辅助运输无轨系统在矿井建设中的应用

2021-03-04赵长红吕兆海

煤炭工程 2021年2期

赵长红，吕兆海

(1.宁夏煤炭基本建设有限公司，宁夏银川 750004；2.国家能源集团宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏银川 750000)

随着我国大型矿井的建设和老矿井的技术改造，矿井规模不断扩大，煤矿辅助运输的重量和运输距离直线上升[1]。煤矿辅助运输是指除煤炭以外的人员、矸石、设备、材料等物资的运输，主要指地面到工作面等周转运输作业[2]。矿井开拓方式决定了矿井辅助运输方式，辅助运输设备的机械化水平对矿井开拓方式的选择又有一定影响。矿井的辅助运输方式主要分为有轨运输和无轨运输两种形式。其中，有轨运输是矿井辅助运输的主要形式，但随着技术装备的发展，设计理念的更新，无轨运输系统在近年新矿井设计中得到重视并逐步推广应用，其经济效益及社会价值得到广泛的认可。由于无轨运输系统无轨道限制，并具有适应性强、机动灵活性好、安全高效的特点，因而在美国、英国、澳大利亚、南非等产煤大国已普遍使用[3-5]。随着近年胶轮车技术的发展成熟，无轨运输系统在我国也逐步推广使用。在此过程中先后出现了各种型号的胶轮车，主要有WC1.2J、 WC3J、 WC5E、WC20R等防爆无轨胶轮车，这类胶轮车的出现促使矿井在生产过程中逐步淘汰落后的轨道运输方式，使矿井的辅助运输效率成倍提高，为建设高产高效矿井奠定了基础。

1 当前煤矿辅助运输系统现状

矿井辅助运输方式对巷道掘进工效影响较大，受地质条件制约采用轨道运输的矿井，相对无轨运输而言，明显存在运输效率低下、速度慢、用人用机多、耗时长、人员装卸物料劳动强度大、机动性差、安全管控风险高等问题，成为制约矿井产量及企业效益的瓶颈[6，7]。因此，选择合理的辅助运输方式，提高辅助运输装备水平，将直接影响矿井生产安全和经济效益。我国煤矿井下辅助运输系统主要分为有轨运输系统、无轨运输系统。其中有轨运输系统主要集中在黑龙江、山东、徐州等以立井开拓或斜井开拓的开采深度较大的老矿井，受矿井开拓方式及煤层倾角的限制，在我国煤矿生产中仍然作为主要的运输方式存在且难以更新换代；无轨运输系统主要集中在开采条件相对较好，煤层倾角较小的新建矿井或在后期进行技术改造的大型矿井中。神东煤业公司、宁夏煤业公司的部分大型矿井、平煤集团等矿业集团的部分矿井都已大范围的推广使用无轨运输系统，并且取得了良好的社会经济效益。例如：神东大柳塔矿和活鸡兔矿引进英国埃姆科公司HLD-913型无轨胶轮铲车等无轨辅助运输设备，矿井实现无轨系统的高效运输，山西云岗矿无轨运输系统采用澳大利亚诺依斯公司的柴油机重型支架铲车创10d搬完一个工作面的记录。无轨运输系统的高效便捷和安全优势，促使我国无轨运输设备得到空前发展，国内在用无轨胶轮车辆设备超过4万台[8]。

2 影响辅助运输方式的因素

矿井辅助运输方式的选择受地质条件、辅助运输装备、矿井开拓方式等多种因素的影响，但是随着辅助运输设备的更新升级，无轨运输在近年来逐步成为新建、改扩建矿井辅助运输方式的主要形式。

1)地质因素，煤层倾角是影响矿井辅助运输方式的主要因素。煤层按倾角划分为近水平、缓倾斜、倾斜、急倾斜煤层。在倾角小于12°的缓倾斜煤层、近水平煤层中既可以选择轨道运输、也可以选择无轨运输，在倾角大于12°的缓倾斜及倾斜煤层、急倾斜煤层中工作面以外的运输既可以选择轨道运输、也可以选择无轨运输，但在工作面内只能选择轨道运输。另外在底臌严重或顶板破碎的巷道内不宜选择轨道运输。

2)辅助运输装备，辅助运输装备是辅助运输方式的基础，高效、先进、智能的辅助运输装备是矿井辅助系统选择的必然。因此，辅助运输装备的现代化水平、发展更新速度对矿井辅助运输系统的选择有重要的影响。

3)矿井开拓方式，矿井的开拓方式在很大程度上决定矿井辅助系统的选择，在采用副立井+主斜井开拓的矿井及主斜井+副斜井开拓的矿井，采用轨道运输系统，但在立井开拓的矿井，后期设计改造中如采用暗缓坡斜井开拓，辅助运输可以改为罐笼+无轨运输；在采用主斜井+缓坡斜井开拓的矿井，采用无轨运输系统，但在煤层倾角较大的工作面内运输时，仍然采用轨道运输系统作为辅助运输。

4)运输距离，工作面的运输距离或者运量对辅助运输方式的选择有一定的影响，随着大型矿井的建设，部分工作面走向长度达到5km以上且随着巷道断面的增大支护材料及辅助设备的运量显著增多，远距离的运输及支护材料运量的增大，选择快捷、高效的无轨运输系统有利于矿井实现高产高效。

3 辅助运输系统的主要形式

矿井辅助运输系统主要分轨道运输系统、无轨和轨道混合运输系统、无轨运输系统。轨道运输系统主要依托轨道通过滚筒绞车、无极绳绞车、柴油发动机机车、蓄电池机车等动力的牵引进行运输，这种运输方式效率低，安全性差。受矿井开拓方式及煤层倾角的限制，在我国煤矿生产中仍然作为主要的运输方式存在且难以更新。无轨和轨道混合运输系统主要是采用无轨运输负责地面至井下大部分工作面的运输工作，但在工作面安装、回撤过程中由于工作面倾角较大，无轨胶轮车运行受限，采用轨道运输进行工作面的安装、回撤等工作。无轨运输系统主要是采用胶轮车进行设备及人员的运输，该系统在主立井+缓坡斜井、主斜井+缓坡斜井开拓的新建矿井及改扩建矿井中进行了广泛应用并取得了显著的社会经济效益。

3.1 有轨运输系统

有轨运输系统主要包括：柴油机单轨吊机车、蓄电池单轨吊机车、绳牵引卡轨车、柴油机胶套轮齿轨卡轨车、无极绳连续牵引车等。由于其适应性强，在煤矿井下的运输过程中曾得到广泛的应用。但是有轨运输系统占用设备数量多，投入人员多，运输环节多，轨道系统复杂，受巷道底臌影响较大，安全隐患大，作业功效低，运行过程中经常发生掉道事故[9，10]。随着科技进步，轨道运输设备的更新换代在近年取得了一定的发展，但其在运输过程中存在诸多弊端难以克服。特别在近年现代化高产高效矿井的建设过程中采用轨道运输系统难以满足矿井发展的需要，如采用绞车提升的副斜井，提升距离1000m，提升能力约30钩/d，按每钩5辆MGC1.7-9D固定矿车进行计算，每天提升约150车，合255m3矸石，仅为18m2断面，10m岩巷的矸石量，运输能力有限。

3.2 无轨+有轨运输系统

受地质条件的限制，煤层赋存倾角变化较大，在煤层倾角较大的工作面，无轨胶轮车难以运行，因此在这类矿井中，地面至井底车场及工作面顺槽可采用无轨系统进行运输，在工作面安装、回撤过程中采用轨道运输。这种运输方式较单一轨道系统效率明显提高，但在胶轮车运行受限的区域需进行转载，存在一定的弊端。

3.3 无轨运输系统

辅助运输机械化不仅节省大量的人员，而且可以提高工时利用率，提高工作面的产量和进度[11]。无轨运输系统具有运输效率高，转载环节少，运行速度快、载重能力大、辅助人员少，运输成本低的特点，无轨运输系统可以将作业人员由地面或井底车场直接运送到作业工作面，有效缓解工人的劳动强度，减少作业人员非作业时间，提高用工功效，实现减员增效的目的。另外可实现将设备及材料直接由地面运输到作业工作面，转载环节减少，使矿井的辅助运输水平显著提高。通过对宁夏煤业公司矿井现有辅助运输方式比较，无轨运输较轨道运输优越性明显，功效高出约30%～50%。

3.3.1 罐笼+无轨运输系统

矿井开拓方式决定了矿井辅助运输系统的选择，罐笼+无轨运输系统应用在主斜井+副立井+暗缓坡斜井联合开拓的矿井中，如图1所示，采用副立井结合无轨胶轮车与暗缓坡斜井迂回折返的方式，能够很好地拓宽无轨胶轮车辅助系统的应用范围，适应性更强，有利于矿井高产高效和现代化建设[12]。这种辅助运输方式比副斜井轨道运输的效率明显提高，但井下无轨运输系统的运输功效往往受限于立井提升系统。比如石槽村煤矿、麦垛山煤矿采用主斜井+副立井+暗缓坡斜井开拓方式，无轨胶轮车经罐笼由地面到开采水平后，胶轮车通过暗缓坡斜井直接将支护材料、工器具、人员运输到工作面。这种运输方式往往存在地面车辆下不去、井下车辆上不来的共性问题，立井罐笼提升成为制约运输系统的瓶颈。虽然通过加强调度管理等措施可以缓解提升运输的问题，但罐笼提升制约无轨胶轮车高效运输的根本问题无法解决。

图1 主斜井+副立井+暗缓坡斜井开拓方式

3.3.2 缓坡斜井无轨运输系统

缓坡斜井无轨运输系统主要应用在主斜井+缓坡斜井开拓的新建矿井，如图2所示，在传统设计理念上是一种突破和飞跃。该系统无轨胶轮车可以从地面通过缓坡斜井直接将人员、材料、设备等运送到工作面，是目前运输效率最高的一种辅助运输方式。尤其在某些大型矿井中，工作巷走向长度达到5km以上，采用无轨运输系统不仅提高了运输效率，也有效减轻了作业人员远距离行走的劳动强度。在这类运输系统中，有上下双向行车和单向辅以错车硐室两种方式。比如梅花井煤矿、双马煤矿、红柳煤矿等采用这种辅助运输方式功效明显提高。

图2 主斜井+缓坡斜井开拓方式

4 辅助运输系统综合对比

矿井的快速高效发展，要求辅助运输系统能较快实现工作面的搬迁及工作面支护材料、设备的运输。无轨胶轮车广泛使用不仅提高了矿井的辅助运输能力，助推了高效、现代化矿井建设的进程[13]，也使矿井的设计思路更加开阔，为矿井设计在辅助运输系统的选择上拓宽了优选空间，并逐步成为矿井辅助运输方式发展的主导方向。

1)运输能力，与轨道运输系统相比，无轨运输系统运输能力明显提高。在轨道系统中，工作巷运输一般采用KFV1.1-6型翻斗式矿车配合连续牵引绞车运输，单次按3辆矿车计算，最大载重能力5t。无轨运输系统以WC5E无轨胶轮车为例，单台车辆外形尺寸6667mm×1960mm×2000mm，最大载重能力5t，并且随着无轨胶轮车的更新升级，其载重能力逐步增大。梅花井矿液压支架搬运车装载能力最大达到50t，实现了液压支架的整体运输，梅花井矿采用无轨运输系统投入的各类胶轮车见表1。

2)运行速度，无轨运输系统中井下胶轮车运料一般要求最大允许运行速度30km/h，(煤矿安全规程要求运料不超过40km/h，运人不超过25km/h)轨道系统中连续牵引绞车的最大运行速度6.12km/h，若在运输支架等大型设备期间，运行速度约3.6km/h，无轨运输系统的运输效率优势明显。以宁夏煤业公司梅花井煤矿辅助运输为例，从地面至井下的最远距离达到15km以上，无轨胶轮车单趟运输约40min，工作巷最大长度达5km，采用无轨胶轮车运输巷内仅需0.33h，采用无极绳绞车运输需要1.63～2.78h，在相同时间内，无轨运输系统的运输效率明显高于轨道运输系统，并且这种优势随着运输距离的增加而更加显著。

表1 梅花井矿无轨胶轮车统计表

表2 辅助运输系统运输时间对比表

3)辅助运输人员，采用无轨胶轮车运输，每辆胶轮车配备1名司机，而采用轨道运输，仅连续牵引绞车运输期间，至少需要绞车司机、信号工、跟车工3名。因此，采用无轨运输系统，矿井的辅助运输人员数量将大幅度减少，对矿井的安全管理意义重大。

4)转载环节，采用缓坡斜井的无轨运输系统，可以实现直接从井口到工作面的一站式运输，采用副斜井提升的轨道运输系统，从地面运输至工作面至少进行3次摘挂钩工作，转载环节极其复杂。

5)设备占用，采用无轨运输系统，从地面到工作面的运输仅有胶轮车，不占用其他设备，而采用轨道运输系统，从地面到井下工作面，至少占用电机车2～3台，提升绞车1台，连续牵引绞车1台。

6)辅助工作，采用轨道运输系统，前期存在轨道的铺设，地坪的硬化(铺垫道砟)调整轨道等工作，并且对轨道的铺设质量要求较高。而采用无轨运输系统，对巷道底板的适应性更强，仅施工地坪即可运行。

7)运输距离及其它工作，采用轨道系统，从地面到各水平车场的距离相对较近，而采用无轨运输系统，在矿井开拓过程中，缓坡斜井的距离较长，另外在地质条件复杂的矿井，采用缓坡斜井施工，通过复杂地质构造的距离较长，矿井建设的前期费用较高，施工难度相对较大。

综合上述因素，在矿井辅助系统的选择中，采用无轨运输系统的社会、经济效益均比轨道运输系统的优越性明显，推广应用无轨运输系统对提高矿井功效意义重大。

5 无轨运输系统的应用

宁夏煤业公司梅花井、双马、红柳、枣泉、羊场湾等矿井采用无轨运输系统，麦垛山、石槽村煤矿采用罐笼+无轨运输系统，无轨运输系统不仅提高了运输效率，降低了工人的劳动强度，为建设高产高效矿井奠定了基础。梅花井煤矿缓坡斜井坡度5.5°，缓坡斜井长度6.3km，宽度5.2m，高度4.2m，缓坡斜井内采取单向行车+错车硐室，如图3所示。矿井工作巷最大长度5.0km，井下辅助联络巷长度1.5～6.0km，最大运输距离15km。胶轮车井下运人最大运行速度25km/h，运料最大运行速度30km/h，工作面单趟运输时间30～36min，通过支架搬运车运输支架，运距在10km以内，工作面安装(回收)150台支架最快15d，功效明显提高。