趙海興

(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)

煤礦井下輔助運輸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(zhuǎn)等，具有運輸線路隨工作地點的延伸或遷移而經(jīng)常變化，工作地點分散、運輸線路復(fù)雜，待運物料品種繁多及形狀各異，設(shè)備必須防爆等特點[1]。國家能源局公告[2019]2號：截至2018年12月底，我國煤礦安全許可證等證照齊全的生產(chǎn)煤礦3373處，已核準(審批)、開工建設(shè)煤礦1010處。陜蒙地區(qū)平硐或斜井煤礦均采用無軌膠輪化輔助運輸系統(tǒng)；豎井煤礦也全面采用無軌膠輪化輔助運輸方式；全系列的無軌膠輪車功能齊全、承載能力強、運行速度快，使人員、物料及煤礦生產(chǎn)設(shè)備實現(xiàn)點對點運輸，高效和減人的突出優(yōu)勢已被證實。

但是無軌膠輪車的牽引能力和制動效能不能適應(yīng)巷道傾角大于20°的長距離斜井煤礦，所以大部分斜井開拓煤礦尤其是中小煤礦仍然采用小電機車和小絞車牽引的有軌輔助運輸方式。隨著井型和開拓范圍的擴大，輔助運輸距離越來越長，巷道地面起伏不平和頂板條件差等導致了有軌輔助運輸方式效率低下以及事故率偏高[1]?？紤]有軌和無軌混合輔助運輸方式，在斜井巷道采用架空乘人及地面軌道運輸方式，在煤礦井下進行換裝后采用無軌膠輪車運輸方式[2]，可提高人員、物料及煤礦生產(chǎn)設(shè)備的運輸效率。筆者對王坡煤礦防爆無軌膠輪車的應(yīng)用工藝及設(shè)計特點進行了探究分析。

1 山西天地王坡煤業(yè)輔助運輸情況

1.1 巷道條件及硐室布置

礦井生產(chǎn)能力300萬t/a，副斜井傾角23°，長度606m；巷道斷面寬5m，高3.6m；輔運大巷寬4.3m、高3.1m，路面混凝土硬化厚度200～300mm，頂板采用錨桿、錨索支護并噴漿處理，受礦壓影響巷道底鼓和片幫嚴重，巷道局部斷面寬4.0m、高2.6m；巷道粉塵較大，需要用淋水或灑水進行降塵處理；工作面運輸巷寬5m、高3.1m；巷道路況有底鼓變形。礦井井下運輸路況為連續(xù)下8°坡600m，平直路段100m，緊接著連續(xù)下6°坡；往返一趟14km。

副斜井1布置有雙排軌道，同時相向運行的入井或升井礦車由雙滾筒絞車1完成。換裝硐室位于副斜井底，長30m、寬6m、高7m，硐室連接副斜井和輔運大巷，如圖1所示。設(shè)計有10t+10t和20t+20t行車各一部；10t行車用于小型機電設(shè)備及散料的換裝；20t行車用于支架或其他大型設(shè)備的換裝。巷道硬化平整近水平，軌道平面與硬化地面齊平，布置有兩排軌道，礦車可雙排通行。換裝硐室與副斜井1之間設(shè)有一段安全轉(zhuǎn)彎，防止絞車失控，軌道運輸車輛直接沖入換裝硐室。車輛檢修硐室如圖1所示，長70m、寬7m、高8m，裝有5t行車一部和5t吊鏈數(shù)條用于車輛大型部件的換裝；為方便車輛檢修、維護和保養(yǎng)，設(shè)置有地溝。

圖1 副斜井井口及井底換裝站示意圖

1.2 輔助運輸工藝

由于該礦井是將井下的有軌運輸更改為無軌運輸，輔運大巷車輛只能單車道運行，可在聯(lián)巷調(diào)頭。為了避免上行車輛和下行車輛迎面相遇，導致輔運大巷堵塞，車輛上安裝有定位卡，且在巷道中設(shè)置有信號接收基站和交通信號指示。當交通信號指示燈變?yōu)榧t色時，表明有車輛正在上行，由此下行車輛等待，直至信號指示燈變?yōu)榫G色下行車輛方可開始運行。

1.2.1 人員運輸

人員乘坐“猴車”通過副斜井2運行600m、步行100m后到達候車硐室，乘坐無軌膠輪車經(jīng)環(huán)形車道、輔運大巷到聯(lián)巷口，然后步行到工作面；由于工作面巷道尺寸較小，非特殊情況，人員運輸車輛不進入工作面。

1.2.2 物料運輸及綜采設(shè)備搬運

物料及綜采設(shè)備通過牽引絞車1輔助運送到井底，直接進入換裝硐室，換裝硐室的寬度尺寸可保證無軌膠輪車與軌道礦車的并列，用10t+10t行車起吊礦車，通過分別控制兩個10t起吊繩索的高度，橫向移動行車到貨廂上方將物料卸載到無軌膠輪車上，井底物料換裝方式如圖2所示。袋裝的水泥和沙子與石子裝載到額定1.5t的礦車運至換裝硐室，8t材料運輸車貨廂可容納5輛礦車的貨物，總載荷約為8～9t。大長物料使用專用平板車運輸，為了提高運輸效率，可以將平板車和物料一同吊入8t材料運輸車貨廂內(nèi)運輸，也可將大長物料綁扎后吊入貨廂內(nèi)運輸。8t材料運輸車運行線路如圖1中的箭頭所指，從輔運大巷經(jīng)過環(huán)形車道到換裝硐室，再到輔運大巷運行至聯(lián)巷，利用8t車雙向駕駛操縱的優(yōu)點，駕駛員乘坐前座椅駕駛車輛反向行駛到指定地點，后翻自卸快速卸載；該輔助運輸工藝可提高運輸效率及安全性。工作面運輸巷的物料運輸由雙向駕駛、側(cè)翻自卸的3t材料運輸車完成。為了提高無軌膠輪車在大巷或工作巷的爬坡附著性能，在局部路段布置有表面防滑處理的鋼板。

圖2 井底物料換裝示意圖

采煤機部件、液壓支架放置在平板車上，通過牽引絞車1輔助運送到井底，采用20t+20t行車換裝到40t框架式支架搬運車上運送至工作面；移變列車、刮板輸送機拆解后的零部件由40t框架式支架搬運車或8t材料運輸車運送到工作面。液壓支架和采煤機前后搖臂和滾筒的回撤搬運均由40t框架式支架搬運車完成；中部槽可采用4t多功能車逐個轉(zhuǎn)移到8t車上運送至新工作面。

1.2.3 無軌膠輪車入井及升井

無軌膠輪車由單滾筒牽引絞車2輔助入井或升井。入井時無軌膠輪車尾部與絞車連接，車輛Ⅰ檔運行并啟動絞車，緩慢的從斜井口駛?cè)氲骄?。當車輛需要升井進行維修時，人員運輸車和材料運輸車不需要自驅(qū)動，只要保證車輛轉(zhuǎn)向和制動正常工作，由絞車牽引車輛升井；重型搬運車需要自身驅(qū)動并需慢速絞車牽引升井，車輛行駛速度和絞車牽引速度須保持同步。

2 無軌膠輪車車型配置

王坡煤業(yè)每班入井人員約400人，考慮井下車輛的污染、巷道會車及井下各作業(yè)點人員分布特點等因素，配置多輛機械傳動、四檔位變速的29座人員運輸車循環(huán)運行完成任務(wù)。單班入井物料約為150t，回收物料80t，配置8t材料運輸車為主力車型，3t材料運輸車為輔助車型。同時由兩輛8t車專門點到點運輸混凝土，完成路面硬化工作。無軌膠輪車型配置見表1。

表1 王坡煤業(yè)無軌膠輪車特征及配置數(shù)量

由表1可以看出，8t材料運輸車使用頻繁且運行時間長，該車型設(shè)計完全適應(yīng)王坡煤礦井下狹窄和低矮的巷道條件，符合運輸工藝。

3 無軌膠輪車設(shè)計特點

3.1 8t材料運輸車

3.1.1 總體設(shè)計

8t材料運輸車長8215mm、寬2360mm、高1860mm；整車最小離地間隙為335mm；貨廂側(cè)圍板上邊沿距地面1400mm；外形如圖3所示。

圖3 8t材料運輸車外形示意圖

為降低前車架高度，采用井下工程類車輛常用的駕駛艙布置在前車架一側(cè)并位于輪胎前方的方案，方向盤相對駕駛員呈側(cè)向布置，方便實現(xiàn)雙向駕駛操縱，可調(diào)式減振座椅、加速和制動踏板均沿方向盤軸線對稱設(shè)置，駕駛員可面向車輛運行方向前進或后退駕駛，方便在不能調(diào)頭的狹窄巷道中裝卸貨物。為提高雙向加速操控的靈敏性和可靠性，采用氣壓式比例加速裝置；換向和檔位操縱也采用氣壓式控制，這兩項技術(shù)易于實現(xiàn)雙向操縱。充分比較運輸車輛空氣彈簧懸掛、鋼板彈簧懸掛和油氣彈簧懸掛的優(yōu)缺點，采用專門設(shè)計的前后油氣懸掛系統(tǒng)[3]。前后橡膠充填輪胎為定制設(shè)計，既可保證承載能力又能降低整車高度。

后車架設(shè)計為無支撐橋邊梁套架式結(jié)構(gòu)，貨廂裝卸高度可調(diào)節(jié)，具有裝卸高度低、自卸性能好的特點。貨廂后擋板可快速拆裝，運輸散料及混凝土時需安裝后擋板，其余作業(yè)拆除后擋板[3，4]。當順槽車(寬度尺寸1600mm，整車整備質(zhì)量6200kg)出現(xiàn)故障時，可直接裝載到8t材料運輸車貨廂內(nèi)，如圖4所示，最大高度2670mm，被運送到指定地點。

圖4 8t材料車裝載順槽車示意圖

為了增強整車在低矮巷道的通過能力，兩種懸掛油缸的振動阻尼行程不大于150mm，可實現(xiàn)車身高度調(diào)節(jié)；當懸掛油缸的活塞桿伸出一半行程時，車輛處于水平姿態(tài)，這時變速箱到驅(qū)動橋的傳動軸夾角最小，利于車輛正常行駛。阻尼行程的確定一方面要保證車輛能越過矩形坑或障礙物時不損壞車架；另一方面當懸掛油缸活塞桿縮至最短或伸出最長時傳動軸的工作夾角小于許用角度。

3.1.2 動力傳動系統(tǒng)設(shè)計

整車設(shè)計為綜合式驅(qū)動橋前輪驅(qū)動，后輪從動；防爆柴油機匹配國產(chǎn)單級雙相綜合式液力變矩器和前進、后退各三個檔位的動力換擋變速箱，具體技術(shù)參數(shù)見表2。將車輛運行路普及工況和運輸載荷作為邊界條件，依據(jù)工程車輛液力傳動系統(tǒng)全功率匹配原則進行計算，車輛在防爆柴油機油門全開狀態(tài)時Ⅰ檔升Ⅱ檔的柴油機轉(zhuǎn)速為1880r/min，Ⅱ檔升Ⅲ檔的柴油機轉(zhuǎn)速為1930r/min；Ⅲ檔降Ⅱ檔的柴油機轉(zhuǎn)速為2290r/min，Ⅱ檔降Ⅰ檔的柴油機轉(zhuǎn)速為2350r/min；變速箱換擋對應(yīng)的柴油機轉(zhuǎn)速均在常用的轉(zhuǎn)速范圍，且柴油機與變矩器共同工作曲線在變矩器高效(≥75%)工作區(qū)間。傳動油散熱采用水冷卻方式，不受防爆柴油機風扇轉(zhuǎn)速影響，傳動效率穩(wěn)定，低速持續(xù)爬坡能力更強，滿足礦井使用要求。

由表2可知，整車軸荷分配合理，前輪的附著能力滿足牽引要求；防爆柴油機和變矩器的技術(shù)特性參數(shù)選取及匹配計算合理；動力換擋變速箱各檔位速比和驅(qū)動橋速比設(shè)計分配合理。

表2 動力傳動系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

3.1.3 制動系統(tǒng)設(shè)計

由于8t材料運輸車在井下運行路況坡度大、距離長，要求整車設(shè)計的駐車制動及行車制動安全可靠。駐車制動由前驅(qū)動橋失壓型彈簧制動器和后輪失壓型彈簧制動器共同作用實現(xiàn)。行車制動由前驅(qū)動橋液壓給油多盤濕式制動器和后輪失壓型彈簧制動器共同作用完成，液壓控制系統(tǒng)為雙回路控制；制動踏板閥為雙閥體，通過該閥實現(xiàn)前輪制動器給油制動與后輪制動器卸油制動同步，使前、后輪制動同時起作用且制動特性基本一致，提高了整車運行安全系數(shù)，得到了礦方的高度認可。

3.1.4 工作裝置設(shè)計

整車貨廂內(nèi)寬設(shè)計為1650mm，貨廂底板距地面設(shè)計為580mm；如前所述，貨廂可直接裝載順槽車。為了滿足長件物料尤其是散料的快速卸載要求，貨廂內(nèi)部設(shè)計為平整型結(jié)構(gòu)；為了提高散件或小型零部件的換裝效率，軌道礦車外形尺寸小于貨廂內(nèi)空間尺寸，軌道礦車及散件或小型零部件一并裝載到貨廂內(nèi)部，將貨廂底板尾部上翹一定角度可防止貨廂內(nèi)軌道礦車溜出，同時需要在貨廂尾部用繩索進行捆綁，貨廂裝載軌道礦車如圖5所示。

圖5 8t材料車裝載軌道礦車示意圖

貨廂采用后翻自卸方式，為了使貨廂的自卸角度大于煤礦井下散裝物料的安息角、貨廂最大舉升高度小于巷道凈高度，貨廂嵌入式安裝在后車架上，左右兩個雙級舉升油缸傾斜對稱布置在貨廂的外側(cè)，一端與后車架縱梁連接，另一端與貨廂側(cè)板中上部連接，貨廂側(cè)板可將油缸及后輪胎防護起來，而且要使貨廂的上邊沿離地面高度低，擴大倒車行駛時的可視范圍。

3.2 其他無軌膠輪車

29座人員運輸車設(shè)計為六缸大功率防爆柴油機，機械傳動、三個檔位切換；車輛客廂與駕駛室之間設(shè)計有信號聯(lián)絡(luò)，保證人員上下乘坐安全。3t材料運輸車設(shè)計四氣門渦輪增壓柴油機匹配靜液壓閉式傳動系統(tǒng)，無級變速；整車外形尺寸完全滿足礦井工作面巷道運行；貨廂設(shè)計為側(cè)翻自卸方式，卸載快速，最大自卸高度小。40t框架式支架搬運車為封底式結(jié)構(gòu)型式，底板尾部可接地，并設(shè)計有雙牽引絞車和雙推移油缸，方便卸載液壓支架；除運送支架外，還可以運輸其他大型設(shè)備裝卸省時、省力。

由此可見，王坡煤業(yè)配置的無軌膠輪車可完成人員、物料及設(shè)備的運輸和搬遷任務(wù)。每種無軌膠輪車的設(shè)計完全依據(jù)礦井巷道條件和輔助運輸工藝。

4 無軌膠輪車應(yīng)用效果

4.1 運輸效率提高

山西天地王坡煤業(yè)采用無軌輔助運輸方式后，人員從井下?lián)Q裝站乘車到工作面的時間由60min縮短到20min，且極大減輕了工人的勞動強度；物料運輸量由120t增加到480t；綜采工作面搬家倒面時間由90d縮短到30d[7]。

4.2 運輸安全性提高

采用有軌、架空乘人和無軌混合輔助運輸方式減少了轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)和人員的數(shù)量，間接提高了輔助運輸?shù)陌踩?；避免了軌道運輸系統(tǒng)中增加的輔助設(shè)施，減少了機械安全隱患；特別在工作面設(shè)備安撤運輸中，隨著機械化程度的提高、工作面設(shè)備安撤時間縮短，安全管理難度明顯降低；同時減少了作業(yè)人員高強度作業(yè)時間，間接預(yù)防了人員傷亡事故的發(fā)生[8-11]。

5 結(jié) 論

1)在規(guī)劃煤礦輔助運輸系統(tǒng)時，設(shè)備的設(shè)計不僅要依據(jù)運輸量和外形尺寸等技術(shù)參數(shù)，而且要從煤礦的地質(zhì)狀況、運輸效率等因素進行全局考慮，特別是要考慮這幾種因素的相互影響。大傾角斜井開拓煤礦采用架空乘人裝置和無軌膠輪車混合的人員運輸方式、有軌和無軌快速換裝的物料及設(shè)備運輸方式是必然選擇。

2)王坡煤業(yè)從有軌運輸更改為無軌運輸方式，設(shè)備及材料通過軌道平板車運輸?shù)骄缀髶Q裝到無軌膠輪車上，根據(jù)設(shè)備及材料的種類設(shè)計并配置最佳膠輪車型，實現(xiàn)“點到點”運輸，形成了獨特的輔助運輸工藝。由于煤礦的產(chǎn)能不大，工作面的設(shè)備載荷小，材料運輸車的額定載荷在8t以下、設(shè)備搬運車輛額定載荷在40t以下即可滿足使用需求，且無軌膠輪車外形尺寸及舉升最大高度可滿足巷道要求。

3)對擬采用架空乘人、有軌和無軌的混合輔助運輸?shù)男本_拓煤礦，井下巷道設(shè)計執(zhí)行《煤礦用防爆柴油機無軌膠輪車安全使用規(guī)范》(AQ 1064—2008)。在換裝系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)充分考慮無軌與有軌的換裝要求，滿足換裝能力，保證有軌與無軌運輸?shù)倪B續(xù)性、盡量實現(xiàn)機械化作業(yè)。