何景強

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006)

隨著我國煤礦開采規(guī)模的不斷擴大，機械化程度較高的無軌輔助運輸工藝己成為高產高效礦井的標配。無軌輔助運輸系統(tǒng)涉及巷道及硐室施工、礦井通風、輔助運輸工藝、裝備配套選型等眾多方面，只有各方面配套協(xié)調才可發(fā)揮其高效的運輸能力[1-3]。目前無軌輔助運輸系統(tǒng)設計的主要依據為《煤礦用防爆柴油機無軌膠輪車安全使用規(guī)范》(AQ 1064—2008)、《煤礦井下輔助運輸設計規(guī)范》(GB 50533—2009)、2016版《煤礦安全規(guī)程》，但隨著國內無軌輔助運輸裝備的高速發(fā)展，煤礦開采設計院、無軌膠輪裝備生產廠家、煤礦業(yè)主三者之間存在一定的信息壁壘，從而給礦井輔助運輸的設計、裝備選型及采購帶來一定困難，導致部分煤礦的無軌輔助運輸系統(tǒng)出現運輸效率不理想、采購的設備不適用、投資過大等現象。另外，部分采用有軌運輸的老舊礦井為了進一步提高經濟效益，有軌運輸改造成無軌運輸的需求也越來越多[3]，因此研究無軌輔助運輸系統(tǒng)適用條件及裝備選型，可以更好的發(fā)揮無軌輔助運輸的效率，避免無效或過度投資具有一定的指導意義。

1 無軌輔助運輸系統(tǒng)的適用條件

煤礦輔助運輸是指除運輸煤炭以外的所有運輸，主要運輸對象包括人員、矸石、設備、輔助材料等，主要運輸線路為地面到工作面、工作面到地面、工作面或采區(qū)之間的周轉等。因此采用無軌輔助運輸系統(tǒng)的礦井，其巷道寬度、高度及路面的抗壓強度必須滿足無軌膠輪車滿載運行的要求，具體涉及巷道、各種硐室、通風等要求。

1.1 無軌膠輪車適用的巷道條件

1.1.1 巷道斷面

巷道寬度應滿足車輛安全行駛的需要。根據2016版《煤礦安全規(guī)程》要求，車輛單向行駛的巷道，巷道寬度應滿足車輛最外側至巷道兩側壁突出物的間距不少于500mm；巷道高度應滿足車輛滿載貨物時的最高點與巷道頂部突出物最低點的距離不少于500mm[1]。目前，無軌輔助運輸中以框架式支架搬運車寬度最大，因此巷道最小凈寬和最低凈高可根據液壓支架重量、尺寸及選配的支架搬運車來確定[4]。車輛雙向行駛的巷道，巷道寬度應滿足兩車錯車間距不低于500mm或設置必要的會車硐室，并設置方向標識。巷道內若設置有人行道，其寬度不得小于1m，否則必須制定專項安全技術措施，嚴格執(zhí)行“行人不行車，行車不行人”的規(guī)定[2]。

1.1.2 巷道坡度

無軌膠輪車的動力特性和地面的附著力極限決定了其不適合在長距離大坡度的情況下使用。在干硬水泥或混凝土路面上，當縱向坡度小于6°時，一般對巷道無特殊要求；當坡度在6°～14°之間，且持續(xù)距離過長時，則每隔一定的距離應設置30～50m的水平緩沖段，以防止車輛在長距離、大載荷爬坡時產生的高溫現象；當坡度超過10°以上時，坡道路面采取適當的防滑措施(如“搓衣板”路面)；當縱向坡度大于14°時，則巷道不適合無軌膠輪車直接運行[4]。依據目前市場上防爆無軌膠輪車的動力特性以及礦方實際使用經驗，車輛在不同坡度下連續(xù)縱向坡道長度的適應能力曲線如圖1所示。對于變化范圍超出10°以上的坡道，坡道起點和終點應設置緩坡路面，建議變坡圓角半徑不得小于18m。另外，為防止車輛的傾翻，巷道的橫向坡度要求不大于7°。

圖1 坡度與坡道長度的關系曲線

1.1.3 巷道頂、底板條件

頂板支護必須牢固，底板路面應平整，不得有大的凸起物和凹坑。在輔助運輸大巷、綜采工作面搬家通道一般采用C30混凝土鋪設300mm厚的硬化路面。采區(qū)主要準備巷道，可采用C20混凝土鋪設150～200mm厚的硬化路面。

1.1.4 巷道轉彎

巷道轉彎處倒角應足夠大，一般建議外轉彎半徑在12m以上，最小不得低于10m，以不妨礙車輛轉彎為宜。在巷道彎道或駕駛員視線受阻的區(qū)段，應設限速、鳴笛和反光條等標志，巷道內還應有里程碑標志。在工作面切眼處應開設車輛掉頭硐室，以方便車輛倒車進入切眼，同時也可以作為會車硐室使用。

1.2 無軌輔助運輸的相關硐室和設施

礦井的無軌輔助運輸系統(tǒng)通常配備的各種車輛硐室包括檢修、存放、加油、換裝、調頭、會車硐室等。各硐室必須采用強度為C20-30的混凝土全部硬化200～300mm厚，地面保持干燥，坡度不大于3‰，有良好的照明，深度超過6m必須強制通風或采用調節(jié)風窗，硐室內應配備相應的滅火器材[2]。

1)檢修硐室：檢修硐室可選址在井筒附近的輔運大巷和回風巷的一條聯巷，可單獨構建也可與存放硐室共用。該硐室長度30～40m，寬6～8m，高6～8m，配備5t防爆行車一部，行車起吊高度不小于4m，行車縱向行程不小于20m，橫向行程不小于5m，配置手拉葫蘆數條，用于車輛大型部件的換裝。為方便檢修車輛底盤，硐室內應設置有地溝，保證地溝干燥[2]。

2)存放硐室：存放硐室大小、位置應根據運行系統(tǒng)實際需要確定。硐室內溫度應不小于5℃，以防止發(fā)動機冷卻水結冰而損壞。硐室要求通風良好，保證車輛處于通風干燥處。能存放10輛左右材料車的硐室，一般長25～30m，寬6～8m，高5～6m，應配置排水溝及滅火器[5-7]。

3)加油硐室：加油硐室可利用大巷之間的聯巷改擴建，該硐室一般長8～10m，寬5～6m，高5～6m，使用不燃性材料支護，地面應平整、干燥，并有獨立的通風系統(tǒng)，硐室內應設置足夠數量用于撲滅燃油火災的滅火器材。加油硐室柴油的儲存量不應超過井下所有車輛8h的用油量[2]。

4)換裝硐室：換裝硐室位于副斜井井底或副立井井底車場附近，該硐室一般長25～30m，寬7～8m，高6～8m，裝有5/10t和10/20t行車各一部(行車噸位依據實際需換裝的機電設備的重量確定)。其中10t行車用于小型機電設備、散料的換裝，20t行車用于采煤機、支架等大型設備的換裝。

5)調頭硐室：當井下輔助運輸巷道無法形成環(huán)路時，在某些路段就一定要設置一些掉頭硐室，以方便車輛完成運輸任務后的返回。根據目前市場上主流車輛參數建議調頭硐室寬度不小于6m，深度不小于10m，硐室轉彎圓角不得小于4.5m。

6)會車硐室：車輛單向行駛的巷道應根據運距、運量、運速及運輸車輛的特性，在巷道的合適位置設置會車硐室，其推薦尺寸如圖2所示。會車硐室一般每隔600～800m設置一個，且會車點應配有信號裝置。

圖2 會車硐室平面圖(mm)

1.3 無軌輔助運輸通風要求

隨著煤礦安全生產環(huán)境標準不斷提升，礦井井下工作場地的各項環(huán)境指標不但要確保井下工作人員生命安全，還要滿足日益增加的人體舒適度需求。無軌膠輪車排放的CO、CO2、NOx等氣體對井下空氣環(huán)境有一定的影響，根據2016年版《煤炭安全規(guī)程》和《煤礦用防爆柴油機無軌膠輪車安全使用規(guī)范》(AQ 1064—2008)規(guī)定，采用煤礦防爆柴油機驅動車輛運輸的礦井，行駛車輛巷道的供風量應當按同時運行的最多車輛數增加巷道配風量，其配風量不小于4m3/(min·kW)[1，2]。因此應根據在井下同時運行的車輛總數來確定發(fā)動機總功率及運行時間，進而計算出配風量。

2 防爆無軌膠輪車配套選型

2.1 無軌膠輪車功能及參數

目前國內的防爆無軌膠輪車技術日趨成熟，已實現完全替代進口，其按照用途分為運人車、運料車、多功能鏟運機、特種搬運車、專用作業(yè)車等5大類；按照驅動裝置可分為防爆柴油機驅動和防爆蓄電池驅動兩種，其中防爆柴油機車輛需滿足非道路國Ⅲ排放標準。隨著礦企對無軌膠輪車尾氣污染問題的重視，蓄電池驅動的車輛已逐漸興起，但目前充電技術及續(xù)航能力有待進一步提高[8-10]。

運人車主要用于人員運輸；運料車主要用于錨桿、錨索、錨網、矸石等各種材料的運輸；多功能鏟運機可實現叉、鏟、卷電纜、輸送帶、升降平臺、拖運平板車及貨斗等多種功能，各工作機構間可快換；特種搬運車主要用于綜采、綜掘工作面的搬家倒面；專用作業(yè)車可實現混凝土攪拌運輸、灑水、送餐、清掃等特殊功能[10]。根據國家安標辦網站2019年末公布的數據，全國共計66家企業(yè)有無軌膠輪車的安標申辦記錄，隨著市場的不斷淘汰，目前主流生產廠家有：山西天地煤機、常州科試、萊州亞通、連云港天明裝備、湖北塞弗精工、航天重型工程裝備、深圳德塔等，其中山西天地煤機是國內最早研制防爆無軌膠輪車的企業(yè)，也是國內唯一具有全系產品的生產廠家，市場占有率超過60%。目前市場上主流防爆柴油機驅動車型和蓄電池驅動車型參數表分別見表1、表2，以供選型參考。

2.2 無軌膠輪車的選型

無軌膠輪車的選型應根據礦井巷道條件、采掘裝備的重量、物料及人員的運量來配置，綜合考慮運輸效率及投資效益。當采用斜井輔運時，配置無軌膠輪車時應盡量滿足所有裝備及物料、人員等一次運輸到位。當采用立井輔運時，主要根據罐籠的尺寸及運載能力來配置無軌膠輪車[3]。以某礦條件為例，其選型過程如下：

表1 主流防爆柴油機驅動的車型參數表

注：表中所列車速均為車輛的設計車速，而在井下巷道中行駛時，車輛運行車速需要滿足《煤礦井下輔助運輸設計規(guī)范》(GB 50533—2009)和2016《煤炭安全規(guī)程》(第三百九十二條)的規(guī)定。

表2 主流蓄電池驅動的車型參數表

注：表中所列車速均為車輛的設計車速，而在井下巷道中行駛時，車輛運行車速需要滿足《煤礦井下輔助運輸設計規(guī)范》(GB 50533—2009)和2016《煤炭安全規(guī)程》(第三百九十二條)的規(guī)定。

已知該礦設計生產能力8.0Mt/a，采用副立井、主斜井綜合開拓方式。大巷及工作面巷道坡度均小于6°，輔運大巷寬度5200mm，去除水管、電纜、溝槽后凈寬約4500mm左右，凈高4200mm，頂部為圓弧頂，各工作面平均運輸距離3340m。罐籠尺寸為(L×W×H)：7150mm×2750mm×5900mm，提升能力50t。采掘設備運輸最大重量45t，支架中心距1.75m，共計115架；最大班下井人員：217人/班，共計10個隊，材料運量(平均按6t/車計)：1個回采工作面，1車/班，瓦斯預抽面2車/班；4個綜掘工作面，每個面2車/班；1個大巷綜掘工作面，4車/班；1個巖巷普掘工作面，4車/班；通修隊，3車/班；機運隊2車/班。設備、備件，6車/班，其它，5車/班，矸石，9車/班(井下回填)，合計59車/班。

2.2.1 無軌膠輪車選型

由于目前蓄電池驅動車輛續(xù)航能力有限，充電管理復雜，采購成本高，僅神東礦區(qū)有部分應用，因此暫不考慮蓄電池驅動車型，后續(xù)隨著運量增大，可適當增配。

礦井日常生產用車配置：運送人員，選用WC20R型防爆運人車，在副立井底轉載；運送散裝物料、矸石、小型設備，選用WCJ8E鉸接料車和WC5J整體自卸車，立井不用轉載；工作巷運輸、管件運送及井筒、大巷帶式輸送機檢修，選用WC3Y整體順槽車；井下生產調度指揮、緊急搶修時運送少量人員、物品，選用WC9R防爆皮卡車；井下矸石裝載及10t級以下的機電設備運送、巷道清理維修、短途物料運輸等，選用WJ-10FB防爆鏟運機，并配有工作機構快換裝置，同時配置鏟斗、鏟叉、升降平臺、平板拖車、平板拖斗、卷電纜裝置、卷帶裝置、破碎錘、吊臂等多種工作機構，矸石由自卸料車運至井下廢舊巷道回填，WJ-10FB鏟運機解體入井，僅在井下作業(yè)，不再升井；巷道降塵，選用WC4S灑水車，可直接入罐，無需轉載；能夠直接入罐升井的車輛采用地面加油，無法直接入罐升井的車輛可由其他車輛運輸油料進行加油；井下送餐選用WC3J運餐車，無需轉載；井下支護、路面硬化混凝土運輸，選用JC2.5混凝土攪拌車，無需轉載；

采掘工作面大型設備搬家倒面用車配置：采煤機、掘進機部分解體后運輸，解體后重量最大不超過45t，選用2臺WC55E鏟板式搬運車運輸；刮板輸送機、轉載機、破碎機、泵站、工作巷帶式輸送機等設備按尺寸局部解體后，選用WC25E鏟板式搬運車或WJ-10FB防爆鏟運機+平板拖車運輸，入井時均需解體；液壓支架總重不超過50t，選用WC50Y支架車整體運輸，搬運車入井時需要解體。

2.2.2 各型無軌膠輪車的數量配置

車輛往返一次總運輸時間計算：

t=t1+t2+t3+ty

(1)

式中，t為無軌膠輪車往返一次所需時間，min；t1為裝車時間，min；t2為卸車時間，取0.5～1.0min；t3為膠輪車調車等待停歇時間，影響因素較多，應按具體情況確定，可取2～4min。

無軌膠輪車臺班運輸能力為：

式中，Qw為每臺無軌膠輪車運載量；T為每班運行時間，按4.5h/班；k1為無軌膠輪車載重量利用系數，取0.9；k2為無軌膠輪車工作時間利用系數，每日一班取0.9，兩班取0.85，三班工作取0.8。

運送矸石、物料、設備無軌膠輪車臺數為：

N=k(Q1+Q2)/Qb

(3)

式中，Q1為礦井每班矸石運輸量，取50t/班；Q2為礦井每班運輸其他設備、材料折算量，按210t/班；k為運輸不均衡系數，取1.15。

經上述計算，并借鑒神華公司的管理模式，礦井初期達產時每班運送矸石和其它物料、設備的無軌膠輪車運行臺數至少為35臺，考慮設備故障時的備用車輛，中、輕型車輛共計配置41臺，采掘工作面搬家倒面用重型車輛配置8臺，合計49臺，具體明細見表3。

表3 無軌膠輪車配置選型表

3 結 語

本文從系統(tǒng)的角度統(tǒng)籌考慮了無軌輔助運輸所涉及的巷道適用條件、巷道通風設計，并根據目前市場上主流車型參數給出了無軌輔助運輸適用的巷道斷面參數、巷道路面及坡道條件、硐室的相關設計參數，為礦井設計及巷道、硐室的無軌化改造提供了參考依據。最后，以某礦井條件數據為基礎，詳細的闡述了無軌膠輪車配套選型計算過程，為煤礦輔助運輸的設計及無軌膠輪車的選型配套提供了參考依據。