[2]。

4)换装硐室：换装硐室位于副斜井井底或副立井井底车场附近，该硐室一般长25～30m，宽7～8m，高6～8m，装有5/10t和10/20t行车各一部(行车吨位依据实际需换装的机电设备的重量确定)。其中10t行车用于小型机电设备、散料的换装，20t行车用于采煤机、支架等大型设备的换装。

5)调头硐室：当井下辅助运输巷道无法形成环路时，在某些路段就一定要设置一些掉头硐室，以方便车辆完成运输任务后的返回。根据目前市场上主流车辆参数建议调头硐室宽度不小于6m，深度不小于10m，硐室转弯圆角不得小于4.5m。

6)会车硐室：车辆单向行驶的巷道应根据运距、运量、运速及运输车辆的特性，在巷道的合适位置设置会车硐室，其推荐尺寸如图2所示。会车硐室一般每隔600～800m设置一个，且会车点应配有信号装置。

图2 会车硐室平面图(mm)

1.3 无轨辅助运输通风要求

随着煤矿安全生产环境标准不断提升，矿井井下工作场地的各项环境指标不但要确保井下工作人员生命安全，还要满足日益增加的人体舒适度需求。无轨胶轮车排放的CO、CO2、NOx等气体对井下空气环境有一定的影响，根据2016年版《煤炭安全规程》和《煤矿用防爆柴油机无轨胶轮车安全使用规范》(AQ 1064—2008)规定，采用煤矿防爆柴油机驱动车辆运输的矿井，行驶车辆巷道的供风量应当按同时运行的最多车辆数增加巷道配风量，其配风量不小于4m3/(min·kW)[1，2]。因此应根据在井下同时运行的车辆总数来确定发动机总功率及运行时间，进而计算出配风量。

2 防爆无轨胶轮车配套选型

2.1 无轨胶轮车功能及参数

目前国内的防爆无轨胶轮车技术日趋成熟，已实现完全替代进口，其按照用途分为运人车、运料车、多功能铲运机、特种搬运车、专用作业车等5大类；按照驱动装置可分为防爆柴油机驱动和防爆蓄电池驱动两种，其中防爆柴油机车辆需满足非道路国Ⅲ排放标准。随着矿企对无轨胶轮车尾气污染问题的重视，蓄电池驱动的车辆已逐渐兴起，但目前充电技术及续航能力有待进一步提高[8-10]。

运人车主要用于人员运输；运料车主要用于锚杆、锚索、锚网、矸石等各种材料的运输；多功能铲运机可实现叉、铲、卷电缆、输送带、升降平台、拖运平板车及货斗等多种功能，各工作机构间可快换；特种搬运车主要用于综采、综掘工作面的搬家倒面；专用作业车可实现混凝土搅拌运输、洒水、送餐、清扫等特殊功能[10]。根据国家安标办网站2019年末公布的数据，全国共计66家企业有无轨胶轮车的安标申办记录，随着市场的不断淘汰，目前主流生产厂家有：山西天地煤机、常州科试、莱州亚通、连云港天明装备、湖北塞弗精工、航天重型工程装备、深圳德塔等，其中山西天地煤机是国内最早研制防爆无轨胶轮车的企业，也是国内唯一具有全系产品的生产厂家，市场占有率超过60%。目前市场上主流防爆柴油机驱动车型和蓄电池驱动车型参数表分别见表1、表2，以供选型参考。

2.2 无轨胶轮车的选型

无轨胶轮车的选型应根据矿井巷道条件、采掘装备的重量、物料及人员的运量来配置，综合考虑运输效率及投资效益。当采用斜井辅运时，配置无轨胶轮车时应尽量满足所有装备及物料、人员等一次运输到位。当采用立井辅运时，主要根据罐笼的尺寸及运载能力来配置无轨胶轮车[3]。以某矿条件为例，其选型过程如下：

表1 主流防爆柴油机驱动的车型参数表

注：表中所列车速均为车辆的设计车速，而在井下巷道中行驶时，车辆运行车速需要满足《煤矿井下辅助运输设计规范》(GB 50533—2009)和2016《煤炭安全规程》(第三百九十二条)的规定。

表2 主流蓄电池驱动的车型参数表

注：表中所列车速均为车辆的设计车速，而在井下巷道中行驶时，车辆运行车速需要满足《煤矿井下辅助运输设计规范》(GB 50533—2009)和2016《煤炭安全规程》(第三百九十二条)的规定。

已知该矿设计生产能力8.0Mt/a，采用副立井、主斜井综合开拓方式。大巷及工作面巷道坡度均小于6°，辅运大巷宽度5200mm，去除水管、电缆、沟槽后净宽约4500mm左右，净高4200mm，顶部为圆弧顶，各工作面平均运输距离3340m。罐笼尺寸为(L×W×H)：7150mm×2750mm×5900mm，提升能力50t。采掘设备运输最大重量45t，支架中心距1.75m，共计115架；最大班下井人员：217人/班，共计10个队，材料运量(平均按6t/车计)：1个回采工作面，1车/班，瓦斯预抽面2车/班；4个综掘工作面，每个面2车/班；1个大巷综掘工作面，4车/班；1个岩巷普掘工作面，4车/班；通修队，3车/班；机运队2车/班。设备、备件，6车/班，其它，5车/班，矸石，9车/班(井下回填)，合计59车/班。

2.2.1 无轨胶轮车选型

由于目前蓄电池驱动车辆续航能力有限，充电管理复杂，采购成本高，仅神东矿区有部分应用，因此暂不考虑蓄电池驱动车型，后续随着运量增大，可适当增配。

矿井日常生产用车配置：运送人员，选用WC20R型防爆运人车，在副立井底转载；运送散装物料、矸石、小型设备，选用WCJ8E铰接料车和WC5J整体自卸车，立井不用转载；工作巷运输、管件运送及井筒、大巷带式输送机检修，选用WC3Y整体顺槽车；井下生产调度指挥、紧急抢修时运送少量人员、物品，选用WC9R防爆皮卡车；井下矸石装载及10t级以下的机电设备运送、巷道清理维修、短途物料运输等，选用WJ-10FB防爆铲运机，并配有工作机构快换装置，同时配置铲斗、铲叉、升降平台、平板拖车、平板拖斗、卷电缆装置、卷带装置、破碎锤、吊臂等多种工作机构，矸石由自卸料车运至井下废旧巷道回填，WJ-10FB铲运机解体入井，仅在井下作业，不再升井；巷道降尘，选用WC4S洒水车，可直接入罐，无需转载；能够直接入罐升井的车辆采用地面加油，无法直接入罐升井的车辆可由其他车辆运输油料进行加油；井下送餐选用WC3J运餐车，无需转载；井下支护、路面硬化混凝土运输，选用JC2.5混凝土搅拌车，无需转载；

采掘工作面大型设备搬家倒面用车配置：采煤机、掘进机部分解体后运输，解体后重量最大不超过45t，选用2台WC55E铲板式搬运车运输；刮板输送机、转载机、破碎机、泵站、工作巷带式输送机等设备按尺寸局部解体后，选用WC25E铲板式搬运车或WJ-10FB防爆铲运机+平板拖车运输，入井时均需解体；液压支架总重不超过50t，选用WC50Y支架车整体运输，搬运车入井时需要解体。

2.2.2 各型无轨胶轮车的数量配置

车辆往返一次总运输时间计算：

t=t1+t2+t3+ty

(1)

式中，t为无轨胶轮车往返一次所需时间，min；t1为装车时间，min；t2为卸车时间，取0.5～1.0min；t3为胶轮车调车等待停歇时间，影响因素较多，应按具体情况确定，可取2～4min。

无轨胶轮车台班运输能力为：

式中，Qw为每台无轨胶轮车运载量；T为每班运行时间，按4.5h/班；k1为无轨胶轮车载重量利用系数，取0.9；k2为无轨胶轮车工作时间利用系数，每日一班取0.9，两班取0.85，三班工作取0.8。

运送矸石、物料、设备无轨胶轮车台数为：

N=k(Q1+Q2)/Qb

(3)

式中，Q1为矿井每班矸石运输量，取50t/班；Q2为矿井每班运输其他设备、材料折算量，按210t/班；k为运输不均衡系数，取1.15。

经上述计算，并借鉴神华公司的管理模式，矿井初期达产时每班运送矸石和其它物料、设备的无轨胶轮车运行台数至少为35台，考虑设备故障时的备用车辆，中、轻型车辆共计配置41台，采掘工作面搬家倒面用重型车辆配置8台，合计49台，具体明细见表3。

表3 无轨胶轮车配置选型表

3 结 语

本文从系统的角度统筹考虑了无轨辅助运输所涉及的巷道适用条件、巷道通风设计，并根据目前市场上主流车型参数给出了无轨辅助运输适用的巷道断面参数、巷道路面及坡道条件、硐室的相关设计参数，为矿井设计及巷道、硐室的无轨化改造提供了参考依据。最后，以某矿井条件数据为基础，详细的阐述了无轨胶轮车配套选型计算过程，为煤矿辅助运输的设计及无轨胶轮车的选型配套提供了参考依据。