安全高效智能化矿井无轨运输条件的优化与应用

郑爱午

（晋能控股煤业集团有限公司，山西 大同 037100）

引言

随着煤矿运输设备不断的升级改造，装备已经达到较高的水平，但是在现实生产应用中由于运输条件的设计把关不严格，设施设计不合理等原因，使得设备的性能没有得到充分发挥，应有的作用未明显表现出来，其中问题最为突出的设备是无轨胶轮车，在井下常常出现堵车、与墙面触碰、转弯困难、连续性差等现象。

基于上述现象，要想实现安全、高效、智能、连续的无轨运输，必须对运输条件进行合理的优化，才能充分发挥无轨胶轮车的性能[1-6]。

1 影响无轨运输条件因素的分析

通过现场调研与因素的辨识，影响无轨运输条件的主要因素有以下7 方面：

1）矿井开拓方式是无轨胶轮车运输能否实现井上、下连续运输的主要指标；

2）巷道断面、硐室是无轨胶轮车运输能否实现畅通运输的主要指标，在矿井辅助运输效率、安全方面占主导地位；

3）巷道坡度是无轨胶轮车运输能否实现安全、高效的主要指标；

4）巷道变坡点与转弯半径是无轨胶轮车能否运输的重点指标；

5）巷道路面是无轨胶轮车运输能否顺利通行的重点指标；

6）信息化系统是无轨胶轮车运输能否实现智能化的主要指标，在矿井辅助运输调度、智能运行方面占主要地位；

7）巷道标识是无轨胶轮车能否实现安全、规范运输的主要指标，在指导无轨胶轮车司机驾驶方面占较高的地位。

2 安全、高效、智能运输条件的设计

2.1 开拓方式及井筒规划

矿井开拓一般会根据井筒的不同划分为斜井开拓、平硐开拓和立井开拓3 种形式，无轨运输的矿井优先选用斜井或平硐开拓方式，但是选用立井开拓时提升井筒应满足所有车辆能够顺利上下井的尺寸要求（建议选用井筒直径不小于9.6 m）。

2.2 巷道断面、硐室

无轨运输巷道优先按单车道单车运输和双车道双车运输设计，运行的安全间距（b、c、e）不得小于0.5 m，人行道的宽度a 不得小于1.0 m（见图1、下页图2 所示），综合上述要求：单向行驶的巷道净宽不得小于矿井使用最大车辆宽度加1.5 m 之和，巷道的净高不得小于车辆拉运设备后最高点高度加0.5 m之和；双向行驶的巷道净宽不得小于矿井使用两个最常用车辆宽度加2.0 m 之和，巷道的净高不得小于车辆拉运设备后最高点高度加0.5 m 之和。

图1 单车道单向巷道

图2 双车道双向巷道

无轨胶轮车运输巷道内每隔300～500 m 设置1个错车硐室（会让硐室），错车硐室的间距应根据矿井实际产量确定，产量越大的矿井间距应越小，硐室内宜配置加水点和加气点；尽头式的硐室断面、深度应根据井筒或巷道宽度和运行车辆的外形尺寸确定，确保会让硐室停车时，不得妨碍井筒或巷道正常通行车辆的通过，且两车会车间距不小于0.5 m；巷道加宽布置时，加宽后的巷道总宽度应满足车辆双车道双向行驶方式，硐室长度应根据实际需要确定，但至少不小于会让车辆2 倍的长度。

无轨胶轮车运输巷道内每隔300 m 设置一个人员躲避硐室，在300 m 间距附近有可以利用的硐室或巷道符合躲避硐尺寸时，可不另设躲避硐。

采用无轨和有轨的混合辅助运输方式时，两种运输方式的交接处，设置换装硐室，有快捷、方便的换装手段，加装翻轮机与起吊装置，并且将矿车改装成无轨胶轮车车厢结构，方便两者互换装卸；路面硬化时应采用轨道埋入的方式，使得轨面与混凝土路面齐平，对于道岔的岔尖和转辙部分应设置护轨保护。

2.3 巷道变坡与交岔点

车辆通过凹凸型坡度时，路面所需倒角半径与凹凸型变坡点的变坡角、车辆的轴距、离地间隙等有关，变坡参数如图3、图4 所示。

图3 凸形变坡

图4 凹形变坡

当巷道凸形变坡角θ≤2arctan（2n/D）时，路面不需要倒圆角，车辆即可通过。

当θ≥4arctan（2n/D）时，路面的倒圆角半径必须满足下列公式（1）要求，车辆才可通过。

当2arctan（2n/D）＜θ＜4arctan（2n/D）时，路面的倒圆角半径必须满足下列公式（2）要求，车辆才可通过。

当巷道凹形变坡角θ≤β 时，车辆可直接通过。当巷道凹形变坡角β＜θ＜2β 之间时，巷道路面的倒圆角半径必须满足下列公式（3）要求，车辆才可通过。

当巷道凹形变坡角θ≥2β 时，巷道路面倒圆角半径必须满足下列公式（4）要求，车辆才可通过。

式中：B 为巷道的宽度，m；θ（θ1、θ2）为变坡角，（°）；D为车辆轴距，m；n 为离地间隙，m；β 为车辆接近角β1与离去角β2的较小角，（°）；k 为调整系数，按照经验取0.3。

车辆在转弯时，车身内外侧与巷道壁的安全间距不得小于0.5 m（如图5 所示），不同巷道宽度、不同巷道夹角时，转弯处的倒圆角要求不同，其计算公式为：

图5 交岔点

式中：R 为巷道转弯处设置倒圆角半径，m；B 为车辆边缘至巷道壁突出物最小距离，m；R1为车辆的最小外转弯半径，m；R2为车辆最小内转弯半径，m；R3为车辆尾部最突出部分的最小转弯半径，m；θ 为转弯巷道的夹角，（°）；

综合以上公式，转弯处倒角足够大（外转弯半径不得小于10 m，内转弯半径不得小于7 m），不妨碍车辆转弯。

2.4 巷道路面和坡度

安全高效矿井要求无轨胶轮车运输巷道坡度必须小于6°，当局部坡度超过10°，路面应做防滑处理；当连续坡度超过500 m 时，应设置15～20 m 水平缓冲段。

井底车场、主要的辅助运输大巷、采区集中运输巷线路路面宜采用强度为C30 的混凝土铺设300 mm 厚，采区主要准备巷道宜采用C20 混凝土铺设150～200 mm 厚。采用支架搬运车准备、搬家的工作面切眼转弯处应采用钢筋混凝土的硬化方式，强度不得低于C30，铺设厚度不得小于300 mm。

巷道有底臌现象，在硬化路面时应将螺纹钢筋硬化在混凝土中，若巷道局部底臌非常严重，可用石子或三七灰土做基础夯实。

2.5 信息化系统

无轨胶轮车运输系统信息化做到矿井全覆盖，以精准定位为基础，依托无线通讯、智能调度和地理信息系统的平台，实现路径智能规划、无线调度通讯、车辆实时监控、运输任务指令下达、违章行为自动抓拍、信号的自动开放和闭锁等功能。主要设备在停电的情况下应有4 h 的续航能力，采用高速、宽带的工业以太网、现场总线、无线通信网络等，配置高可靠、抗干扰、快速的服务器，交换机、路由器等网络传输设备。当运动速度达20 km/h 时，重点区域空间定位误差不大于1 m，同时跟踪目标不小于2 000个，要求抗干扰能力强、无误码、无漏检、分辨率达到0.3 m。

无轨运输监控系统能实现井下车辆位置和重量的自动感知，红绿灯信号的自动控制，为井下各地点车辆提供正确的运行路线行驶或提前避让，达到故障监测、自动报警和智能调度，实现移动机车的可视化调度。

2.6 标识系统

标识主要分为四类，分别是禁止标志，警告标志，指令标志，路标、名牌、提示标志。其中：禁止标志是指禁止或制止人们的某种行为的标志；警告标志是指警告人员注意可能发生危险的标志；指令标志指人员必须遵守某种规定的标志；路标、名牌、提示标志：告诉人们目标方向、地点的标志。各类标志应符合GB 2984—2008《安全标志及其使用导则》、GB 14161—2008《矿山安全标志》、GB 5768《道路交通标志和标线》、AQ 1017—2005《煤矿井下安全标识》规定。

在巷道转弯处或驾驶员视线受阻区段，应设限速、鸣笛标志；人员躲避硐室、车辆停放处、车辆会让（错车）硐室、调头硐室、检修硐室、加油硐室、换装硐室等附近上方或两侧应设置提示标志；在各巷道、硐室入口处的限高、限宽等标志；无轨胶轮车运输巷道各岔口、错车点、弯道、车场等处设有行车指示等安全标志和信号；有轨运输与无轨运输交叉处危险路段设置有限速和警示装置；无轨胶轮车运输巷道和路面应当设置行车标识和安全标识，能够准确指示、警示和引导驾驶、乘车人员安全运输。

3 工程实践

由于上述运输条件还未在同一个矿井完全实践，因此按照运输条件进行分类说明实践效果。

1）塔山矿采用平硐的开拓方式，井上、下实现了连续运输，运输效率较高；无轨运输巷道的坡度较小（平均坡度3°），实现建矿以来15 年辅助运输“0”事故的安全运输；无轨运输巷道内严格按照300 m的要求设置了车辆会让硐室，堵车现象极其少见，实现了车辆高效运输；建立无轨胶轮车智能调度平台，引进了UWB 精准定位系统，实现井下网约车模式，充分利用在用车辆，发挥出最大的作用。

2）马脊梁矿采用立井开拓方式，井筒直径9.6 m，罐笼尺寸（7.7 m×3.78 m×4.68 m），完全满足综采搬家准备期间的上、下井运输，实现井上、下连续运输，提高了运输效率，并且杜绝了车辆在井下加油、检修现象，充分保障井下用车安全。

3）三元中能矿采用副斜井与立井开拓方式，副斜井采用有轨运输，井下采用无轨运输，井底车场设置了翻轮机，混凝土的材料可以直接转载到无轨胶轮车上，转载效率提高了1 倍；但是该矿立井井筒直径8.2 m，罐笼尺寸（6.3 m×4.5 m×3.8 m），不能满足综采搬家准备期间的上、下井运输，无法实现连续化运输。

4）盛泰矿采用副斜井开拓方式，辅助运输方式为有轨与无轨混合运输，井底车场设置起吊装置，并且将矿车与无轨胶轮车车厢改造成统一形状，可以实现直接换装，极大提高了换装的效率。

5）大通矿采用副平硐开拓方式，井下约有10 处转弯，在第6 个转弯处，转弯角度成锐角，且转弯半径较小，原倒圆角半径2 m，转弯时一次性过不去，最后计算将转弯半径扩到7 m，目前所有的车辆均能一次性顺利通行。

6）孙家沟矿采用副斜井开拓方式，井下辅助运输巷道坡度变化起伏较大，但是变坡点倒圆角半径都在10 m 及以上，车辆不存在触碰底盘的现象。

7）马道头矿采用副斜井开拓方式，副斜井全长3 200 m，坡度5.5°，平坡段4 处，平均每800 m 一个，错车硐室14 个，且错车硐室均安装了静压水管，实现无轨运输高效运行。