缓坡副斜井会车硐室设置间距及规格探讨

刘 亮

(中投咨询有限公司，北京 100034)

随着煤炭工业的不断发展，越来越多的大型矿井辅助运输方式采用无轨胶轮车，并已成为矿井辅助运输方式的发展趋向之一[1]。采用无轨胶轮车运输方式，具备运输灵活、连续直达等优点，其缺点为无轨胶轮车的长、宽尺寸相对较大，需要井筒、巷道净断面具有足够的宽度和高度以满足通行需要。为了降低井筒基建投资通常采用单车道双向通行方式，但井巷通行能力也受到一定的制约。为了解决长距离缓坡斜井单车道双向通行面临的运输能力不足的问题，通常在井筒中间设置会车硐室，以提升井筒通行能力。

目前除了《煤矿斜井井筒设计规范》(GB 50415—2017)对缓坡斜井会车硐室的宽度、长度参数提出相应要求外，其他煤矿相关的设计标准、规范对于缓坡斜井通行能力计算方法、会车硐室设置间距等并未作出明确规定，故如何合理确定会车硐室的间距，也需要进行深入的思考和研究。本文结合国投哈密一矿的具体工程实例，对会车硐室设置间距、断面参数等进行探讨，以寻求缓坡斜井会车硐室设置方案的合理解决途径，供煤矿设计单位和建设单位等进行借鉴和参考。

1 工程概况

国投哈密一矿矿井设计生产能力1200万t/a，矿井采用斜井开拓方式，投产时布置主斜井、副斜井、进风立井和回风立井。其中，副斜井采用缓坡斜井，井筒最大倾角5.5°，井筒全长2470m，净宽5.6m，净高4.2m，净断面积20.2m2，担负矿井全部辅助提升任务，兼作进风井和安全出口。当矿井达到1200万t/a生产能力时，设计布置2个回采工作面、2个普掘工作面和4个综掘工作面，最大班辅助运输量为43车[2-4]。

副斜井井筒内采用无轨胶轮车单车道双向行驶。井口标高+546m，落底标高+310m。在井筒+400m、+350m标高设置两个交岔点，分别与3煤、5煤北翼辅运大巷贯通；井筒落底+310m标高后，布置交岔点与7煤北翼辅运大巷贯通。各交岔点与井口、井底的间距详见表1。除两个中部交岔点外，井筒中部未设会车硐室。

表1 副斜井交岔点设置情况

2 副斜井会车硐室设置间距

对于缓坡斜井通行能力的计算，规程、规范及以往设计中尚未有成熟、定型的计算公式，而缓坡斜井运输系统也不同于地面公路运输中双车道通行能力计算，需结合煤矿缓坡斜井运输的特点进行确定。

2.1 经验公式一

2.1.1 原理及使用条件

根据《梅花井煤矿2号副斜井通行能力论证》[5]，采用式(1)计算井筒通行能力。文献[5]中原公式车辆会让时间a取0.5min，经过调研现有煤矿使用无轨胶轮车的实际情况，本次调整为a=2min。

式中，Q单为车辆在井筒第i个区间运行时通过次数，次；T为车辆运行总时间，取4.5h/班；Li为第i个区间井筒长度，m；Vi为车辆在第i个区间的运行速度，取250m/min；k为车辆运行不均衡系数，取1.3；a为车辆在井口或井底的会让时间，min。

经验公式一原理为：车辆的一次完整通行包括无轨胶轮车在井筒内往返运行和会车组成，以车辆运行时间内所能通过的车辆总次数，作为井筒的通行能力。该公式适用于包括支架搬运车之内的各类无轨胶轮车的通行计算，不受车辆种类的限制。局限性为：设定井筒内只通行一辆车，忽略了实际生产中可以几辆车同向同时运行的情况，因此计算结果偏小。

2.1.2 计算过程及结果

当矿井达到井下最大班运量43车时，根据式(1)进行反推计算得出：Li=353m，即副斜井会车硐室设置间距为353m。需要在副斜井设置5个会车硐室，其中，在井口至+400m交岔点区间内设置4个会车硐室，每个会车硐室的间距在320m左右。在+400m交岔点至+350m交岔点区间内设置1个会车硐室，位于区间中点附近，全井筒划分为8个区间。

2.2 经验公式二

2.2.1 原理及使用条件

经验公式二根据《缓坡副斜井错车硐室设置方式及间距研究》及物体加速、减速、匀速运动的物理学基本公式等[6-8]推导而成，采用化繁为简的方式，对每一步骤、参数单独进行推导计算，以便于理解和优化调整。

经验公式二原理为：从无轨胶轮车单车道运行的基本特征出发，根据每班的辅助运输量确定由地面往井下发车的频率，在此期间所有下行运料(人)车辆均按预定频率进行发车，车辆沿井筒匀速鱼贯而行，不受对向车辆会让影响，以保障井下所需物料全部到位。与此同时，从井下采掘工作面等地点返回的车辆在井底车场等候，选择下行车辆驶出井筒的空档时间上行，在与下一辆下行车辆相遇时驶入会车硐室，待会车过后驶出硐室继续上行，直至驶出井筒到达地面。

该经验公式需推算出上行车辆与下行两辆胶轮车相遇的时间间隔，结合车辆运行的速度计算出上行车辆在该时间段内所能行驶的距离，以此作为会车硐室的设置间距[6-8]。

经验公式二适用于普通材料车、人车的通行能力计算，局限性为：不适用于支架搬运车的通行计算，因为支架搬运车运行时一般不允许进行会车，且下行车辆必须按照均匀的频率下井，运行速度需保持不变，否则会车位置与硐室的位置不一致，造成无法会车。

2.2.2 计算过程及结果

1)无轨胶轮车运行密度：

Qd=K1K2Q/T

(2)

式中，Qd为单向最大小时流量，辆/h；K1为无轨胶轮车临时加开系数，取1.15；K2为车辆运行不均衡系数，取1.20；Q为井下最大班运输量，取43车/班；T为辅助提升时间，取4.5h/班。

经式(2)计算得：Qd=13.2辆/h，取13辆/h。

2)会车硐室间距：在确定会车硐室间距时，假设井筒内无轨胶轮车服从均匀分布，两个会车硐室之间车辆会让场景模型为：无轨胶轮车A位于第一个会车硐室内等待对向无轨胶轮车B驶过后加速行驶出会车硐室，正常平稳运行一段时间，遇到对向另一无轨胶轮车C后进行第二次会车，减速驶入第二个会车硐室。井筒会车模型如图1所示。两个会车硐室之间的距离即为会车硐室的最大间距[9-12]。

图1 会车模型

由图1可知，会车硐室间距为无轨胶轮车加速运行距离、平稳运行距离、减速运行距离之和，车辆加、减速运行距离可按式(3)、式(4)计算[13，14]：

工况一：加速运行距离。

式中，L加为车辆(A车)加速运行的距离，m；a0为车辆平均行驶加速度，取2.5m/s2；t0为车辆加速时间，t0=V0/a0=1.67s，其中，V0为车辆正常行驶速度，取4.17m/s。

经式(3)计算[9-11]：L加=3.49m。

工况二：减速运行距离。

式中，L减为车辆(A车)减速运行距离，m；t1为驾驶员的感知反映时间，取2.5s；t2为发动机减速时间，取2.0s；a1为发动机减速度，取1.8m/s2；a2为制动器减速度，取2.5m/s2；t3为制动时间，即车辆由发动机减速后的速度，再次减速为0所需要的时间，取t3=0.228s。

经式(4)计算得：L减=15.23m。根据计算结果，无轨胶轮车加速运行距离为3.49m，减速运行距离为15.23m。

工况三：平稳运行距离。若要计算无轨胶轮车平稳运行距离，首先要确定其平稳运行时间，车辆平稳运行时间可通过车辆与对向两个车辆相遇的时间间隔，减去加、减速时间得出。而车辆相遇的时间间隔取决于对向两辆车之间的间距、对向车辆运行速度和本车运行速度。可按下式推导计算：

本车辆(A车)加速、减速的时间和t为：t=6.40s。

对向两辆车的间距为发车时间乘以车辆速度，即：L间=1571m。

由于在本车辆加速、减速的期间内，对向车辆仍在平稳运行，因此，在本车辆加速、减速的同时，对向车辆平稳运行的距离为：L对平1=V0×t=25.02m。式中，L对平1为在本车辆(A车)加速、减速时对向车辆(C车)平稳运行的距离，m。

另外，在实际情况中，不可能做到两辆相向运行的车辆之间实现行驶期间的无缝衔接会车，本车辆到达会车硐室后，一般都会等候对向车辆一段时间，在此取1min，在此之后本车辆启动并行驶出会车硐室。在等候期间，对向车辆行驶的距离为：L对平2=V0×t4=250.2m。式中，L对平2为本车辆(A车)等候时对向车辆(C车)平稳运行的距离，m；t4为本车辆(A车)等候时间，s。

则两辆车辆同时平稳运行的总距离为：

L平=L间-L加-L减-L对平1-L对平2

(5)

式中，L平为两对向行驶的车辆同时平稳运行的总距离，m；L间为在设定条件下，两同向行驶车辆的间距，m。

会车硐室之间的最大距离为：

L会硐=L加+L减+L本平

(6)

式中，L会硐为两个会车硐室之间的距离，m；L本平为本车辆(A车)平稳运行的距离，m。

经计算，L会硐=L加+L减+L本平=657.23m。

根据计算结果，会车硐室的设置间距为657m，需要在副斜井设置2个会车硐室，会车硐室设置间距为535m，均设置在井口至+400m交岔点区间之内，全井筒划分为5个区间。

2.3 分析比较

通过计算可知，采用公式一计算的会车硐室间距为353m，设置5个会车硐室；而采用公式二计算的会车硐室间距为657m，仅需设置2个会车硐室。经分析，无论是公式一还是公式二均设定为同一区间内同时运行的车辆只有1辆。

公式一以车辆运行时间为计算依据，考虑了全部车辆返程所需要的时间，优点是计算过程简单易懂，对井筒运输调度要求较低；缺点是计算结果偏保守，结果数据仅为井筒最小通行能力，所设置的会车硐室数量较多。

公式二以路程和速度为计算依据，优点是充分考虑了车辆会让导致的加速、减速、等候等因素，充分发挥了井筒的通行能力，会车硐室设置数量较少，计算结果更加贴近煤矿生产实际情况；缺点是计算过程较复杂，对井筒运输调度、车辆驾驶等要求较高。

3 会车硐室规格参数

3.1 硐室宽度

会车硐室的尺寸根据《煤矿安全规程》《煤矿巷道断面和交岔点设计规范》《煤矿井下辅助运输设计规范》《煤矿斜井井筒及硐室设计规范》等确定[2，3，14-16]。按式(7)计算：

B硐=b1+b1+b3+b4+b5

(7)

式中，B硐为会车硐室断面宽度，m；b1为双向运行的车辆宽度，按WC8E型车辆宽度取2.34m；b3为人行道宽度，取1.3m；b4为两辆车之间的距离，取0.5m；b5为车辆与巷道侧帮的最小间距，取0.5m。

经计算，会车硐室宽度为7m。

考虑到支架搬运车的宽度一般为3.5m，鉴于支架搬运车的运行频率较低，故搬运支架时不再考虑行人需要，且在矿井实际生产过程中一般不允许两辆支架搬运车进行会车，故按一辆材料车和一辆支架搬运车进行会车考虑硐室的宽度，其中材料车在硐室内停靠，支架搬运车正常行驶。车辆与井筒侧帮的间距按0.5m考虑，此时需要的硐室宽度为：

B硐=b1+b2+b4+b5+b5=7.34m

式中，b2为支架搬运车的宽度，取3.5m。

经计算，会车硐室侧帮之间的最小宽度为7.34m，考虑到硐室拱部与运输设备之间也需保证0.5m的安全间隙，硐室宽度需取值7.5m，在井筒正常段基础上加宽1.9m。

3.2 硐室长度

根据《煤矿斜井井筒及硐室设计规范》(GB 20415—2017)要求[14]，会车硐室的长度等于或大于车长的2倍，材料运输车辆的长度一般在5.7～7.6m之间，故硐室总长度取值15.2m。由于车辆的转向运行近似于圆周形运动，若渐变段采用曲线渐变将会大大增加施工难度，且不利于与井筒连接处的支护。因此会车硐室渐变段采用直线渐变，为便于支护施工和减少渐变段的工程量，渐变段与正常段夹角取45°，故单侧渐变段长度为1.9m，由此确定硐室直线段长度为11.4m。

3.3 硐室断面及支护

设计会车硐室同样采用半圆拱形断面，其净宽7500mm，净高5150mm，净断面积约32.58m2，参考副斜井的支护方式，表土段及基岩破碎段的会车硐室采用钢筋混凝土支护方式，钢筋规格、间排距同井筒一致，浇筑混凝土厚度为600mm，强度等级为C35，基岩段会车硐室采用“锚索+锚杆+混凝土”联合支护方式。锚索采用∅15.24mm×10000mm，间排距为2400mm×3200mm，锚杆采用与井筒相同的规格、间排距，浇筑混凝土强度等级为C30，厚度为600mm，铺底混凝土强度、厚度与井筒正常段一致[16，17]。会车硐室布置如图2所示。

图2 会车硐室布置(mm)

4 结 论

对于缓坡斜井无轨运输会车硐室的长度、断面尺寸，规程、规范均作出明确的规定，比较容易确定，但硐室设置间距尚未进行明确规定。本文在总结以往专家、工程技术人员设计经验的基础上，经优化后提出两种计算公式。

1)公式一考虑了车辆下井和上井的运行时间，以往返一次所需要的时间为基础计算工作时间内的通行车次，作为井筒的通行能力，再以井下运输量反推区间的最大长度，以此确定会车硐室的间距。该公式具有计算过程简单、易于理解的特点；但按同一时间段内同一区间只运行一辆车考虑，计算结果偏小，导致会车硐室的数量偏多，基建工程量和投资偏大。

2)公式二在确定井筒通行能力时仅考虑下井车辆，由井下采掘地点返回的车辆利用下行车辆之间的距离择机上行，在相遇地点设置会车硐室，上行车辆驶入硐室进行会车。该公式从运行距离、速度等方面进行考虑，需要计算出上行车辆加速距离、减速距离等各项参数，计算步骤较多，过程较为复杂。但是依此模型计算得出的会车硐室数量比公式一少。

3)以国投哈密一矿为例，按公式一的计算结果需要布置5个会车硐室；而按公式二的计算结果仅需布置2个会车硐室，基建工程量和投资均大幅降低。但是对运行调度提出了更高的要求，即下行车辆必须按照预定的频次、速度均匀行车，上行车辆也需按预定的速度行进，否则相遇地点可能错过会车硐室所在的位置。

4)无轨运输作为未来煤矿辅助运输的发展方向之一，在运输设备朝着智能化、自动化发展的同时，也会面临长距离缓坡斜井通行能力不足带来的制约。而会车硐室可以有效提升缓坡斜井通行能力，防止运输事故发生。合理确定会车硐室的设置间距、硐室长度和断面尺寸，对于提升井筒通行能力，保障矿井辅助运输安全，降低基建工程量和建设投资均具有重要的实际意义。