袁曉明

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

國外隨著車輛技術(shù)的逐漸成熟，卡特彼勒、山特維克等公司在19世紀40年代已經(jīng)生產(chǎn)出推土機、多功能車等產(chǎn)品向礦山發(fā)展，推動了煤礦輔助運輸方式從使用電機車的軌道運輸工藝向使用膠輪車的無軌運輸工藝的發(fā)展。英國煤礦井下于1959年開始使用柴油機無軌膠輪車[1]，在美國MSHA網(wǎng)站檢索到美國認證防爆車輛的時間，從而基本確定美國1989年開始使用防爆蓄電池車輛，自1998年開始使用防爆柴油機，至今美國已經(jīng)有數(shù)萬臺各種車輛設(shè)備在煤礦井下應(yīng)用。我國大同礦務(wù)局在20世紀80年代中期引進了澳大利亞諾依斯公司的支架運輸車，英國埃姆科公司的多用途鏟車；20世紀90年代中期，神東公司大柳塔礦和活雞兔礦引進了英國埃姆科公司913HLD型無軌膠輪鏟車、人車、運煤車等無軌輔助運輸設(shè)備，礦井實現(xiàn)了全部無軌化運輸，不再鋪設(shè)軌道[2]。

無軌膠輪車實現(xiàn)了人員、物料從地面工業(yè)廣場到井下工作面直達運輸，完全不需要轉(zhuǎn)運、等待時間，極大的提高了工作效率，也將煤礦井下輔助運輸人員數(shù)量從幾千人降低到了不足百人，例如我國大同礦務(wù)局云崗礦曾用澳大利亞諾依斯公司的柴油機重型支架鏟車創(chuàng)10天搬完一個工作面的記錄。無軌輔助運輸工藝帶來的巨大效率和安全優(yōu)勢，促使我國大力發(fā)展無軌輔助運輸設(shè)備，國內(nèi)在用無軌膠輪車輛設(shè)備超過4萬臺。但是隨著大量柴油機動力的無軌運輸車輛設(shè)備下井使用，井下空氣污染形勢變得非常嚴峻，《煤礦安全規(guī)程》不得不對通風(fēng)量和車輛使用做出限制，也促使國家安監(jiān)總局2019年3月發(fā)布井下柴油機車輛排放標準符合非道路國三標準的規(guī)定文件，這必然引發(fā)柴油機動力膠輪車輛價格上漲、電動車輛和空氣動力等其他動力源車輛推廣使用、井下精細化車輛調(diào)度和運營管理等一系列變革，推動無軌輔助運輸工藝向更加先進的方向發(fā)展。

1 國外無軌輔助運輸工藝

國外無軌運輸大都采用斜井運輸工藝，車輛從地面直達井下工作地點，對車輛運行的坡度、路面、巷道斷面等都有使用工藝規(guī)定。無軌膠輪車輛對坡度和長度比較敏感，使用不當容易造成車輪打滑、發(fā)動機高溫、制動失效等安全事故，因此受車輛制動器可靠性、駕駛員視野、地面摩擦系數(shù)等條件的限制，無軌輔助運輸通常采用小于12°的坡度，并且在連續(xù)長距離下坡路段間隔一定距離設(shè)有緩沖和休息用的平路段保證運行安全。采用無軌膠輪運輸?shù)南锏赖孛嬉笃秸?，不能有尖銳、鋒利的巖石或者雜物，避免輪胎受傷。國外對煤礦井下無軌膠輪車運行速度和巷道寬度作了規(guī)定，要求車速越高車與頂板和側(cè)幫的間距越大，車速超過3.6m/s，間距應(yīng)大于1.5m[3]。另外車輛行駛沿途配備有加水點，水龍頭就懸掛在駕駛側(cè)旁邊，車輛的加水口也設(shè)計在駕駛員夠得著的位置，司機不需下車就能快速補充處理尾氣消耗的水。國外無軌運輸主要包括人員、材料和綜采工作面安裝回撤三種，使用設(shè)備相對固定，也沒有過多的規(guī)格型號，這與國外煤礦井下輔助運輸工藝高效組織方式、自動化程度高、作業(yè)人員少、產(chǎn)量相對較小等條件有關(guān)。

人員材料運輸，由于國外井下作業(yè)人員較少，例如澳大利亞奧斯塔達煤礦連采隊作業(yè)人員三人即能開工，兩人開掘錨機一人開梭車，因此實際下井基本采取每人各開一輛車方式，單駕駛員全程獨立完成整個運輸過程的開車、補水、加油、裝卸物料等作業(yè)，從地面直達井下工作地點。整個運輸過程相對軌道運輸特別簡單，省去了大量轉(zhuǎn)運、裝卸、打點、絞車司機等環(huán)節(jié)和人員。人員和材料輔助運輸工藝如圖1所示。主要使用輔助運輸設(shè)備有防爆柴油機人車、防爆柴油機材料車，生產(chǎn)廠家主要有SANDVIK、ATLAS、CAT、MTI、GHH、PUAS、SCHOPF、RHAM等，人車主要有英國EIMC913型30座人車和TAXI小型指揮車、南非產(chǎn)10座人車、澳大利亞產(chǎn)PJB和SMV的20座人車、德國PAUS公司的名卡系列人員運輸車，材料車主要有MK3S 型多用途車、RUK4型多功能車、EIMC912E型客貨兩用車、PET6 型客貨兩用車等[4]。

圖1 人員和材料輔助運輸工藝簡圖

綜采工作面采用無軌輔助運輸方式，可以實現(xiàn)綜采設(shè)備“面到面”不轉(zhuǎn)載運輸，簡化了傳統(tǒng)軌道輔助運輸方式，也減少了大量輔助作業(yè)人員[4，5]。安裝回撤工藝需要刮板輸送機、液壓支架、采煤機、變電供電設(shè)備、帶式輸送機等一整套設(shè)備。因此，回撤主要工藝過程包括刮板輸送機抽鏈、中部槽連接板和啞鈴銷拆解、電纜油管分解、采煤機拆解、工作面電纜管線回撤、移動變壓器等電器拆分、轉(zhuǎn)載破碎機拆解、中部槽回撤、帶式輸送機機頭機尾拆解、工作面電纜管線回撤和液壓支架回撤等內(nèi)容，安裝工藝與回撤工藝組織相反。其中較輕設(shè)備通常使用多功能車提前運輸，而幾十上百噸的液壓支架和采煤機由于質(zhì)量很大難以搬運是運輸?shù)闹攸c工作。采煤機通常采用兩臺防爆蓄電池鏟板車前后抬起來拖動的方式運輸，速度較慢；而支架采取防爆蓄電池鏟板車在工作面短途擺正后，由防爆柴油機支架搬運車負責(zé)將支架轉(zhuǎn)運到另外一個工作面，效率大幅提高。綜采工作面支架回撤工藝如圖2所示。

圖2 綜采工作面支架回撤工藝簡圖

2 國內(nèi)無軌輔助運輸改進與提高

我國在引進、消化、吸收國外無軌輔助運輸系統(tǒng)使用工藝和各種設(shè)備的同時，也推進了設(shè)備國產(chǎn)化研制進程和大量新型設(shè)備的開發(fā)進程，各種車型和專用設(shè)備層出不窮，并在法律法規(guī)、使用工藝、安全防護、節(jié)能減排等很多方面進行了拓展和提升，安全高效無軌輔助運輸?shù)玫竭M一步發(fā)展，造就了一大批千萬噸級安全高效運輸?shù)V井。

我國在國外傳統(tǒng)斜井無軌輔助運輸應(yīng)用的基礎(chǔ)上，還將無軌輔助運輸拓展到了豎井提升的礦井，開發(fā)出很多適合罐籠運輸?shù)膶Ｓ脽o軌輔助運輸設(shè)備，包括罐籠人車、材料車、多功能車等，很多豎井提升礦井還將軌道嵌入地面，使得軌道運輸與無軌運輸能夠結(jié)合使用，進一步擴大了無軌輔助運輸?shù)膽?yīng)用范圍[6，7]。將各種輔助運輸車輛運輸方式虛擬合并為一個我國煤礦無軌輔助運輸系統(tǒng)模型，包含了斜井和豎井兩種運輸形式下的人員、材料、安裝回撤等多種工作，包含豎井和斜井運輸方式的輔助運輸系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 包含豎井和斜井運輸方式的 輔助運輸系統(tǒng)模型

2.1 法律法規(guī)

我國在《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦用防爆柴油機無軌膠輪車安全使用規(guī)范》(AQ 1064—2008)等相關(guān)規(guī)范文件中，對無軌輔助運輸巷道尺寸、通風(fēng)條件、制動安全等各種條件進行規(guī)范管理，并不斷對無軌膠輪輔助運輸系統(tǒng)提出更高的要求。最新的煤安監(jiān)技裝〔2018〕39號文件《國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于發(fā)布禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄(第四批)的通知》，要求煤礦井下防爆柴油機排放達到《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法》(GB 20891—2014)要求，將進一步推動我國煤礦井下無軌輔助運輸設(shè)備核心技術(shù)的提升和技術(shù)進步。

2.2 人員運輸工藝

國內(nèi)采用無軌輔助運輸?shù)牡V井通常規(guī)模較大，上下班人員遠超國外房柱式開采及綜采作業(yè)人員，通常一個隊需要20人左右，還有大量其他輔助人員下井，因此上下班更多的采用20座，甚至是30座人車，配備專業(yè)的司機駕駛車輛。人車主要車型有5～9座指揮車和20座人車兩種，其他2座巡檢車、30座人車等車型用量較小。國內(nèi)專職司機人員運輸工藝流程如圖4所示。

圖4 國內(nèi)專職司機人員運輸工藝流程圖

2.3 材料運輸工藝

國內(nèi)礦井相對國外增加了更多的作業(yè)任務(wù)，包括混凝土地面施工、補打幫錨桿、巷道降塵、避難硐室維護等，對輔助運輸需求更加復(fù)雜，車輛用量大幅增加。材料運輸除去常規(guī)的錨桿、網(wǎng)片、管線、配件等，還大量需要運輸混凝土、砂、石子、水等。大量材料運輸工藝需求催生了各種各樣的專用車型，應(yīng)用比較廣泛的材料運輸車輛主要有5t到12t材料車、混凝土攪拌車、灑水車等。國內(nèi)規(guī)?；I(yè)化的材料運輸車輛使用工藝如圖5所示。

圖5 國內(nèi)規(guī)?；?、專業(yè)化的材料運輸車輛使用工藝

2.4 綜采設(shè)備運輸工藝

國內(nèi)由于大采高采煤工藝的不斷創(chuàng)新發(fā)展，綜采設(shè)備安裝回撤對輔助運輸車輛的運輸能力在不斷提高，相繼開發(fā)出25t、35t、45t、55t、70t、80t、100t等系列噸位的作業(yè)車輛，工作能力穩(wěn)步提高，但是基本運輸工藝與國外一致，運輸中部槽、輸送帶、支架、采煤機等設(shè)備的方法基本相同，只是根據(jù)國情多采用雙向回撤工藝，工作效率更高，通常2周能夠完成整個工作面的安裝或者回撤作業(yè)。

綜采設(shè)備運輸工藝主要用到的車輛包括短途調(diào)整支架和運輸采煤機的防爆蓄電池鏟板車、長途運輸支架的專用防爆柴油機支架搬運車、防爆多功能鏟運機等，目前國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家是山西天地煤機裝備有限公司。針對三角區(qū)支架安全操作的隱患，開發(fā)出防爆蓄電池抓木機等新型設(shè)備。國內(nèi)雙向綜采設(shè)備回撤運輸工藝簡圖如圖6所示。

圖6 國內(nèi)雙向綜采設(shè)備回撤運輸工藝簡圖

2.5 蓄電池車輛使用工藝

我國煤礦井下無軌輔助運輸在不斷加大防爆柴油機動力車輛產(chǎn)品研發(fā)的過程中，也根據(jù)國內(nèi)井下柴油機尾氣污染治理要求和地面蓄電池車輛的發(fā)展水平，在繼續(xù)發(fā)展大噸位防爆鉛酸蓄電池鏟板車的同時，也創(chuàng)新開拓出新型防爆鋰離子蓄電池動力車型，并在內(nèi)蒙、陜西、山東等幾十個礦井推廣使用。

目前依據(jù)煤礦安全規(guī)程和安標中心的管理規(guī)定，煤礦井下動力蓄電池只能采用符合MT334標準規(guī)定的煤礦特殊型鉛酸蓄電池裝置和符合《礦用隔爆(兼本安)型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求(試行)》規(guī)定的防爆磷酸鐵鋰離子蓄電池裝置。由于防爆后電源裝置質(zhì)量大幅增加，導(dǎo)致電源箱比能量過低、整車質(zhì)量過大、續(xù)航里程普遍較短，鋰電池車通常只有不到100km的續(xù)駛里程，而鉛酸電池車輛就僅有約30km的續(xù)駛里程，續(xù)駛里程遠低于防爆柴油機動力車輛，再加上充電占用大量時間，因此蓄電池車輛關(guān)鍵使用工藝主要用來協(xié)調(diào)充電和作業(yè)的時間。鉛酸電池由于充電時間通常需要6～8h，因此車輛通常配備三塊電池，一塊充電、一塊充電后冷卻、一塊車上使用。采取快速更換電池的方式實現(xiàn)車輛連續(xù)作業(yè)，車輛使用工藝采取短途往復(fù)式作業(yè)方式，如防爆蓄電池鏟車配合連采作業(yè)系統(tǒng)清理浮煤的、防爆蓄電池鏟板車短途拖拽綜采設(shè)備等；鋰電池車輛目前采取地面充電、一天運行一趟的使用方式，車輛使用效率較低，車輛使用工藝也有待結(jié)合鋰電池充放電的特點進行改進。

3 無軌輔助運輸發(fā)展方向分析

3.1 柴油機動力車輛發(fā)展方向分析

隨著煤安監(jiān)技裝〔2018〕39號文件的發(fā)布，不符合非道路國三排放標準的柴油發(fā)動機很快將禁止使用，帶來全行業(yè)的技術(shù)改進風(fēng)暴，主要技術(shù)發(fā)展方向指向采取防爆電控燃油噴射技術(shù)的電噴發(fā)動機技術(shù)、尾氣后處理技術(shù)、阻火柵欄高效透氣技術(shù)以及油電混合動力技術(shù)等。

電噴發(fā)動機技術(shù)經(jīng)過多年使用，將實時檢測的轉(zhuǎn)速、油門踏板深度、噴油時刻、進氣溫度、進氣壓力、燃油溫度、冷卻水溫度、氧氣濃度等參數(shù)同時輸入計算機(ECU)，與已儲存的設(shè)定參數(shù)值或參數(shù)圖譜(MAP)進行比較，經(jīng)過處理計算按照最佳值和目標值把指令送到執(zhí)行器。執(zhí)行器根據(jù)ECU指令控制噴油量和噴油正時，使柴油機運行狀態(tài)達到最佳，已經(jīng)證明能夠有效降低顆粒物、CO、NOx排放。實際電噴發(fā)動機使用表明電噴技術(shù)并沒有降低油耗，證明單純使用電噴發(fā)動機技術(shù)只能讓燃燒更充分和降低對人體主要有害物質(zhì)的排放量，還不能同時降低CO2等其他沒有規(guī)范限制的物質(zhì)排放指標，有待結(jié)合其他技術(shù)進一步改進。

尾氣后處理技術(shù)主要有EGR(廢氣再循環(huán)技術(shù))和SCR(選擇性催化還原技術(shù))。EGR利用柴油機排出的部份廢氣與新鮮空氣混合，然后再進入氣缸燃燒室燃燒，使氣缸中含氧量減低，減少NOx的生成量，但該法也會使CO增加，并使煙度值上升[8]；SCR通過微量尿素和高溫NOx反應(yīng)，能夠直接將NOx還原為氮氣和水。EGR和SCR配合電噴發(fā)動機和渦輪增壓技術(shù)，實際測試中能夠有效控制排放指標，達到國三排放標準。

阻火柵欄由于使用中受污染物影響常常造成發(fā)動機進排氣不暢，對柴油發(fā)動機功率輸出和排放指標影響巨大。國內(nèi)外對阻火柵欄進行了大量實驗，測試鋼珠阻火器、波紋管阻火器等很多形式都具有易清洗、透氣量大等特點，也能滿足不傳爆實驗要求，有待進一步驗證和推廣使用。

油電混合技術(shù)地面應(yīng)用相對成熟，近年來受國家補貼政策調(diào)整影響技術(shù)發(fā)展停滯不前，車輛應(yīng)用大幅減少，煤礦移植應(yīng)用難度提高。油電混合技術(shù)經(jīng)過實驗室測定，能夠降低10%～20%的發(fā)動機燃油消耗，從根本上降低發(fā)動機排放，還能克服蓄電池車輛充電等待和成本較高的缺陷，適合在煤礦井下這種類似公交運行工況環(huán)境使用，也不存在政策補貼問題，應(yīng)用前景依舊光明。

3.2 蓄電池車輛發(fā)展方向分析

煤礦特殊型鉛酸蓄電池車輛目前整車牽引和蓄電池等技術(shù)比較穩(wěn)定，由于采取了井下多電池快速更換方式，也不存在充電等待等限制條件，能夠滿足短途循環(huán)往復(fù)連續(xù)作業(yè)需求，并且專業(yè)化維護也能保證蓄電池使用壽命，主要向降低保養(yǎng)維護工作量的免維護電池技術(shù)和充電更快的鉛碳電池技術(shù)方向發(fā)展[9]。

防爆鋰離子蓄電池車輛自身技術(shù)目前已經(jīng)與地面技術(shù)相當，采用了高效節(jié)能的永磁電機技術(shù)、變頻控制技術(shù)、車身輕量化技術(shù)等[10]，完全實現(xiàn)了尾氣零排放，但是受防爆后鋰離子蓄電池能量密度的瓶頸對續(xù)駛里程的限制，最合理發(fā)展方向還是借鑒煤礦特殊型鉛酸蓄電池車輛多電池快速更換的辦法提高車輛利用率和競爭力。鑒于鋰電池維護保養(yǎng)專業(yè)性較強，并且鋰電池車輛低廉的價格不足以維持鋰電池專業(yè)化維護運營費用，因此需要煤礦采購足夠數(shù)量的防爆鋰離子蓄電池車集中使用才能支撐專業(yè)化電池維護團隊運營經(jīng)費需求，也才能發(fā)揮出蓄電池車輛低故障率、高可靠性、高安全性的優(yōu)勢。

3.3 無軌輔助運輸智能化發(fā)展方向分析

解決煤礦井下尾氣污染，也可以通過車輛智能調(diào)度合理分配柴油機車、蓄電池車的使用時間，將井下污染氣體濃度控制在對人體無害的范圍內(nèi)。另外隨著煤礦對安全要求的不斷提高，以及煤礦招工難度的增加，必然要擴大井下裝備智能調(diào)度、遙控、自動控制的應(yīng)用范圍。井下作業(yè)輔助運輸人員占比例最大，因此無軌輔助運輸智能化和無人駕駛方向是礦井減人增效、智慧安全發(fā)展的必由之路。

無軌輔助運輸智能化技術(shù)，部分已經(jīng)在神東煤炭公司下屬煤礦、中煤華晉王家?guī)X煤礦等開始試用，包含了通訊、定位、調(diào)度、司機管理、無人駕駛、安全防護以及維修保養(yǎng)等一系列技術(shù)內(nèi)容， 下一步需要發(fā)展?jié)M足智能無軌輔助運輸運行條件的全礦井覆蓋通訊和定位技術(shù)、車輛智能傳感器技術(shù)和控制技術(shù)，以及無人駕駛相關(guān)標準和檢驗技術(shù)。

4 結(jié) 論

煤礦井下無軌輔助運輸相對軌道運輸具有高效直達、安全少人等優(yōu)勢，國內(nèi)外已經(jīng)形成一套完整的運輸工藝體系和系列化的無軌膠輪車輛裝備。我國更是發(fā)展出規(guī)?；I(yè)化的人員、材料、設(shè)備的運輸管理工藝，開發(fā)出很多適合我國國情的新型無軌輔助運輸裝備。并向技術(shù)更加先進的防爆電噴發(fā)動機車輛、防爆鋰離子蓄電池車輛、無軌輔助運輸智能化的規(guī)模化應(yīng)用方向發(fā)展。已經(jīng)開始走出國門出口到印度等國家，引領(lǐng)世界煤礦井下無軌輔助運輸發(fā)展新方向。