单轨吊在四侯煤业辅助运输系统中的应用

袁 扬

(中赟国际工程有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

随着煤矿综采、综掘的机械化和智能化，井下辅助运输设施对煤矿生产效率的影响越来越重要。要提高煤矿生产效率就必须优化辅助运输系统，使辅助设施在最短的时间内利用最佳的运输方式输送到井下的工作面位置，实现煤矿井下辅助运输智能化运行[1-3]。以往的研究主要限于对传统绞车运输、单轨吊机车类型和设备构成等，如文献[4]对传统绞车接力运输和单轨吊运输分别从安全与效率、经济效益方面进行了分析与对比；文献[5，6]介绍了单轨吊机车运输系统组成、基本构造与工作原理；文献[7]对单轨吊辅运系统驱动方式及关键结构设计进行了探讨；文献[8]对单轨吊系统散料换装、轨道悬吊、调车和车场布置等进行了介绍。

本文以四侯煤业接替采区15号煤一采区井下辅助运输系统为例，介绍了单轨吊机车运输与传统辅助运输两种解决方案，从安全与效率、经济效益及优缺点等方面进行对比和优选，最终确定采用单一运输方式单轨吊机车运输更适合接替采区15号煤一采区井下辅助运输，并运用理论计算法对单轨吊机车进行了选型设计。

1 四侯煤业辅助运输系统概况

四侯煤业现开采3号煤，水平标高为+625 m。目前，矿井井下辅助运输方式为无级绳连续牵引车运输设备、材料和矸石，人员由副斜井架空乘人装置运送至井底后步行到达工作面。随着开采的进一步延伸，现有井下辅助运输系统已不能满足辅助运输需要，需对接替采区15号煤一采区辅助运输方式重新选择。

接替采区15号煤一采区水平标高为+528 m，+625 m水平与+528 m水平之间通过暗斜井连接。接替采区15号煤一采区辅助运输路线为：轨道暗斜井→一采区轨道巷→15101工作面回风顺槽，如图1所示。轨道暗斜井斜长275.9 m、倾角21.7°；一采区轨道巷斜长1 055.3 m，倾角3.4°～1.8°；15101工作面回风顺槽斜长981.9 m，倾角0°～2°。

图1 接替采区15号煤一采区辅助运输路线

运输路线错综复杂、距离较远，运输的最大件为重20 t、高1.6 m、宽1.6 m的液压支架。在如此复杂条件下，如何优化辅运系统、提高可靠性，进行多方案研究和设备选型设计成为提升运输效率成败的关键。

2 辅助运输方式的选择

煤矿井下辅助运输方式主要有如下几种：

(1) 无轨胶轮车：无轨胶轮车要求行驶的巷道宽度较大，尤其对巷道底板条件要求较高。本矿井已有副斜井倾角为16.5°，新开拓暗斜井倾角为17.5°，因此不适合采用无轨胶轮车运输。

(2) 齿轨车：齿轨车以防爆柴油机或蓄电池为动力，采用机械或液压传动，适应开采近水平或缓倾斜煤层的矿井辅助运输。

(3) 柴油卡轨车：柴油卡轨车适应巷道坡度不大于8°，具有承载大、机动灵活，可进入多条分支巷道运输物料的优点。

(4) 电机车：电机车有架线机车和防爆特殊型蓄电池电机车，架线电机车只能在全风压通风的低瓦斯矿井进风的主要运输巷道内使用，须有整流和架线设施，不够灵活；电机车运输要求巷道坡度不得大于5‰，适合于平巷运输。

(5) 无级绳牵引运输：无级绳牵引运输只适用于材料及设备运输，无级绳绞车牵引运输巷道坡度不宜大于12°，线路弯道处转角不应小于120°，弯道平面曲率半径不应大于40 m。

(6) 单轨吊机车运输：单轨吊机车运输是将运人人车、材料、设备等通过承载车或起吊梁悬吊在巷道顶部的单轨上，由单轨吊车的牵引机构牵引进行运输的系统。单轨吊车用途广泛，可在多种条件下运输多种设备、材料和物料等，挂上人车可作辅助运人使用，并且对巷道坡度适用性比较强，电牵引机车运输坡度达15°，柴油机车运输坡度可达到25°，对巷道的水平曲线半径可达到4 m，竖曲线半径可达到8 m。单轨吊机车是煤矿井下，尤其是在采区上、下山和工作面巷道内用来运送材料、设备和人员的先进辅助设备之一。

上述(1)～(4)辅助运输方式均适用于人员、材料、设备的运输。通过以上对比分析，适合接替采区15号煤一采区的辅助运输有两种方式：

方式一：副斜井绞车提升(已有)+单轨吊机车运输。

方式二：副斜井绞车提升(已有)+绞车提升(轨道暗斜井)+无级绳连续牵引车(一采区轨道巷、回风顺槽)+架空乘人装置(轨道暗斜井、一采区胶带巷)。

接替采区15号煤一采区辅助运输方式的选择应优先考虑由单一运输方式组成的辅助运输系统，尽可能实现物料、设备或人员的直达运输，减少运行环节，提高运行效率，进一步提升矿井的“四化”水平。对比以上两种辅助运输方式，确定单轨吊机车运输作为接替采区15号煤一采区辅助运输更具优势。在轨道暗斜井上部车场设物料换装站和人员换乘站，换装站以前仍利用矿井现有窄轨辅助运输系统，换装站以后采用单轨吊运输系统，承担运输人员、材料及大件设备。

3 单轨吊机车选型设计

接替采区15号煤一采区生产能力为0.9 Mt/a，矸石量5%，材料量6%；生产制度为年工作330 d，每天“四六制”，三班生产，一班准备。通过理论计算法对单轨吊机车进行选型设计。

3.1 主要参数的确定

运输最大长度L：2 377.1 m；最大运输角度：21.7°；运输材料、矸石及人员平均速度：vp=1.4 m/s；运大件速度：vd=0.5 m/s；每班运输材料量：Qc=54.55 t；每班运输矸石量：Qg=45.45 t。

3.2 运输材料机车台数计算

(1) 机车运输材料往返一次总时间为：

t1=ty1+td1.

(1)

其中：ty1为运输材料往返一次运输时间，ty1=2L/(60ksvp)，ks为速度影响系数，取0.8；td1为装载与调车辅助时间，td1=8 min。将数值代入式(1)计算得：t1=78.75 min。

(2) 每台机车每班往返次数为：

P1=60T/t1.

(2)

其中：T为每班运输时间，取T=4.5 h。将数值代入式(2)计算得：P1=3.43次/(台·班)。

(3) 每班运输材料需用列车数为：

Nn1=kQc/(ZGy).

(3)

其中：k为运输不均衡系数，取1.2；Z为每列车吊运矿车数量，取5辆；Gy为单个矿车额定载重量，取1.0 t。将数值代入式(3)计算得：Nn1=13.09列/班。

(4) 运输材料机车数量为:

N1=Nn1/P1=3.82≈4台.

由计算可知，从轨道暗斜井上部车场至工作面回风顺槽运输材料所需机车数量为4台。

3.3 运输矸石机车台数计算

(1) 机车运输矸石往返一次总时间t2与运输材料往返一次的总时间一样，为78.75 min。

(2) 每台机车每班往返次数为：

P2=60T/t2=3.43次/(台·班).

(3) 每班运输矸石需用列车数为：

Nn2=kQg/(ZGy)=10.91列/班.

(4) 运输矸石机车数量为：

N2=Nn2/P2=3.18≈4台.

由计算可知，运输矸石所需机车数量为4台。

3.4 运输人员机车台数计算

(1) 机车单程运输人员总时间为：

t3=tr+tsx.

(4)

其中：tr为从乘车点到下车点纯运输时间，tr=L/(60ksvp)；tsx为人车上下人时间，tsx=3 min。将数值代入式(4)计算得：t3=38.37 min。

(2) 每班运输人员需用列车数：根据最大班人员数量85人，单轨吊运人每次吊挂20乘员的人车需3个，单列运人60人。按每班人员在45 min内完成运输，因此每班运人需配机车数量2台，可以满足最大班人数85人的运输需要。

3.5 运输机车总台数

通过计算，运送材料每班需列车数4台；运送矸石每班需列车数4台；运送人员每班需列车数2台。因材料和矸石运输方向相反，材料列车返程可以运输矸石。材料与人员分时运输，机车可以通用，因此选用4台机车可满足使用要求。

3.6 运输机车牵引力

(1) 运送人员牵引力为：

F1=(M1+nrM2+nrZrM4+M5+nrM6+M8)×(sinα1+ωcosα1)g.

(5)

其中：M1为机车质量，M1=5 600 kg；M2为人车质量，M2=2 000 kg；M4为单人质量，M4=75 kg；M5为制动车质量，M5=400 kg；M6为起吊梁质量，M6=1 280 kg；M8为司机体重，M8=2×75 kg；ω为机车运行阻力系数，取w=0.02；α1为线路最大运行坡度，取α1=21.7°；nr为每列车牵引人车数，取nr=3辆；Zr为每辆人车乘车人数，Zr=20人；g为重力加速度。

(2) 运送材料牵引力为：

F2=(M1+ncM3+M5+n1M6+ncM7+M8)×(sinα1+ωcosα1)g.

(6)

其中：M3为材料运输矿车质量，M3=610 kg；M7为矿车装载质量，M7=1 000 kg；nc为每列牵引材料矿车数，nc=5辆；n1为每列车悬挂吊运梁数，n1=5组。

(3) 运送支架牵引力为：

F3=(M1+M5+M6+M8+M9)×(sinα1+ωcosα1)g.

(7)

其中：M9为液压支架质量，M9=20 000 kg。

将数值代入式(5)～式(7)计算得：F1=70 994.1 N，F2=66 704.6 N，F3=104 494.9 N。

3.7 运输机车防滑(下滑力F下滑)计算

(1) 运送人员时下滑力为：

F1下滑=(M1+nrM2+nrZrM4+M5+nrM6+M8)×(sinα1-ωcosα1)g.

(8)

(2) 运送材料下滑力计算：

F2下滑=(M1+ncM3+M5+n1M6+ncM7+M8)×(sinα1-ωcosα1)g.

(9)

(3) 运送支架下滑力计算：

F3下滑=(M1+M5+M6+M8+M9)×(sinα1-ωcosα1)g.

(10)

将数值代入式(8)～式(10)计算得：F1下滑=64 199.5 N，F2下滑=60 320.6 N，F3下滑=99 413.4 N。

取制动力FZ为240 kN，则运送人员时的防滑系数K1=FZ/F1下滑=3.74>2，运送材料时的防滑系数K2=FZ/F2下滑=3.98>2，运送支架时的防滑系数K3=FZ/F3下滑=2.41>2，均满足要求。

3.8 运输机车功率

(1) 运送人员机车功率为：

(11)

其中：k′为功率富裕系数，取k′=1.2。

(2) 运送材料机车功率为：

(12)

(3) 运送大件机车功率为：

(13)

将数值代入式(11)～式(13)计算得：N1=119.30 kW，N2=112.06 kW，N3=62.70 kW。

3.9 运输机车选型

通过以上计算，设计选用DLZ210F-5/120型防爆柴油机单轨吊车，其额定牵引力为120 kN>F3，额定功率为142 kW>N1，制动力为240 kN>2F3下滑，能够满足使用要求。DLZ210F-5/120驱动部为5驱(3+2)，运人速度为1.4 m/s，运材料速度为1.4 m/s，运大件速度为0.5 m/s，重量为7 887 kg。

4 结语

(1) 四侯煤业接替采区15号煤一采区井下辅助运输采用单轨吊机车运输，省去了巷道底板轨道、斜巷“一坡三挡”等安全设施，杜绝了传统地轨掉道、翻车、断绳、跑车等重大运输事故发生，属一种本质安全型辅助运输设备。

(2) 单轨吊机车运输实现了从轨道暗斜井上部车场直达综采工作面一条龙不停车运输，大大提高了运输效率。

(3) 单轨吊机车适应能力强，几乎适应各类巷道。

(4) 单轨吊机车运输，前期较传统辅助运输投入多369万元，后期综采工作面搬家拆除安装效率可提高10%，每年为企业创造经济效益约1 500万元。