一种地下矿山斜井维护作业平台的设计及应用

韦 黄家政

摘 要：为降低地下矿山斜井井筒维护作业的作业难度，减少作业时危险性，制作一种可调节角度斜井维护作业平台。

关键词：斜井;平台;孔距;三角函数

中图分类号：TV554;TD77    文献标识码：A    文章编号：1003-5168（2021）27-0037-04

Abstract： In order to reduce the difficulty and risk of inclined shaft maintenance in underground mine，this paper discussed and made an adjustable angle inclined shaft maintenance platform.

Keywords： inclined shaft;platform;hole spacing;trigonometric function

斜井提升是地下矿山的一种主要提升方式;斜井在使用的过程中，井筒会出现片帮、松石、冒顶、滴水等事件，影响斜井设备设施（管道、电缆、轨道、箕斗等）的运行和使用，因此必须对井筒进行经常性的管道线路维护、松石处理、锚网支护、安装挡雨棚等井筒维护作业。

1 地下矿山传统的斜井维护作业方式及其存在问题

1.1 传统的斜井井筒维护作业方式

①传统的斜井井筒维护作业方式包括在斜井提升箕斗上铺设木板或锚网，作为作业平台。

②用钢管、木板搭建脚手架作为作业平台。

1.2 存在问题

以上两种作业方式对井筒的维护作业都存在作业难度和强度大、耗时长、耗材无法回收利用的问题，并存在平台坍塌、人员滑倒、高处堕落等的安全隐患。

案例一，2017年6月15日，A外包工程公司3名員工在3#盲斜井井筒进行钻机锚网支护作业，他们在箕斗上铺设锚网作为作业平台;由于井筒顶板滴水，锚网面湿滑，其中一名员工脚底打滑，从平台上落下，身体多处被锚网边缘钢筋刺伤，脚关节骨折，医疗费直接损失15 000元。

案例二，2018年9月27日，B外包工程公司5名员工在8#盲斜井安装猴车架线电缆时，1人从箕斗上跌落，肋骨骨折，医疗费直接损失38 000元。

2 解决方案

针对以上存在的问题，作者发明了一种斜井可调节水平[1-2]维护作业平台。该作业平台以矿用平板车作为底座，在底座上安装由撑杆支架和水平支架及固定横梁构成的可调节角度三角形机构[3]作为斜井作业平台，如图1所示。作业时，斜井卷扬机钢丝绳牵引平板车，信号工打信号指示平板车到达斜井作业地点，作业人员在作业地点架设随车运送的平台支架和锚网（或木板）形成作业平台进行斜井维护作业。作业结束后，平台支架和锚网（木板）等物料随平板车由卷扬机牵引返回作业原始地马头门进行回收，重复使用。

该平台经过设计可根据作业环境需要，在人体平衡稳定极限（Limit of Stability，LOS）前后摆动角度范围内[4]（≤12.5°[4]，本文设计和计算采用12°，下同）进行上下调节，使人员在斜井中间作业时人体重心保持平衡，防止发生人员滑倒、高处堕落等的安全事故发生，增加作业安全性。

3 作业平台设计及制作

3.1 平台设计

3.1.1 设计目的。随着公司提升任务增加，提升系统的日常维护工作量也随着增加，作业人员发生安全事故的概率增加，经统计，从2016年1月到2019年12月，4年内公司在斜井维护作业过程中发生了4起安全事故，年均1起;其中3起轻伤，1起重伤，主要原因都是由于搭建的临时作业平台倾斜角度大，人体失去平衡稳定性，导致作业人员发生滑倒、坠落事故。因此，需要发明一种能使人体保持平衡的斜井维护作业平台，确保斜井维护作业人员的人身安全，减少安全事故发生。

3.1.2 设计要求。由于地下矿山斜井掘进时对巷道的规格要求不太严格，在后期进行井筒维护时，需要根据斜井的顶底板的变化对作业平台进行一定角度调节，因此本文所述的作业平台在斜井中间需可按人体平衡稳定极限前后摆动角度范围内（≤12°）进行上下调节，以适应巷道变化需要。

3.1.3 设计过程。要实现设计的目的和要求，设计过程需要满足以下三点，如图1所示。①平台撑杆支架和水平支架有多种连接组合方式;②撑杆支架和水平支架组合通过螺孔用螺栓固定;③平台调节的角度由连接螺孔孔距确定。

3.1.3.1 平台连接组合方式。平台连接是设计过程的基础要素，连接的设计和选择决定平台的最终模式。如图2所示，平台撑杆支架和水平支架的连接组合方式，本文给出三种连接方式：①撑杆支架单孔和水平支架多孔连接，如图2（a）所示;②撑杆支架多孔和水平支架单孔连接，如图2（b）所示;③撑杆支架和水平支架多孔连接，如图2（c）所示。

三种连接方式的设计计算原理基本相同，可用三角函数正弦定理（Law of Sines）或余弦定理（ Law of Cosine ）计算出连接孔孔距。本文以图2（a）：撑杆支架单孔和水平支架多孔连接方式进行计算并制作平台。

3.1.3.2 支架孔距和调节角度关系。根据人体平衡稳定极限（Limit of Stability，LOS），前后方向的最大摆动角度约为12.5°，本文取12°，受斜井巷道顶板影响，平台无须向上调节，则向前摆动角度为6°;作者所在矿山使用的斜井倾角为30°，下面计算各连接孔孔距。

如图3，斜井倾角∠A=30°，平板车固定孔2和孔6之间距离为3 000 mm，撑杆支架孔1和孔2之间距离为1 500 mm。平台倾角[5]向下调节角度为6°，调节2次，每次调节角度为3°，则平台的水平支架和斜井夹角A分别为30°、27°、24°，以图3（a）连接方式用三角函数正弦定理（The Law of Sines，a/sinA=b/sinB=c/sinC）分别计算孔3、4、5到孔6之间的距离S，如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示。

结果如表1所示。

说明，表1中S3-6表示孔3到孔6之间距离，依此类推。

3.1.3.3 平台材料选择和支架连接的受力分析

①平台作业时的外在承重和本身自重总和m=3人×80（kg）+钻机（50 kg）+平台自重（150 kg）+其他工具（20 kg）≈500 kg，G=mg=4 900 N;平台撑杆支架和水平支架采用L70×70×5角钢，其最大承载力为117 700 N>4 900 N，完全可以满足作业中的承重需要。

②平台的受力点主要集中在各连接孔的螺栓上，平台连接采用M20螺栓，下面以承重力F=mg=500×9.8=4 900 N计算螺栓所受最大剪切力。以调节角度为24°为例进行计算和验证，如图3（c），其力学模型如图4所示。

a.受力计算

如图4，A点的承重力F分解为撑杆支架方向力F1和水平支架方向力F2，F=4 900 N，根据平行四边形法则，计算得F1=5 991 N，F2=2 972 N;且F1是整个平台各受力点最大的剪切力，因此，如果A点螺栓受的剪切力F1符合设计要求，则其他点也符合，下面验证F1。

b.验证

螺栓需用剪切应力为60 MPa，M20螺栓应力截面积为2.45 cm2，代入公式[6]

Q=τ·A        （1）

式中，Q为剪切力，N;τ为剪切应力，MPa，0.1 MPa=1 kg/cm2;A为剪切面面积，cm2。

计算得Q=14 406 N>F1=5 991 N，因此，平台连接选用M20螺栓规格符合设计要求。

3.2 平台制作

3.2.1 平板车加工。

3.2.1.1 固定孔及收纳托架布置。根据图5分析如下。

①在平板车两侧主梁前后分别钻孔径22 mm的固定孔，孔距为3 000 mm。

②在平板车两侧主梁前后分别焊接平台收纳托架，使平台支架收纳时和平板车融为一体，方便随时使用。

3.2.1.2 支架部件。支架部件分别为：①撑杆支架;②水平支架;③固定横梁。

材料选择和制作：

①材料：支架选用L70×70×5角鋼;连接螺栓，M20规格。

②制作：2根同样规格的撑杆支架和水平支架，钻Φ22 mm的螺孔;撑杆支架设置1固定孔和1连接孔，水平支架设置1固定孔和3调节孔。

③固定横梁一根，两个Φ22 mm螺孔固定水平支架。

4 可调节平台的应用

2020年9月17日凌晨3时左右，公司专用于提升人员和物料的6#盲斜井顶板局部发生冒顶事件，人车无法运行，需要立即对顶板进行锚网处理。经从竖井地面（海拔标高723 m）、4#盲斜井下放材料到6#盲斜井（海拔标高-60 m），利用作业平台进行施工到完工，一共用时1.5 h左右，如果搭建临时作业平台作业，耗时8 h左右，该作业平台大大缩减了作业时间。

公司井下各条斜井（8条）位置分散，且各条斜井的规格（巷道断面、倾角、轨距等）不尽相同，为使作业平台作业效率最大化，公司为每条斜井配备相应的作业平台。从2020年公司通过使用该平台，减少了井筒维护作业时间和作业强度，降低人力、物力成本，增加作业人员安全系数，效果良好。

5 结语

该平台的设计和制作，是为了解决我们公司在斜井维护作业中遇到的实际问题：高强度作业，大量的物料浪费，以及作业人员安全事故的频繁发生。该作业平台结构简单，材料充足，制作容易，安装方便，使用灵活，造价低;其设计理念和依据，可应用于其他行业，有一定拓展性。

参考文献：

[1] 柯炯.高空作业平台自主调平系统研究[D].武汉：华中科技大学，2015.

[2] 张先锋，赵金虎，丁世英，等.自调平斜坡升降作业平台的研制[J].建筑机械，2016（2）：49-51.

[3] 贺佳，李长春.用于隧道病害治理的高空作业平台设计[J].机械，2017，44（11）：38-43.

[4] 游永豪，温爱玲.人体平衡能力测评方法[J].中国康复医学，2014，29（11）：1103.

[5] 刘冲，庞靖，于光辉，等.自调平作业平台设计[J].中国高新区，2017：102-103.

[6] 朱天龙.自移设备列车牵引装置顶盖改进设计[J].煤矿机械，2019，40（8）：125.