牛寶玉

(中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056031)

無軌膠輪車輔助運(yùn)輸方式以其快速高效、機(jī)動靈活、適應(yīng)強(qiáng)、爬坡能力大、運(yùn)輸費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)在煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中得到了廣泛的推廣應(yīng)用，并且采用無軌膠輪車運(yùn)輸?shù)男本查L度也越來越大，目前最長無軌膠輪車運(yùn)輸?shù)男本L度已經(jīng)達(dá)到了6600m(如神華新街臺格廟一號礦井副斜井)[1]。但伴隨著無軌膠輪車的推廣應(yīng)用，無軌膠輪車運(yùn)輸事故時(shí)有發(fā)生。2014年在國家安全監(jiān)管總局辦公廳、國家煤礦安監(jiān)局辦公室下發(fā)的“關(guān)于加強(qiáng)煤礦井下防爆柴油機(jī)無軌膠輪車安全管理的通知”【安監(jiān)總廳煤裝〔2014〕7號】中，通報(bào)的三起無軌膠輪車運(yùn)輸事故均是因?yàn)檐囕v制動失靈、失效造成的，因此2016版的《煤礦安全規(guī)程》新增了采用無軌膠輪車運(yùn)輸時(shí)的規(guī)定條款(392條)，規(guī)定中要求“長坡段巷道內(nèi)，應(yīng)采取車輛失速安全措施”?！睹旱V安全規(guī)程2016解讀》中解讀了車輛失速安全措施包括設(shè)置水平緩沖段、應(yīng)急車道、巷道側(cè)設(shè)置緩沖物等。

為提高無軌膠輪車運(yùn)輸?shù)陌踩裕陙淼孛婀愤\(yùn)輸?shù)谋茈U(xiǎn)車道理念也引入到礦山[2，3]，一些礦井設(shè)置避險(xiǎn)車道、緩沖硐室作為車輛失速保護(hù)的安全措施[4，5]，如何設(shè)置才能使避險(xiǎn)車道能夠更好的保護(hù)失速車輛即是本文研究的目的。

1 失速車輛下坡時(shí)的動力學(xué)分析

車輛一旦在坡道上下行失速，車輛重力沿坡道上的下向分力將成為車輛加速下行的動力，而車輪與路面的滾動摩擦阻力、車輛迎面空氣阻力和車輛傳動阻力成為車輛下行的阻力。在忽略車輛傳動阻力情況下，根據(jù)牛頓定律可以推導(dǎo)出車輛失速的加速度：

按照運(yùn)動學(xué)規(guī)律可以推導(dǎo)出下式：

式中，a為失速車輛的加速度，m/s2；g為重力加速度，取9.81m/s2；f為車輪對路面的滾動阻力系數(shù)；α為巷道傾角，°；M為車輛總質(zhì)量，kg；Ck為空氣阻力系數(shù)，與車型有關(guān)，對礦井膠輪車取值0.6～1.0；ρ為空氣密度，一般取1.205kg/m3；A為車輛橫斷面積，m2；V為車輛失速后的瞬時(shí)速度，m/s；V0為車輛失速時(shí)的速度，m/s；Vx為車輛相對于風(fēng)流的速度，m/s；L為車輛失速下行的距離，m。

巷道傾角6°，混凝土路面(滾動阻力系數(shù)0.015)，車輛橫斷面積3.0m2，車輛滿載質(zhì)量12000kg，空氣阻力系數(shù)0.6，巷道風(fēng)流速度10m/s條件下，不同初速度下的失速速度與下行距離的關(guān)系見表1，失速下行距離與失速速度的關(guān)系如圖1所示。

表1 不同初速度下的失速速度與下行距離的關(guān)系(巷道傾角6°)

圖1 失速下行距離與失速速度的關(guān)系

由表1和圖1可得到下列結(jié)論：

1)車輛失速速度隨下行距離增加而迅速提高，失速下行400～500m后，車輛速度即可達(dá)到100km/h。

2)失速下行距離一定時(shí)，車輛失速時(shí)的速度對車輛失速速度的影響很小。

在不考慮路面摩擦阻力和巷道風(fēng)流速度的影響后，式(2)可簡化為：

經(jīng)過計(jì)算獲得不考慮摩擦阻力和巷道風(fēng)流影響的下行距離與速度的關(guān)系見表2，兩表比較后，可得出不考慮路面摩擦阻力和巷道風(fēng)流影響時(shí)，失速速度的增幅在1000m距離范圍內(nèi)為6%～14%，因此采用簡化公式計(jì)算是可行的，既有利于安全，也不會過大增加避險(xiǎn)車道工程投資。

2 避險(xiǎn)車道設(shè)置

2.1 避險(xiǎn)車道概念

避險(xiǎn)車道的提出源于地面公路運(yùn)輸，按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)2.0.9款對避險(xiǎn)車道的定義：在行車道外側(cè)增設(shè)的、供制動失效車輛駛離、減速停車、自救的專用車道。

從減少巷道工程量，使失速車輛盡快減速停車等考慮，礦井中設(shè)置的避險(xiǎn)車道由引道和強(qiáng)制減速段(制動床)構(gòu)成，其中引道是引導(dǎo)失控車輛安全駛?cè)霃?qiáng)制減速段的車道，由銜接主道的下坡和連接強(qiáng)制減速段的上坡豎曲線組成；強(qiáng)制減速段是采用上坡布置的鋪設(shè)一定厚度散粒集料、使失控車輛減速停車的特殊車道。另外在強(qiáng)制減速段的盡頭還設(shè)置諸如輪胎等柔性材料做成的碰撞墻。

表2 不考慮摩擦阻力和巷道風(fēng)流影響的失速速度與下行距離的關(guān)系(巷道傾角6°)

2.2 避險(xiǎn)車道長度

避險(xiǎn)車道長度由引道和強(qiáng)制減速段組成，其中引道長度依據(jù)布置確定，強(qiáng)制減速段長度按照能量守恒定律依下式計(jì)算確定：

式中，Lb為避險(xiǎn)車道長度，m；V為失速車輛駛?cè)氡茈U(xiǎn)車道的速度，m/s；β為避險(xiǎn)車道傾角，°；fz為避險(xiǎn)車道散粒材料的阻尼系數(shù)，對2.36～4.75cm粒徑的豆礫石取0.25[6]；g為重力加速度，m/s2。不同坡度下的避險(xiǎn)車道長度與駛?cè)胨俣鹊年P(guān)系見表3。從表中數(shù)據(jù)可知，避險(xiǎn)車道的長度遠(yuǎn)比《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的巷道擴(kuò)散通風(fēng)距離(6m)大，因此需要施工專用的通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷道或通風(fēng)鉆孔，保證避險(xiǎn)車道的通風(fēng)。

表3 不同車道傾角下避險(xiǎn)車道長度與駛?cè)胨俣汝P(guān)系

2.3 避險(xiǎn)車道的設(shè)置間距

避險(xiǎn)車道的設(shè)置間距應(yīng)從失速車輛進(jìn)入避險(xiǎn)車道速度和避險(xiǎn)車道總工程量考慮，失速車輛進(jìn)入避險(xiǎn)車道速度越高，意味著失速車輛下行距離越長，避險(xiǎn)車道設(shè)置的間距越大，避險(xiǎn)車道的總工程量減少。如果失速車輛進(jìn)入避險(xiǎn)車道速度設(shè)置過高，失速車輛由于駕駛員心理恐慌因素，以及操控時(shí)間短等往往難以安全進(jìn)入避險(xiǎn)車道避險(xiǎn)。根據(jù)地面運(yùn)營公路避險(xiǎn)車道的調(diào)研，駛?cè)氡茈U(xiǎn)車道失控車輛的速度一般在80～120km/h之間，最高駛?cè)胨俣冗_(dá)到140km/h[7]。根據(jù)車輛失速速度與下行距離的關(guān)系，綜合考慮建議將失速速度控制在120km/h以下來確定設(shè)置間距。在最高失速速度120km/h時(shí)，對于5°～6°的斜井或斜巷，避險(xiǎn)車道的設(shè)置間距在500～600m左右。

2.4 避險(xiǎn)車道布置

1)平面布置。對于直線式布置的緩坡斜井井筒和斜巷，避險(xiǎn)車道應(yīng)布置在巷道的右側(cè)。失速車輛從主道駛?cè)氡茈U(xiǎn)車道的角度(駛?cè)虢?應(yīng)從便于司機(jī)判斷和操控車輛方向、避免車輛側(cè)翻，以及巷道交岔點(diǎn)施工、支護(hù)難易程度和工程量綜合考慮。地面公路駛?cè)虢且话悴怀^10°[7，8]。對于礦井無軌膠輪車運(yùn)輸，建議根據(jù)巷道圍巖條件取值10°～12°。對于折返布置的緩坡斜井井筒，除了直線段布置避險(xiǎn)車道外，在拐彎處要沿井筒的下山方向布置避險(xiǎn)車道。

2)縱向布置。避險(xiǎn)車道一般采用上坡布置，其縱向坡度從避免避險(xiǎn)車輛停止后發(fā)生倒溜考慮，當(dāng)集料阻尼系數(shù)0.25時(shí)，其最大值不應(yīng)超過14°(25%)。考慮到無軌膠輪車運(yùn)輸?shù)男本矁A角一般在5°～6°之間，為使進(jìn)入避險(xiǎn)車道的車輛獲得較大的勢能消耗車輛的動能，盡快停車，建議取10°～12°。

3)避險(xiǎn)車道盡頭吸能裝置。應(yīng)在避險(xiǎn)車道的盡頭設(shè)置廢舊輪胎或其他柔性材料構(gòu)筑的碰撞墻，作為最后一道吸納失速車輛動能的屏障，并達(dá)到減輕人員傷害和車輛破壞程度的作用。

2.5 避險(xiǎn)車道結(jié)構(gòu)和材料

避險(xiǎn)車道的結(jié)構(gòu)由面層、基層構(gòu)成，其中面層材料應(yīng)采用級配礫石集料，級配礫石集料的要求見表4。其壓碎率不應(yīng)大于12%，針片狀顆粒含量不應(yīng)大于5%，含泥量不應(yīng)大于0.5%。鋪設(shè)厚度應(yīng)采用過渡方式，其入口厚度為75mm，在30～60m的長度內(nèi)直線過渡到正常段厚度，正常段厚度不低于1m；基層應(yīng)采用水泥穩(wěn)定碎石，碎石層厚度300mm，分兩層攤鋪。

表4 避險(xiǎn)車道礫石集料級配要求

3 結(jié)論與建議

本文基于對失速、失控車輛的動力學(xué)分析，對避險(xiǎn)車道用于礦井無軌膠輪車失速安全設(shè)施進(jìn)行了研究分析，得出下列主要結(jié)論：

1)車輛失速速度隨下行距離增加而迅速提高，失速下行400～500m后，車輛速度即可達(dá)到100km/h；失速下行距離一定時(shí)，車輛失速時(shí)的速度對車輛失速速度的影響很小。

2)路面滾動阻力和巷道風(fēng)流對失速速度的影響較小，在下行1000m范圍內(nèi)的速度增幅6%～14%，因此可以采用簡化公式計(jì)算失速后的速度，這樣既有利于安全，也不會增加大量的避險(xiǎn)車道投資。

3)建議避險(xiǎn)車道與主道的夾角取10°～12°，避險(xiǎn)車道的坡度取10°～12°，避險(xiǎn)車道設(shè)置間距以失速速度控制在120km/h以下確定。

4)避險(xiǎn)車道的長度遠(yuǎn)超過井下擴(kuò)散通風(fēng)的允許距離，需要布置通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷。

值得指出的是，避險(xiǎn)車道同其他失速安全防護(hù)措施一樣都是車輛失速后的防災(zāi)減災(zāi)措施，正確選用運(yùn)輸車輛、加強(qiáng)運(yùn)輸車輛維修保養(yǎng)、嚴(yán)格車輛駕駛員培訓(xùn)、持證上崗等預(yù)防措施更為重要；另外，避險(xiǎn)車道用作礦井無軌膠輪車失速安全防護(hù)設(shè)施時(shí)，其投資較高，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合礦井實(shí)際與其他失速安全防護(hù)措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后選用。