斜坡道错车硐室结构参数优化研究

刘克安

（中国有色金属建设股份有限公司，北京）

我国地下矿山无轨采掘设备已得到广泛应用，采用无轨斜坡道开拓在矿山开采中起到非常重要的作用。斜坡道开拓系统相比其他开拓方式，具有生产工艺简单，矿山基建周期短，矿山基建投资少的优势[1-2]。尤其对于露天转地下的矿山以及埋深较浅的矿床，采用斜坡道开拓的优势愈加明显，如今国外大部分地下矿山都倾向于采用斜坡道开拓，国内从20 世纪90 年代起也开始兴起无轨采掘设备斜坡道开拓技术的发展[3]。地下无轨采掘设备具有机动灵活、操作简单、装卸方便、运输速度快、运输量大、效率高等优点，在我国新建大型矿山中得到广泛应用[4]。为了使斜坡道运输能力与矿山生产规模相匹配，需要在降低基建开拓投资的条件下，尽可能提升斜坡道的通行能力及运输能力。斜坡道运输能力受到巷道断面尺寸的限制，以及主要运输设备选型配置的影响，在地下特殊作业环境中，合理的斜坡道错车硐室结构参数设置，可以提升斜坡道运输设备的通行能力，提高地下矿山的生产效率。

1 工程背景

国外某大型地下铅锌矿，矿体埋藏较浅，开拓深度小于300 m，设计生产规模100 万t/a，采用斜坡道开拓方式，无轨设备运输。斜坡道布置于矿体下盘，采用折返式向下延深，出口位于矿体北部，斜坡道总长度约为2 km。斜坡道断面根据运行期间无轨设备外形尺寸及通风要求确定，并且满足基建期的设备悬挂与运输要求，设计的斜坡道直线段的净断面规格（宽×高）：5 000 mm×4 200 mm。按照规范要求斜坡道应设躲避硐室或人行通道，设置人行道的主斜坡道行车视野更优，行车速度更快。因此，在斜坡道一侧设置人行通道。斜坡道开拓系统示意如图1 所示。

图1 斜坡道开拓系统示意

2 斜坡道运输能力

将道路通行能力应用于矿山斜坡道，则可验证斜坡道的运输能力，需首先计算斜坡道的行车密度，再根据汽车的有效运输时间计算出斜坡道的运输能力[5]。斜坡道开拓的矿山中，斜坡道需担负全矿的矿石、废石、人员、材料和设备的运输，斜坡道运行设备情况统计如表1 所示。斜坡道的行车密度和卡车载重是斜坡道运输能力的两个主要影响因素，经过对斜坡道运输能力计算[6]，矿山斜坡道的行车密度约为14 辆/h。斜坡道行车密度计算如表2 所示。

表2 斜坡道行车密度计算

3 错车硐室的结构形式

斜坡道错车硐室的结构形式有T 型错车硐室和平行错车硐室两种形式，错车硐室的主要功能是满足单行斜坡道内的对向行驶车辆的错车，其次还要作为斜坡道基建开拓期间的存矸、出矸硐室。错车硐室的结构尺寸考虑井下最大铲装运输设备的外形尺寸，本工程中斜坡道基建开拓期间采用30 t 矿卡搭配10t 铲运机出矸，生产期采用42 t 矿卡搭配14 t 铲运机完成出矿，设备最大外形尺寸为长×宽×高：11 m×3.05 m×3.14 m。

斜坡道错车硐室的位置应布置于斜坡道直线段，坡度近水平便于车辆停靠错车，斜坡道联络道与分段巷道衔接处可设置错车硐室，兼做错车硐室及联络道入口。根据设备的运输尺寸并考虑安全间隙，T 型错车硐室沿斜坡道方向的总长度25 m（包含斜坡道正常段10 m），错车及存矸硐室长度15 m，错车硐室与斜坡道衔接处切3 m×3 m 等边三角，以满足设备转弯半径需求，衔接处顶板挑高7 m，满足铲运机装车需求。T型错车硐室的结构形式如图2 所示。平行错车硐室沿斜坡道方向的总长度25 m（包含斜坡道正常段6 m），按照最大车宽3.2 m 的两倍、两侧安全间隙0.6 m 的两倍及错车安全距离1 m 考虑，平行错车硐室的宽度8.6 m，加宽存车段长度13 m，存矸硐室长度12 m，斜坡道与错车硐室衔接处切3 m×3.6 m 斜三角便于错车，错车硐室顶板挑高6 m，以满足铲运机装车需求。平行错车硐室的结构形式如图3 所示。

图2 T 型错车硐室结构

图3 平行错车硐室结构

斜坡道两种错车硐室的空顶面积均较大，对于大断面错车硐室的支护设计，巷道支护暂按Ⅲ级围岩进行设计，采用锚杆+喷射混凝土支护+钢筋网随掘进进行初次支护，锚杆采用φ47.5×3 管缝式锚杆，锚杆长度L=2 400 mm，间排距1.0 m×1.0 m，钢筋网片100 mm×100 mm×6 mm，喷射混凝土厚度150 mm，强度为C25；在错车硐室全部掘进完成后，采用锚索进行二次加固支护，锚索采用两根直径15.2 mm 锚索，长度6 300 mm，间排距2 000 m×2 000 mm，使用锚索台车完成支护工作。若遇到含水层、局部不稳定、破碎岩层段，根据围岩条件调整错车硐室的位置或改变支护参数。

相比斜坡道T 型错车硐室和平行错车硐室，两种错车硐室在具体工程应用中各有优劣，T 型错车硐室的掘进及支护工程量小，顶板暴露面积小易于顶板支护，施工较为简单不影响斜坡道的建设进度，平行错车硐室的基建开拓量较大，但是平行错车硐室的通行能力大，错车过程也更为安全高效。两种错车硐室的对比结果详见表3。对于本工程斜坡道运输能力的实际需求，斜坡道内行车密度较大，适合采用平行错车硐室结构形式。

表3 两种错车硐室的对比结果

4 斜坡道交通信号管控系统

斜坡道通过交通信号控制系统，以车辆优先级别为控制规则，能够引导斜坡道内行车规范，提升斜坡道内车辆通行能力和运输效率，有效减少斜坡道运输事故的发生[7]。斜坡道交通信号管控系统由交通灯控制和车辆精确定位两个部分组成，车辆定位和人员精确定位系统是同一套系统，交通灯控制软件通过车辆精确定位系统对井下车辆进行实时的跟踪定位，获取车辆的类型、位置变化得到车辆运行轨迹等信息；系统软件通过获取的井下车辆实时位置信息结合井下车辆行驶规则判断出井下各路口信号灯的颜色，从而以既定的交通原则指令通过网络传送到各区域的交通灯控制器，实现井下交通灯智能化管控。斜坡道交通信号控制系统如图4 所示。

图4 斜坡道交通信号控制系统

斜坡道交通信号控制系统的逻辑依据车辆通行的逻辑，斜坡道内车辆通行的逻辑为“轻车让重车、小车让大车、下行车让上行车”。在斜坡道内两车相向而行，上行车辆与下行车辆错车避让在错车硐室内进行，上行车辆一般是连续行驶的重车，因此以下行车辆避让上行车辆为原则，当下行车辆和上行车辆同时相向驶向单行区段2，当下行车辆下行越过信号灯6，进入避让点3 时，信号灯4 为红灯，提示下行车辆提前到避让点2 避让，交通控制系统控制逻辑示意如图5 所示。当小车与大车相遇时，实时定位车辆的位置，根据车辆的类型确定优先级，以同样的控制逻辑控制交通信号灯，实现斜坡道内车辆在错车硐室内的合理避让。

图5 交通控制系统控制逻辑示意

5 结论

本文以国外地下矿山斜坡道内错车硐室的合理设置为背景，通过分析得出以下几点总结：

（1） 对于该矿山斜坡道的行车密度进行计算，矿山斜坡道的行车密度约为14 辆/h，可见单一斜坡道的行车密度比较大，需要设置合理的错车硐室，以提升斜坡道的通行能力。（2） 对比斜坡道T 型错车硐室和平型错车硐室的结构形式，分析认为平行错车硐室的通行效率高，适合于该矿山单一斜坡道的运输需求。（3） 通过设置斜坡道交通信号管控系统，按照规定的行车优先级控制原则，能够提升斜坡道的通行能力和运输效率。