单轨式转载机在掘进工作面的研究与应用

马登陆,刘成升

（兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城 273500）

1 概述

单轨吊机车作为一种成熟的运输设备，在物料运输、工作面安装撤除等作业中得到广泛应用[1-3]。单轨吊机车具有机动性强、安全可靠、使用灵活方便的特点，如仅作为运输起吊设备使用，不能充分发挥其特点优势。单轨吊机车应作为一种平台工具，在其基础上不断研发改进，以适应不同的工况及用途。兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿五采区皮带巷掘进期间，通过对单轨吊机车的研究与改造，创造性的将单轨吊与转载机相结合，研制出单轨式转载机及配套工艺流程。通过现场试验与应用，其安全性、出矸效率均得到充分验证[4-5]。

2 背景简介

2.1 制约因素

出矸速度慢是制约普掘工作面施工效率的主要因素之一，提高出矸效率能够大幅度提升掘进速度，是普掘工艺优化的首选工序。目前提升出矸效率的常用方法是使用胶带运输机配合不同出矸设备进行快速出矸，此方法需要频繁延伸胶带运输机承载段，由于增加了额外工作量及工序，不利于效率提高及现场安全管理。一种能够安全高效、简化工艺的出矸方法，成为新的研究方向。

2.2 巷道概况

东滩煤矿五采区皮带巷为开拓巷道，为五采区煤流运输、通风、行人服务，皮带机头硐室设计为三心拱断面，净宽5 500 mm，净高5 033 mm，墙高3 200 mm，拱高1 833 mm，采用钻爆法掘进。

五采区皮带巷设计掘进长度1 114 m，沿掘进方向0～200 m，煤（岩）层倾角-6°～-9°；200～1 075 m煤岩层倾角-5°～-7°；1 075～1 114m设计停掘煤（岩）层倾角-2°～-4°。

巷道掘进位于3上、3下煤及顶、底板层位。3上煤厚4.55～4.9 m，f=2～3，黑色，油脂光泽，内生裂隙发育，参差状断口，条带状结构，以暗煤为主，夹镜煤条带，煤层结构复杂。3上煤底板之上1.90～2.30 m发育一层细砂岩夹矸厚0.02～0.03 m，f=3～4。3上煤直接顶岩性为砂质泥岩，厚0～3.81 m，f=3～4；基本顶岩性为中砂岩，厚0～2.17 m，f=5～7；3上煤与3下煤夹矸岩性为粉砂岩厚1.33～2.15 m，f=3～4；3下煤厚1.10～1.48 m，f=2～3；3下煤直接底为粉砂岩，厚5.59～7.84 m，f=3～4；老底为中砂岩，厚19.12～21.72 m，f=5～7。

2.3 设备概况及改进方案

五采区皮带巷前期掘进期间，采用1台ZCY120R型侧卸式装岩机出矸，巷道内安装DSJ80型胶带输送机排矸，随巷道前掘不断延伸机尾。

由于侧卸式装岩机铲装矸石后，需要运行一定距离至皮带机尾处方可卸载矸石，出矸效率难以发挥。根据现场实测，侧卸式装岩机装卸后的行走时间约每次100s，铲装矸石约每铲40s，卸矸石约每铲30s，其行走时间约占总出矸时间的59%，有较大的提升空间。通过对现场环境的分析，决定设计一部能够自行走及升降的转载机，以配合侧卸机出矸使用。

3 方案设计及现场应用情况

单轨式转载机以单轨吊机车作为设备平台，集成自行走、转载机升降及运矸功能于一体[6，7]。单轨吊轨道随迎头掘进同时安装，滞后迎头3～5 m，前期用于单轨式转载机运行，后期为巷道辅助运输服务。出矸时，将单轨式转载机运行至迎头，侧卸式装岩机就近铲装出矸。出矸结束后，将单轨式转载机运行至迎头以外，以满足后续施工空间需要。单轨式转载机长度可根据需要灵活调整，以满足不同条件需要。

3.1 单轨式转载机结构功能设计

单轨式转载机主要分为行走部、悬吊升降部及转载部三部分，各部分操控阀集中在同一操作台处，人员在安全地点操控整个设备运转。

转载机行走机构动力单元为单轨吊机车，为转载机移动及工作提供动力，机车安装在转载机远离迎头的一侧，避免爆破时崩出的矸石损坏设备。

机车后方安装若干组转载悬吊滑车，滑车之间通过连杆连接，滑车安装刹车机构。悬吊滑车下方安装升降机构，通过圆环链与转载部连接，通过控制升降机构，可升起或落下转载部，以便于行走或装矸。

转载部采用胶带式转载机，多点悬吊于升降部下方。由转载机架、V型受煤口、卸矸口、马达等主要部件组成，卸矸口处安装转载喷雾及清扫装置。

图1 悬吊自移式转载机结构示意图

3.2 单轨式转载机能力计算

表1 单轨式转载机技术参数表

单轨吊机车运行最大坡度为10°，单轨式转载机整机重量45 kN，行走部牵引力20 kN，制动力30 kN，行走速度0.4 m/s。

单轨式转载机行走时需要牵引力为：

经计算，机车额定牵引力20 kN，大于需要牵引力F=8.6 kN，满足设备行走要求。

制动减速度计算：

经计算，机车额定制动力30 kN，大于需要制动力F=6.93 kN，满足设备制动要求。

制动减速度及制动距离计算：

经计算，制动距离s=0.311 m，小于6 s内单轨吊机车的运行距离0.4×6=2.4 m，符合使用要求。式中：F为需要牵引力，kN；P为整机重量，45 kN；α为最大坡度，10°；ω为摩擦系数，取0.02；FZ为额定制动力，30 kN；F0为运行阻力，kN；FG为惯性力，kN；a为制动加速度，m/s2；s为制动距离，m。

3.3 设备安装及安全要点

3.3.1 单轨吊梁安装

1）选用I140E型单轨吊梁，每节长度2 400 mm，允许载荷225.4 kN，每节单轨吊梁采用2个吊点吊挂。采用φ22 mm×2 400 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，采用加长锚固，设计锚固力190 kN。

2）轨道采用双链吊挂，垂直吊轨方向布置“V”字型吊挂链，每间隔5组吊挂点布置1个平行吊轨方向“V”字型吊挂链。

3）每根吊挂链必须处于受力状态，严禁出现吊链不受力现象。

4）轨道敷设：直线段目视直顺，无明显折点。轨道接头过渡平顺，轨道接头平整度：高低和左右允许偏差不大于2 mm和1 mm；接头摆角水平方向不得大于1°，垂直方向不得大于6°；下轨面接头间隙不大于5 mm，不小于2 mm。

5）斜巷坡度在10°及以上时，上下变坡点前后区域根据使用需要适当调整角度。每2节轨道安设一组侧拉调节链拉紧，斜巷其它区域每3节轨道安设一组侧拉调节链拉紧，按“V”字布置，生根锚杆在斜巷上方，使用对拉螺丝张紧；斜巷坡度在10°以下3°以上时，每5节轨道安设一组侧拉调节链拉紧，按“V”字布置，生根锚杆在斜巷上方，使用对拉螺丝张紧，拉紧锚杆使用φ22 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆垂直于顶板施工。

6）驱动轮运行范围，即轨道左右两侧0.6 m、上方0.1 m内不得有障碍物，防止影响车辆运行。

3.3.2 单轨式转载机安装

1）单轨吊机车选用DQD20型单轨吊车，将单轨吊机车运输到安装地点。

2）采用手拉葫芦人工起吊的方式将单轨吊机车安装至单轨吊梁上，依次安装单轨吊机车行走部、悬吊升降装置及连杆。

3）检查单轨吊机车完好情况，然后试运行。

4）将桥架式转载机运输到位。

5）在底板上组装好桥架式转载机，在转载机机头、机尾位置分别安装溜矸口及挡煤板。将组装好的单轨吊机车运行至桥架转载机上方，将悬吊升降装置起吊链落下，分别固定在转载机机头节及机尾节机架上，采用4点吊挂，吊挂链选用φ18 mm×64 mm圆环链。

6）操作单轨吊机车，通过悬吊升降装置将桥架转载机整体吊起。安装斜拉连杆，将转载机机头与单轨吊行走部铰接固定，以增架转载机在行走过程中的纵向稳定性。

7）在单轨吊行走部外侧单轨吊梁上安装电缆吊挂滑车，将供电电缆吊挂在电缆滑车上，保证转载机能够在单轨吊机车牵引下自由行走。

8）整体全部组装完成后，整机试运转，检查行走单元、悬吊升降单元、转载单元联合运转情况，确保完好。

3.3.3 施工安全要点

1）加强单轨吊锚杆锚固质量控制，锚杆施工后进行锚固力检测，确保锚固力合格。

2）起吊施工前现场安全负责人排查现场起吊锚杆拉拔力试验记录，确认现场使用的起吊锚杆拉拔合格。起吊施工前应指定专人负责，安全负责人对整个起吊过程统一指挥。起吊工作中要做到专人指挥、监护。发现不安全因素,整改后方可继续工作。

3）单轨吊悬吊升降装置与桥架转载机之间使用专用连接扣连接，确保牢固可靠。单轨吊行走部与转载机之间要采用斜撑铰接固定，增加纵向稳定性。

4）单轨式转载机整机组装完毕后，要联机试运转检查整体稳定性，发现有机体共振、部件间相互扰动等情况时，必须处理完毕后方可使用，确保设备使用安全。

5）单轨式转载机行走期间，施工人员必须远离设备运行范围5 m以上，设置警戒带，保证设备挪移期间安全。

3.4 现场应用情况

3.4.1 出矸工艺流程

顶板支护完毕后，开始出矸作业。首先开机试运行，检查单轨式转载机运转情况，操作升降机构升起转载部，操作行走机构将转载机运行至距迎头约4～6 m处。落下转载部，使转载部机尾落至矸石堆上，转载部机头卸矸口降至距胶带运输机上方约500 mm处，闭锁升降机构。将侧卸式装岩机运行至迎头出矸位置开始铲装矸石，装矸期间根据需要随时调整单轨式转载机位置。出矸结束后，将侧卸式装岩机退出迎头，启动单轨式转载机，将转载机退至胶带机上方停放。

3.4.2 施工效率比较

五采区皮带巷循环进尺2.0 m，每循环实体矸石量约52 m3，按1.5膨胀系数计算，每循环矸石量约78 m3。根据现场写实情况，未使用单轨式转载机前，每循环出矸时间约3.5～4 h。使用单轨式转载机后，每循环出矸时间缩短约2 h，出矸工序效率提高一倍。

五采区皮带巷每天按2个正规循环组织生产，三八制作业，每班出勤9人，理论工效每工0.148 m。使用单轨式转载机，每循环时间减少约2 h，理论工效提升至每工0.178 m，工效提升20%。

五采区皮带巷未使用单轨式转载机前，每8～10 m延伸一次胶带运输机机尾，使用单轨式转载机出矸后，每25 m延伸一次机尾，延伸机尾频率约降至原来的1/3。集中延伸机尾促进了施工效率发挥，简化了施工环节，有利于现场安全管理。

3.4.3 现场适用性分析

单轨式转载机采用集中控制，能够轻松完成转载机的行走、升降及转载排矸工作，操作简单方便。设备通过单轨吊轨道运行，不受巷道底板条件限制，通过现场测试，单轨式转载机从开机挪移到落架出矸全过程仅需3～5 min时间，挪移方便灵活。单轨式转载机不使用时，悬停于胶带机上方，不占用现场空间，有利于现场安全管理。

五采区皮带巷后期使用单轨吊运输物料及设备，单轨吊梁随迎头掘进同时安装，减少了后期单独安装单轨吊梁占用的时间，有利于掘进一次成巷施工管理。

3.4.4 可靠性分析

单轨吊机车作为一种成熟的运输设备，上世纪70、80年代，便已成为西方一些国家的主要辅助运输设备，其安全性、可靠性已得到充分论证。以单轨吊机车为平台开发出的单轨式转载机，在单轨吊牵引的基础上，增加转载功能，是单轨吊平台的模块化拓展，在东滩煤矿五采区皮带巷掘进使用期间运行安全平稳，可以根据不同需要选择柴油机、电动机或高压风动马达作为动力源，现场适应性强，能够满足煤矿井下使用要求。

4 存在的问题及解决方案

单轨式转载机在平巷内行走时较平稳，但由于转载部与悬吊升降部之间采用圆环链连接，造成在斜巷内起步行走时，转载部会有较明显的前后晃动，对使用安全造成一定影响。针对该问题，可在转载部机头侧安装滑道，滑道与悬吊升降部之间刚性连接，转载部升降时沿机头侧滑道运行，可减轻转载部晃动现象。

单轨式转载机卸矸口需与胶带运输机中心线重合方可正常出矸，要求单轨吊轨中需布置在胶带运输机中线处，使单轨吊轨道及胶带运输机安装位置受到一定限制。针对该问题，可重新设计转载部卸矸口，在矸石卸载部增加斜槽，使转载部具备侧向卸矸功能。

5 结束语

自动化、无人化是煤矿未来发展的趋势，但长期以来普掘（岩巷）施工工艺发展缓慢、停滞不前，在距离自动化、无人化的目标上还有诸多问题需要解决。普掘（岩巷）施工要实现自动化，必须通过不断的更新设备、优化工艺才能够达到目标。单轨式转载机通过单轨吊轨道运行，受环境影响小，易于实现自动化控制。后期可集成装矸、储矸、迎头破岩、支护功能于一体，采用模块化、多功能设计，能够解决普掘（岩巷）工作面难以实现自动化控制的难题，如能够广泛应用及推广，将对普掘（岩巷）工艺自动化的发展产生一定的推动作用。