地下矿山斜坡道运输能力的计算及应用

陈小康

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

随着矿山无轨设备技术的发展， 斜坡道开拓在地下矿山中的应用越来越广泛， 运输功能也逐渐由辅助运输发展为担负起主要运输职能。 尤其是在斜坡道开拓的矿山中， 主斜坡道需要担负矿山的全部运输任务， 其运输能力也成为影响矿山生产能力的关键。 斜坡道通常为单行道，上、下行车辆通过错车道会车，因此斜坡道的通行能力相对较小。在斜坡道开拓矿山的设计阶段， 需要根据斜坡道的布置形式计算其通行能力，选择合适的运输设备，以满足矿山对斜坡道运输能力的要求。在矿山生产阶段，则需要校核斜坡道的运输能力为矿山的正常生产提供保障。本文拟借鉴单车道公路的设计理念， 结合地下矿山斜坡道的运输特点， 对斜坡道通行能力的计算方法进行推导，为矿山设计和生产管理提供依据。

1 运输能力的计算方法

1.1 计算理论

道路运输能力一般是指在一定的技术设备和行车组织方法的条件下，一定时期内某一线段（或区段）所能完成的最大运输量。 道路通行能力是指在特定的交通条件、道路条件及人为度量标准下，单位时间内通过的最大交通量。通行能力是运输能力的基础，运输能力的计算首先要确定通行能力。 道路基本通行能力计算公式见式（1）[1]：

式中：ν 为车辆行驶速度，km/h；l 为最小车辆间距，也是司机在反应时间内车辆行驶的距离、车辆的制动距离、车辆间的安全间距、车辆平均长度之和，m。

道路可能通行能力则需充分考虑车道宽度、侧向净空、纵坡度、视距和沿途条件等各种影响因素，对道路基本通行能力进行修正后得到。

另外，由于斜坡道内车辆上、下行的速度不一样，下行速度比上行速度快，因此会车时，须遵循“小车让大车、轻车让重车、下行车辆让上行车辆”的原则[2]。

1.2 计算模型

斜坡道中，上行与下行车辆的让行主要在错车道（或分段巷道联络道）内进行。 上行车辆一般是连续行驶的重车，因此是由下行车辆避让上行车辆。上行车辆的间距需要满足下行车辆在不影响上行车辆行驶的情况下有足够时间向下行驶至下一个错车道进行会车[2]。

为了简化计算模型，假设下行车辆位于错车道内让车，上行车辆刚刚驶过。 此时，错车道内的下行车辆驶出错车道，回到斜坡道内行驶一段时间，在遇到下一辆上行车辆前，需要再次驶入下一个错车道内让行。 上、下行车辆运行示意见图1。 上行车辆分别从A1和C1匀速行驶至A2和C2的时间内，下行车辆需从B1加速驶出错车道，在斜坡道内匀速行驶，最后吊压减速行驶至下一个错车道B2。

图1 上、下行车辆运行示意

由图1 可知，L 为上行车辆的间距；L1为下行车辆加速驶出错车道距离；L2为斜坡道内匀速行驶距离；L3为减速驶入下一个错车道的距离；L4为车辆安全间距；L5为下行车辆行驶时间内上行车辆的行驶距离；L6为车辆平均长度。错车道间距=L1+L2+L3。L=错车道间距+2L4+L5+L6。 理想状态下，L 即为上行车辆的最小间距， 根据上行车辆的行驶速度即可计算出斜坡道的最大通行能力。

除上部无矿段外，斜坡道通常利用分段巷道联络道作为错车道，因此错车道的间距一般可以确定；车辆间的安全间距则按照规范要求取值。 只需计算下行车辆在两个相邻错车道之间的行驶时间（上行车辆行驶距离为L5的时间），即可计算出上行车辆的间距。 下行车辆的行驶时间为t1（加速驶出错车道时间）+t2(斜坡道内匀速行驶时间)+t3(减速驶入下一个错车道时间)。

1.3 计算公式[3-4]

下行车辆加速行驶距离L1和时间t1计算公式见式（2）、式（3）：

式中：V1为下行车辆速度，km/h；a1为车辆平均行驶加速度，取 2.5 m/s2。

下行车辆减速行驶距离L3和时间t3计算公式见式（4）、式（5）：

式中：t4为驾驶员反应时间， 取 2.5 s；t5为发动机减速时间，取 3.0 s；a2为发动机减速度，取 1.8 m/s2；a3为制动器减速度，取 2.5 m/s2。

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下行车辆斜坡道内匀速行驶距离L2和时间t2计算公式见式（6）、式（7）：

式中：L0为错车道间距，m。

上行车辆行驶距离L5和间距L 的计算公式见式（8）、式（9）：

式中：L4为车辆安全间距，取50 m；L5为上行车辆行驶距离，m；L6为车辆平均长度，m；V2为上行车辆速度，km/h。

斜坡道通行能力N 的计算公式见式（10）：

式中：N 为斜坡道通行能力，辆/h。

式中：Q 为斜坡道运输能力，kt/a；G 为车辆有效载重，t；S 为班工作时数，h；C 为日工作班数，班；H为年工作日数，d/a；K1为时间利用系数；K2为运输不平衡系数。

2 影响运输能力的因素

斜坡道的运输能力为单位时间内通过斜坡道运输的矿岩量。在通行能力一定的情况下，车辆的载重决定了运输能力。 此外，工作时间的利用系数、运输不均衡系数和运输车辆中运矿车辆的比例也会影响斜坡道的运输能力。根据计算方法可知，影响斜坡道通行能力的主要因素为运输车辆的行驶速度和错车道的间距。在开拓系统设计时，基本确定了斜坡道的线路布置和坡度选取， 也间接确定了运输车辆的行驶速度。因此，斜坡道运输能力的主要影响因素为车辆的载重和错车道的间距。

显然，在错车道间距相同的情况下，通行能力相同，斜坡道的运输能力与车辆的载重呈线性关系。错车道的间距对斜坡道运输能力的影响表现为： 错车道间距越大，下行车辆在斜坡道内匀速行驶时间t2越长，上行车辆的行驶距离L5就越大，上行车辆的间距L 也越大，从而导致斜坡道的通行能力越小。在相同车辆载重的情况下，斜坡道的通行能力越小，运输能力就越小。假设车辆的载重为30 t，错车道的间距从50 m 逐渐增加至400 m，斜坡道的运输能力前期显著下降，后期逐渐平缓，如图2 所示。

图2 不同错车道间距的运输能力（车辆载重30 t）

虽然计算方法中没有反映斜坡道的长度与运输能力的关系，但是随着开采深度的增加，斜坡道的长度随之增加，井下所需的辅助车辆也会相应的增加，上行车辆中运矿车辆的比例就会降低， 从而影响斜坡道的运输能力。 此外，斜坡道长度越长，需要的运输车辆越多，斜坡道内的生产调度更为复杂。

3 运用实例

国外某铅锌矿生产规模为1 000 kt/a，采用斜坡道开拓、无轨设备运输。主斜坡道担负矿石、废石、人员、材料及设备的运输，兼作辅助进风。 主斜坡道布置于矿体下盘， 以直线段1∶7 的坡度和曲线段1∶10的坡度折返式向下延深，且在垂直方向上每下降20 m设一处联络道与分段巷道相连，并在分段联络道处设20 m 缓坡段。主斜坡道在进入分段联络道之前每隔150 m 设置一个T 形错车道（掘进时作为调头硐室或废石装载硐室），进入分段水平之后则以各分段联络道口段作为T 形错车道（间距约150 m）。

设计选择较为先进的大型无轨设备， 根据坑内卡车的性能和主斜坡道的线路布置、 坡度设计等因素， 上行和下行车辆的行驶速度分别确定为8 km/h和12 km/h。 经计算，上行车辆的最小间距为370 m，最小间隔时间为3 min，最大行车密度（通行能力）为20 辆/h，如表 1 所示。车辆装满系数取 0.9，工作时间利用系数取0.6，运输不平衡系数取1.1，按照年工作时间330 d 计算，15～50 t 不同载重运输车辆的运输能力如表2 所示。

表1 斜坡道通行能力计算

表2 不同车辆载重的斜坡道运输能力

根据计算结果可知，选择20 t 以上坑内卡车才能满足矿山矿石1 000 kt/a 和废石300 kt/a 的运输能力要求。如果将来矿山扩大生产规模，则需要增加运输车辆的载重或缩短斜坡道内错车道的间距。 增加运输车辆的载重，可能需要扩大斜坡道的断面，将会影响矿山的正常生产。因此，缩短错车道的间距为矿山后期扩大生产规模的主要措施。

4 结语

本文通过借鉴单车道公路错车道的设置方法，对地下矿山斜坡道的通行能力进行了推导，得到了影响斜坡道运输能力的主要因素，并将计算方法实际应用于斜坡道开拓矿山的运输能力计算和运输设备选型。研究结果表明，影响斜坡道运输能力的主要因素为运输车辆的载重和错车道的间距，这为矿山后期扩大生产能力提供了调整依据和补救措施。