渭北松软煤层开采辅助运输系统优化设计

杨彦宏

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

渭北石炭二叠纪煤田是陕西省五大煤田之一，澄合矿区位于渭北煤田的中段，该区域煤层松软，开采技术条件复杂，区内矿井辅助运输效率普遍较低。西卓煤矿为澄合矿区新建矿井，建设规模3.0Mt/a，2009年开始动工，2014年停工整顿，原设计为节省投资，主要生产系统力求节约，辅助运输采用蓄电池电机车+无极绳连续牵引车运输方式。2019年矿井开始恢复建设，建设单位重新定位矿井建设理念，倾力打造渭北复杂地质条件智能化精准开采绿色高产高效示范矿井。为提高矿井辅助运输效率，针对矿井松软煤层开采条件，在已完工程基础上，对辅助运输系统进行优化设计，力求高效集约，运行稳定。

1 工程概况

1.1 地质条件

西卓煤矿位于澄合矿区东部，行政区划属合阳县城关镇管辖，由陕西陕煤澄合矿业有限公司开发建设。井田面积33.4178km2，地质资源量287.01Mt，主要可采煤层4、5号煤层，煤类为变质程度较高的贫煤类。煤层瓦斯含量低，瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井，II类自燃，煤尘具有爆炸危险性，水文地质条件复杂，顶底板中等稳定，大部处于一级热害区，局部处于二级热害区。

1.2 井田开拓布置现状

矿井采用立井开拓，初期在工业场地布置主立井、副立井和回风立井，后期风井场地布置进、回风立井。由于4、5号煤层间距较近，设计采用4、5号煤层联合布置，分盘区设置盘区巷道。根据通风、辅助运输要求，盘区巷道共设5条，分别为一盘区1、2号辅助运输巷、1、2号回风巷和运输巷。全井田划分为4个盘区。

目前，矿井部分工程已完工，井底环形车场已形成，部分硐室已施工完成，副井提升系统、排水设备、主通风机等大型固定设备已安装。

2 矿井辅助运输条件

1)地层及煤层倾角。井田地层为倾向北西、具波状起伏的单斜构造。产状平缓，地层及煤层倾角一般4°～9°。浅部局部区域5°～9°，其他区域均为近水平。

2)煤层条件。主要可采煤层4、5号煤层，4号煤层平均可采厚度0.80～3.23m，平均1.65m，个别钻孔含1层夹矸，夹矸厚度0.1～0.2m。5号煤层可采厚度1.97～8.59m，平均5.15m，含1～3层夹矸，夹矸厚度0.2～0.6m。4、5号煤层间距4.50～11.90m。煤层松软，根据测试结果，煤层普氏系数0.4左右。

3)辅助运输巷顶底板岩性。矿井投产时开采4、5号煤层，由于煤层间距较小，盘区巷道采用联合布置，根据通风、辅助运输要求，盘区巷道共设5条，分别为一盘区1、2号辅助运输巷、1、2号回风巷和胶带运输巷。其中，1、2号辅助运输巷沿4号煤层顶板掘进，为半煤岩巷。巷道顶板为粉砂岩顶板，属半坚硬岩石，中等稳定不易冒落，巷道底板为4-5煤层间夹层，多为砂质泥岩、粉砂岩及砂岩，中等稳定。

4)初期开采最远运输距离。初期开采一盘区，盘区巷道长度2550m，工作巷最大长度2950m，辅助运输最远运输距离6000m。

5)辅助运输最大件参数。矿井最大件重量、尺寸等参数影响辅助运输系统设计。通常，液压支架为矿井辅助运输的最大件。投产时，矿井在4、5号煤层各布置综采工作面。5煤大采高综采工作面选用ZY10000/25.5/55型掩护式液压支架，支撑高度2.55～5.5m，工作阻力10000kN，重量30t，运输尺寸(长×宽×高)7975mm×1660mm×2550mm。4煤综采工作面选用ZY4000-9/19型掩护式液压支架，支撑高度0.9～1.9m，工作阻力4000kN。重量暂按20t，运输尺寸5300mm×1 430mm×900mm。

6)提升罐笼尺寸。该矿井采用立井提升，副井筒直径8.2m，井深620.8m，装备2套非标设计的罐笼+平衡锤提升容器。宽罐笼6810mm×2000mm×4200mm(2200)，窄罐笼5810mm×1400mm×3100mm(2200)，目前，副立井已装备完成。

7)辅助运输量。根据巷道布置与支护方式及采掘进度，矿井投产时，井下布置1个薄及中厚煤层综采工作面、1个大采高综采工作面，4个综掘工作面，1个普掘工作面。年巷道掘进工程量12000m。辅助运输主要包括支护材料、矸石、设备及人员，大件设备为液压支架。井下最大班辅助运输量见表1。

表1 井下最大班辅助运输量

3 辅助运输方式选择

3.1 无轨胶轮车运输

1)无轨胶轮车直达运输。地面和井下全部采用全无轨运输系统。运输环节要求：为方便液压支架等大件设备直接下井，提升罐笼宜采用超宽罐笼+交通罐布置；辅助运输巷坡度宜小于6°，每隔500m设错车硐室；井下设胶轮车存放硐室、检修硐室等。

2)蓄电池电机车+无轨胶轮车。地面及井底车场调度采用蓄电池电机车调度，大巷及主运输巷采用无轨胶轮车运输。运输环节要求：除巷道坡度、错车硐室、存放硐室、检修硐室外，需增设换装硐室。需硬化盘区和工作面运输巷底板。无轨胶轮车选型：WC5E型5t胶轮车10辆，WC3J(C)3t胶轮车5辆，TY6/20FB型人员运输车5辆，WC7RE型生产指挥车3辆，消防洒水车2辆，运管车1辆。WC40Y型支架搬运车2辆，WC40EJ型支架铲运车2辆。合计30辆。

3.2 蓄电池电机车+无极绳连续牵引车

地面及井底车场调度采用蓄电池电机车调度，盘区及工作面运输巷采用无极绳连续牵引车运输。运输环节要求：局部设一定数量的小型调度绞车，如在坡度变化剧烈处，在连续拐弯处等；井底车场与大巷连接处设换装硐室、绞车硐室等。无极绳连续牵引车选型：选用4套SQ-90/160P无极绳连续牵引车，2套SQ-80无极绳连续牵引车，配备300辆矿车及平板车，辅助运输巷铺设地轨。

3.3 蓄电池电机车+单轨吊运输

地面及井底车场调度采用蓄电池电机车调度，盘区及工作面运输巷采用单轨吊运输。运输环节要求：井下设单轨吊存放硐室、换装硐室、检修硐室等。单轨吊车选型：选用2台DC120Y柴油机单轨吊，2台DX100的蓄电池单轨吊车，2台DX80蓄电池单轨吊车。配备专用轨道、弯轨15500m，各类起吊梁16套，人车8辆。同时配备矿车、平板车及集装箱300辆。

3.4 方案技术经济比较

考虑到该矿井副井提升罐笼已安装，井底车场轨道系统已形成，如果矿井采用全无轨运输方式，存在罐笼过窄(宽罐宽度仅2m)，无轨设备进出罐笼困难，需特制；窄罐笼及宽罐笼上层罐仅用于提人，闲置时间较长；宽罐笼下层罐提升能力紧张；井上下操车设备及罐笼内轨道需进行改造等问题。因此，本次设计选用6辆CDXT2y-8J防爆型蓄电池电机车，实现地面及井底车场的车辆调度。现对盘区及工作面运输巷采用无轨胶轮车、无极绳连续牵引车、单轨吊运输进行方案比较。

3.4.1 技术比较

1)无轨胶轮车。优点：运输灵活，环节简单，可以实现盘区和工作面运输巷一条龙运输，根据运输人员、设备、物料、矸石等需求选择不同的车辆。缺点：换装硐室断面大，换装环节复杂；巷道底板需硬化；会车、掉头路段需拓宽巷道设错车硐室，巷道支护成本高；油耗大，维护费用高，运营成本高；对井下通风要求高，通风费用高；初期投资大。

2)无极绳连续牵引车。优点：初期投资低，经济实用，运行费用低；对巷道要求低，能适应巷道起伏变化。缺点：运量小，转载次数多、运输环节复杂；工作面搬家时间长；运输人员困难；不利于长距离运输；绳牵引轨道运输系统可靠性低。

3)单轨吊。优点：巷道顶板吊装，不受软弱底板的影响；可以实现盘区和工作面运输巷连续一条龙运输；运输系统可靠性高；换装环节相对简单。缺点：顶板支护强度要求高；巷道断面高度要求高，设备安全间距大；辅助运输量大时，盘区巷道需设会车双轨段；运输矸石不方便。

3.4.2 经济比较

由于该矿井巷道坡度较小，采用无轨胶轮车、无极绳连续牵引车、单轨吊运输巷道断面基本相同，井巷投资主要差异为硐室及基础不同，无轨胶轮车与单轨吊均需布置换装、存放、检修硐室，无轨胶轮车硐室断面、长度相对较大，工程量大。无极绳绞车除绞车硐室外，需布置设备基础。经计算，无轨胶轮车硐室工程量及投资最大，无极绳绞车硐室及基础工程量与单轨吊硐室工程量及投资接近。辅助运输方式投资对比见表2。

表2 辅助运输方式投资对比(可比部分)

按照前述三种辅助运输方式设备选型，估算设备投资，由于无轨胶轮车各运输车辆功能分开，所需车辆数量最多，约30辆，无极绳、单轨吊为巷道固定设备，按一条辅助运输巷配备1套设备，每条工作面巷道配备1套设备考虑，各配备6套设备。

设计从人工、电耗、油耗及维护费用等方面估算运营费用。无极绳连续牵引车除配备绞车司机和维护人员外，考虑辅助小绞车司机及维护人员；无轨胶轮车、单轨吊车除每车配备司机外，需配备一定数量的检修维护人员。电耗、油耗根据机车功率、年运行时间估算，维护费用根据运行过程中轮胎、刹车、配件等消耗量估算。辅助运输设备年运营费用对比见表3。

表3 辅助运输设备年运营费用对比 万元/a

因无轨胶轮车总投资和总运营费均最高，因此，综合经济投入最大。综合比较无极绳连续牵引车、单轨吊车增量投资收益率R=(C1-C2)/(I2-I1)=(399-208)/(3775-2593)=16%>10%(基准收益率)。因此，经济性单轨吊>无极绳连续牵引车>无轨胶轮车。

总体来看，单轨吊运输与传统地轨及无轨运输相比，无需考虑底板条件的影响；安全性高，无需考虑掉道的影响；并且运输效率相对较高，无需考虑中间转载环节，可以实现盘区和工作面连续运输，井巷、设备投资中等，运营成本低。经综合技术经济对比，设计推荐盘区和工作面采用单轨吊运输。

4 单轨吊设计选型

4.1 单轨吊运输效率

考虑一台机车运输一个工作面巷道，按投产盘区初期最远运输距离考虑，运输总长度为6000m，往返一趟的总路程为12000m，核算单辆单轨吊机车的运输效率，见表4。

表4 单轨吊运输时间计算表

按照矿井工作制度，3班生产1班检修，每班更换加油、充电一次，每次30min，检修时间30min，每班有效运输时间5h，每天有效运输时间20h，一辆单轨吊机车每天可运输8趟，运载矿车48车左右，运输支架5架。根据矿井辅助运输量，需要配置支架运输单轨吊机车2台，物料、设备、人员运输单轨吊机车2台。

4.2 机车牵引力

机车牵引单轨吊车运输能力为：

F1=(m1+m2+m3)(sinα+ωcosα)gn

式中，m1为机车总重量，t；m2为运输物料或设备的总重量，t；m3为重载提升梁重量，t；α为巷道最大坡度；按9°估算；ω为机车运行阻力系数，取0.03。

4.3 机车制动力

机车运送液压支架的下滑力为：

F2=(m1+m2+m3)(sinα-ωcosα)gn

机车所需制动力为：

FZ=KF2

式中，K为防滑系数，一般取2.2。

单轨吊机车按照不同的运输对象，配备不同的起吊梁，本矿井运输最大件液压支架重量30t，根据辅助运输量，该次设计按照支架运输单轨吊机车配备30t起吊梁，物料设备及人员运输单轨吊机车配备3×6t起吊梁(运输物料、普通设备，自重3×1t，载重3×6t)、2台16座人车(运输人员，自重2×1.35t，载重32×0.1t)分别对单轨吊机车牵引力和制动力进行选型计算。见表5。

表5 单轨吊机车牵引力和制动力计算

根据选型计算，运输支架的单轨吊机车牵引力需超过90.26kN，运输普通物料、设备的单轨吊机车牵引力需超过61.08kN，运输人员车的单轨吊车牵引力需超过33.55kN。

根据选型计算，运输支架的单轨吊机车制动力需超过135.33kN，运输普通物料、设备的单轨吊机车制动力需超过91.58kN，运输人员车的单轨吊车牵引力需超过50.30kN。

4.4 单轨吊机车选型结果

为确保液压支架等大件运输系统可靠性，避免采掘工作面辅助运输的干扰，设计选用2台DC120Y型柴油机单轨吊机车，2台DX100型蓄电池单轨吊车，2台DX80单轨吊车。牵引力、制动力可以满足设计要求。

4.5 单轨吊配套设备选型

1)选用6t起吊梁运输矸石、散料、锚杆等材料，每个单轨吊机车配套3套6t起吊梁进行运输，6台蓄电池单轨吊机车共配备18套6t起吊梁。

2)每台DC120Y、DX100单轨吊机车各配1套30t起吊梁运输液压支架，共配备4套30t起吊梁。

3)每个单轨吊机车配套选用2台16人座人车运输人员，单趟最多运输人员32人。4台蓄电池单轨吊机车共配备8台16人座人车。

4.6 井下轨道系统

井下主要轨道系统包括井底车场蓄电池电机车轨道系统、盘区辅助运输巷单轨吊轨道系统、工作面单轨吊轨道系统。辅助运输系统及硐室布置如图1所示。

图1 辅助运输系统及硐室布置

1)井底车场蓄电池电机车轨道。井底车场铺设地轨，900mm轨距，30kg/m。

2)盘区单轨吊轨道。单轨吊轨道一般采用德国工业标准(DIN20593)的专用轨道。目前，市场上有2种轨道可供选择，DIN I140E轻轨(26.4kg/m)和DIN I140V重轨(36.4kg/m)。根据矿井辅助运输重量参数，投产在盘区1、2号辅助运输巷、5号煤工作面回风巷布置DIN I140V重轨标准直轨，每根轨道长2.4m，宽69mm，高198mm，中板厚8mm；屈服强度大于等于350MPa，抗拉强度490～630MPa。轨道总长度约7500m。(考虑轨道进切眼、转载区、充电硐室、检修存放硐室)。

4号煤工作面巷道、5号煤工作面运输巷选用DIN I140E轻轨标准直轨，轨道总长度约8000m。同时，在巷道转弯处配套布置弯轨与直轨连接。每根弯轨的两侧为法兰连接，法兰上方为三个悬吊点，中间的悬吊点为主要承载悬吊点，两侧的悬吊点为侧拉防倾悬吊。根据盘区巷道布置，I140E弯轨共配备14套，I140V弯轨共配备8套，5根/套。

单轨吊直轨采用扣接方式连接，轻轨采用单链双锚杆连接，重轨采用双链双锚杆连接，单根锚杆锚固力大于等于150kN，安装前对锚杆、吊挂紧固件、链条、U型环、吊耳做不小于150kN的集中载荷试验，确保轨道具有应有的承载能力。

为保证单轨吊的运行，巷道坡度小于5°时每10根轨道(24m)做一次轨道横拉，巷道坡度大于5°时，适当增加轨道横拉数量。

5 硐室设计

为满足单轨吊机车的存放、检修、充电等需要，并实现与轨道运输系统的换装，结合盘区巷道布置情况，确定单轨吊硐室位置。硐室位置见图1。

5.1 换装硐室

单轨吊机车轨道架空，具有起吊功能，与轨道运输装备之间的转载非常便利。设计在井底车场与盘区巷道连接位置附近设置单轨吊换装硐室，采用通过式布置方式，硐室长71.857m，宽5.6m，高5.0m，采用锚网索喷+混凝土支护。换装硐室布置如图2所示。

5.2 充电硐室

设计在井底车场布置机车充电检修硐室，担负蓄电池电机车和蓄电池单轨吊充电任务，硐室内设充电台，进出口均设防火栅栏两用门，进口与井底车场巷道相连，出口与回风大巷相连，实现独立通风，硐室长度45m，宽度6m，高度5m，采用混凝土+锚网索喷支护。

图2 换装硐室布置图

5.3 单轨吊检修存放硐室

在一盘区1号辅助运输巷与一盘区1号回风巷联络巷设单轨吊检修存放硐室，进口设防火栅栏门，出口设调节风门，实现独立通风，硐室内留足检修存放间距，容纳2～3辆单轨吊机车，列车和列车之间设人行道，并设工具室、灭火装置和专用照明设施，硐室长度105m，净宽度5.5m，净高度4.4m，锚网索喷+U型棚支护。

6 结 论

1)渭北煤田煤层松软，倾角小，为便于巷道支护和维护，巷道多选择沿煤层顶板掘进，顶板多数较稳定，有利于单轨吊的运行。

2)矿井副井提升罐笼已安装，井底车场轨道系统已形成，综合技术经济对比，无轨胶轮车效率最高，但投资和运营费用最高；无极绳连续牵引车运输环节复杂，运输效率低，人工成本高；单轨吊运输系统简单，效率相对较高，投资中等，运营成本低。因此，设计选择蓄电池电机车+单轨吊作为矿井辅助运输方式。

3)设计选用6辆CDXT2y-8J防爆型蓄电池电机车，2台DC120Y柴油机单轨吊，2台DX100的蓄电池单轨吊车，2台DX80蓄电池单轨吊车。并配备专用轨道、弯轨15500m，各类起吊梁16套，人车8辆。同时配备矿车、平板车及集装箱300辆。

4)在井底车场与盘区巷道连接处位置附近分别设置单轨吊换装硐室、机车充电硐室、单轨吊检修存放硐室。