毛加寧，王紹留

(1.云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 曲靖 655001；2.云南省能源安全監(jiān)測(cè)中心，云南 昆明 650041)

0 引 言

一般情況下，構(gòu)造復(fù)雜傾角較小緩斜煤層斜井開(kāi)拓礦井從副斜井、井底車場(chǎng)、軌道運(yùn)輸大巷、采區(qū)軌道上山、工作面機(jī)軌合一運(yùn)輸巷到采煤工作面等需要經(jīng)過(guò)副斜井絞車串車提升，井底車場(chǎng)、軌道運(yùn)輸大巷蓄電池電機(jī)車串車運(yùn)輸、采區(qū)軌道上山、工作面機(jī)軌合一運(yùn)輸巷無(wú)極繩絞車牽引串車運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)多，轉(zhuǎn)載繁瑣，運(yùn)輸效率低、安全性能差；無(wú)極繩絞車受巷道起伏變化，底板軟巖底臌等影響較大，且巷道變坡點(diǎn)較多，高低落差較大時(shí)，低凹處副繩很難被壓繩輪壓住，主繩易與頂板接觸，產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，在摩擦破壞巷道頂板的同時(shí)，還縮短了鋼絲繩的使用壽命。另外，無(wú)極繩絞車受巷道浮煤、浮矸、底板不實(shí)等因素影響，易出現(xiàn)掉道、翻車等事故，給安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的隱患。

單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，運(yùn)行速度快，載重量大，安全可靠，靈活性、對(duì)巷道適應(yīng)性強(qiáng)，可以在多彎道、多起伏的巷道中使用，并與多條巷道連通使用，實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備或人員的連續(xù)安全運(yùn)輸。單軌吊作為一種新的安全、高效的輔助運(yùn)輸方式正在被廣泛使用。

1 礦井概況

曲靖某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)量600 kt/a，開(kāi)采恩洪礦區(qū)6-Ⅱ井田部分區(qū)域的C8、C9、C11、C14、C14+1、C15b和C16煤層，C8、C9、C11煤層為上組煤，C14、C14+1、C15b和C16煤層為中組煤。煤(巖)層傾角8～15°，平均傾角12°，屬傾角較小的緩斜煤層。

礦井采用斜井開(kāi)拓，設(shè)主斜井、副斜井、行人井及回風(fēng)斜井4個(gè)井筒。主斜井采用膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸，副斜井采用絞車串車提升運(yùn)輸，行人井安裝架空乘人裝置運(yùn)送人員，回風(fēng)斜井擔(dān)負(fù)礦井回風(fēng)任務(wù)，兼作安全出口。

礦井設(shè) +1 950 m 和 +1 835 m 兩個(gè)開(kāi)采水平，+1 950 m 為一水平，+1 835 m 為二水平，每個(gè)開(kāi)采水平設(shè)1個(gè)采區(qū)開(kāi)采。一水平一采區(qū)開(kāi)采上組煤C8、C9、C11煤層，二水平一采區(qū)開(kāi)采中組煤C14、C14+1、C15b和C16煤層。一水平一采區(qū)上組煤已基本采完，副斜井已經(jīng)延申至+1 835 m 水平，+1 835 m 水平軌道運(yùn)輸大巷，二水平一采區(qū)回風(fēng)大巷(C15b)、一采區(qū)材料斜巷、一采區(qū)膠帶運(yùn)輸巷(C16)、一采區(qū)C15b煤層211501綜采面機(jī)軌合一運(yùn)輸巷、211501綜采面回風(fēng)巷和開(kāi)切眼等巷道已經(jīng)掘進(jìn)完成。

采區(qū)巷道采用傾斜長(zhǎng)壁巷道布置方式，工作面順槽沿煤層傾向或偽斜方向定向掘進(jìn)，受褶皺及斷層構(gòu)造影響波伏起伏不平。

2 單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)方案

如果采用軌道輔助運(yùn)輸方式，自地面至井下綜采面，副斜井采用絞車提升運(yùn)輸，+1 835 m水平井底車場(chǎng)和+1 835 m水平軌道運(yùn)輸大巷采用蓄電池電機(jī)車牽引串車運(yùn)輸，二水平一采區(qū)材料斜巷采用雙速絞車提升運(yùn)輸，211501綜采面機(jī)軌合一運(yùn)輸巷采用無(wú)極繩絞車運(yùn)輸，這樣才能把支護(hù)材料、設(shè)備及其部件等運(yùn)到211501綜采面或掘進(jìn)準(zhǔn)備工作面掘進(jìn)迎頭，且這種運(yùn)輸方式及運(yùn)輸環(huán)節(jié)安全隱患多。

由于單軌吊車機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、運(yùn)行速度快、載重量大、安全可靠，該礦研究決定對(duì)礦井輔助運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造，在+1 835 m二水平開(kāi)采中組煤C14、C14+1、C15b和C16煤層時(shí)采用單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行輔助運(yùn)輸。從地面經(jīng)副斜井、+1 835 m水平井底車場(chǎng)、+1 835 m水平軌道運(yùn)輸大巷、二水平一采區(qū)材料斜巷、211501綜采面機(jī)軌合一運(yùn)輸巷至211501綜采面開(kāi)切眼等采用單軌吊擔(dān)負(fù)輔助運(yùn)輸任務(wù)。副斜井傾角-25°，斜長(zhǎng)200 m，+1 835 m水平井底車場(chǎng)50 m，+1 835 m水平軌道運(yùn)輸大巷620 m，二水平一采區(qū)材料斜巷傾角25°，斜長(zhǎng)250 m，211501綜采面機(jī)軌合一運(yùn)輸巷沿C15b(C16)煤層布置，傾角-12°，斜長(zhǎng)450 m，單軌吊輔助運(yùn)輸，最遠(yuǎn)運(yùn)輸距離約為 1 570 m。

2.2 單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)巷道支護(hù)的要求

2.2.1 單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)巷道支護(hù)的影響

單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，運(yùn)輸巷道及巷道支護(hù)除了滿足圍巖承載要求外， 還必須承擔(dān)單軌吊車組的載荷。其巷道寬度、高度則應(yīng)按其自身的特點(diǎn)確定。

1)單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)錨網(wǎng)噴巷道支護(hù)的影響。單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)軌道采用錨索(錨桿)、吊掛板、高強(qiáng)度螺栓、圓環(huán)鏈、U型索具等吊具懸掛，固定在巷道頂板上，要求巷道頂板不僅要承載圍巖本身的載荷，還必須承擔(dān)單軌吊車組的載荷。另外，單軌吊運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)左右和上下擺動(dòng)現(xiàn)象，隨著單軌吊左右擺動(dòng)，鑒于錨索繩體的特性，長(zhǎng)時(shí)間后，錨索孔間隙會(huì)逐漸加大，錨固力也會(huì)隨之下降。為減少吊掛板擺動(dòng)幅度，本項(xiàng)目采用錨索+錨桿組合固定單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)軌道；錨索錨深根據(jù)巷道頂板直接頂厚度確定，使其進(jìn)入老頂?shù)纳疃炔坏?500 mm，并要求其錨固力不得<80 kN；錨桿采用樹(shù)脂錨桿，桿體直徑為20 mm，錨深 2 200 mm，樹(shù)脂錨固劑，錨固力不得<80 kN。

2)單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)架棚巷道支護(hù)的影響。單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)將載荷懸吊在巷道頂部的單軌上，車組所有載重均通過(guò)單軌作用于架棚巷道支護(hù)上， 所以對(duì)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響。

單軌吊車組在啟動(dòng)、 變速行駛和制動(dòng)過(guò)程中，對(duì)架棚巷道支護(hù)產(chǎn)生水平?jīng)_擊作用；另外在坡段運(yùn)輸時(shí)， 載重物重力沿支護(hù)縱向存在分力，所以巷道支護(hù)必須有良好的縱向穩(wěn)定性。 一般要求巷道(尤其是傾斜巷道)支架之間設(shè)置拉桿，進(jìn)行連鎖控制，以提高支架的穩(wěn)定性和縱向防倒能力，滿足單軌吊車安全運(yùn)行。架棚巷道支架間距盡量與單軌吊軌道的長(zhǎng)度相適應(yīng)，每3 m須設(shè)一懸吊點(diǎn)，特殊軌和道岔處還必須根據(jù)實(shí)際布設(shè)懸吊點(diǎn)。

架棚巷道支護(hù)強(qiáng)度方面，單軌吊運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，架棚巷道支護(hù)除了滿足圍巖承載要求外， 還必須承擔(dān)單軌吊車組的載荷。

2.2.2 單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)巷道斷面尺寸

1)規(guī)程、規(guī)范對(duì)單軌吊輔助運(yùn)輸巷道斷面尺寸的相關(guān)要求。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016版)第90條對(duì)安全間隙的相關(guān)規(guī)定，“單軌吊車運(yùn)輸巷道應(yīng)符合：頂部最小安全間隙為0.5 m，兩側(cè)最小安全間隙為 0.85 m，曲線巷道段應(yīng)在直線巷道允許安全間隙的基礎(chǔ)上，內(nèi)側(cè)加寬≥0.1 m，外側(cè)加寬≥0.2 m。巷道內(nèi)外側(cè)加寬要從曲線巷道段兩側(cè)直線段開(kāi)始，加寬段的長(zhǎng)度≥5.0 m”；第91條對(duì)人行道相關(guān)規(guī)定，“綜合機(jī)械化礦井必須留有1.0 m以上的人行通道”。

根據(jù)《煤礦巷道斷面和交叉點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50419—2017)對(duì)單軌吊斷面的相關(guān)要求：?jiǎn)诬壍踹\(yùn)輸設(shè)備巷道，人行道的凈高不得<1.8 m。在凈高1.6 m范圍內(nèi)人行道的寬度和單軌吊運(yùn)輸、架空乘人裝置運(yùn)人巷道不得<1.0 m；單軌吊運(yùn)輸設(shè)備與巷道側(cè)邦支護(hù)、管線、設(shè)施之間的安全間隙最小值為0.85 m，與巷道頂部的支護(hù)或設(shè)施之間的安全間隙最小值為0.5 m，與巷道底板之間的安全間隙最小值為0.3 m。

2)確定單軌吊輔助運(yùn)輸巷道斷面尺寸應(yīng)考慮的因素。單軌吊運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)左右和上下擺動(dòng)，確定巷道斷面尺寸時(shí)，應(yīng)按單軌吊運(yùn)行輪廓尺寸計(jì)算單軌吊運(yùn)行寬度。單軌吊運(yùn)行寬度L=2L1+L2,其中L2為單軌吊設(shè)備寬度，L1為單軌吊單側(cè)擺動(dòng)幅度，取L1=150 mm。

單軌吊巷道高度H。確定運(yùn)行巷道高度H=r+h0+h1+α，其中r為軌道懸吊后到巷頂?shù)母叨?，與軌道的懸吊方式有關(guān)；h0為軌道下平面到設(shè)備頂部的高度，除與承載梁、起吊梁自身結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與設(shè)備的起吊程度，即起吊梁是否處于水平狀態(tài)有關(guān)；h1為設(shè)備高度；α為設(shè)備與巷底間的安全高度。

確定單軌吊與地軌轉(zhuǎn)載點(diǎn)處巷道高度時(shí)，須增加平車盤和地軌面高度因素b，同時(shí)還要考慮設(shè)備起吊前或卸載后，單軌吊起吊梁部分(包括起吊葫蘆)需從起吊或卸載后的設(shè)備上方通過(guò)。

綜合以上規(guī)程、規(guī)范規(guī)定，并考慮單軌吊在運(yùn)行過(guò)程中存在上下、左右擺動(dòng)的情況及大件尺寸，本項(xiàng)目選取巷道斷面：凈寬3.15 m，凈高3.3 m。單軌吊運(yùn)行巷道斷面如圖1、2所示。

2.3 單軌吊機(jī)車選型計(jì)算

2.3.1 單軌吊牽引方式的選擇

單軌吊有鋼絲繩牽引、蓄電池動(dòng)力牽引和柴油機(jī)動(dòng)力牽引3種牽引方式。鋼絲繩牽引單軌吊僅可在一條巷道內(nèi)使用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)輸，且需要大量的繩輪，繩輪會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力，且存在斷繩等不安全因素；蓄電池動(dòng)力牽引單軌吊系統(tǒng)運(yùn)行噪聲小，故障率低，易于檢修維護(hù)，價(jià)格便宜，但牽引動(dòng)力較弱，上坡運(yùn)行困難，不適合煤礦運(yùn)送大件設(shè)備。防爆低污染柴油機(jī)動(dòng)力牽引單軌動(dòng)力強(qiáng)，適合煤礦上坡運(yùn)行時(shí)運(yùn)送大件設(shè)備。

綜上所述，本項(xiàng)目選用防爆柴油機(jī)動(dòng)力牽引單軌吊用于礦井大型設(shè)備、人員和材料的連續(xù)運(yùn)輸。

2.3.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

滿足在多彎道、多起伏、多岔道，坡度≤25°的多條巷道中連續(xù)、安全、高效地運(yùn)送采掘工作面采煤機(jī)、綜采支架、三機(jī)部件、綜掘機(jī)及其他物料設(shè)備，尤其是運(yùn)送大件設(shè)備的要求。

2.3.3 柴油動(dòng)力單軌吊機(jī)車選型計(jì)算

曲靖某礦運(yùn)輸最大重件為ZY3200/09/21型掩護(hù)式液壓支架(質(zhì)量8.92 t，高0.9 m，寬1.42 m)，配備1組 24 t 馬達(dá)起吊梁(配備十字梁、護(hù)板)。預(yù)選1臺(tái)DC210/160Y型防爆柴油機(jī)單軌吊機(jī)車作為大件運(yùn)輸?shù)臓恳O(shè)備，主要技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 DC210/160Y型防爆柴油機(jī)單軌吊機(jī)車主要參數(shù)

1)運(yùn)輸最大件所需牽引力驗(yàn)算。礦井最大運(yùn)行坡度25°，年工作時(shí)間330 d，每班6 h；運(yùn)輸總長(zhǎng)度 1 570 m；24 t 載荷重型起吊梁，自重 4 800 kg；拉桿、軟管及其他連接管線1套自重300 kg；ZY3200/09/21型掩護(hù)式液壓支架最重 8 920 kg。

列車牽引掩護(hù)式液壓支架牽引力計(jì)算：

F=[(P1+P2+P3+P4+P5+P6)(sinα+ωcosα)g]/1 000

(1)

式(1)中：F為運(yùn)送ZY3200/09/21型掩護(hù)式液壓支架所需牽引力，kN；P1為機(jī)車質(zhì)量，11 040 kg；P2為制動(dòng)車質(zhì)量，200 kg；P3為拉桿、軟管及其他連接管線1套，300 kg；P4為吊運(yùn)梁質(zhì)量，4 800 kg；P5為司機(jī)體重，2×75 kg；P6為最大件質(zhì)量，8 920 kg；礦井最大運(yùn)行坡度α=25°；ω為摩擦系數(shù)，取0.03；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

通過(guò)計(jì)算，列車牽引ZY3200/09/21型掩護(hù)式液壓支架牽引力F=112.12 kN<210 kN，滿足要求。

2)機(jī)車防滑計(jì)算。DC210/160Y型防爆柴油機(jī)單軌吊機(jī)車，保護(hù)制動(dòng)和停車制動(dòng)裝置為失效安全型，當(dāng)機(jī)車出現(xiàn)故障時(shí)，制動(dòng)裝置自動(dòng)抱死。

運(yùn)送最大件時(shí)的下滑力為：

Ff=[(P1+P2+P3+P4+P5+P6)(sinα-ωcosα)g]/1000

(2)

式(2)中：Ff為運(yùn)送最大件時(shí)的下滑力，kN；P1為機(jī)車質(zhì)量，11 040 kg；P2為制動(dòng)車質(zhì)量，200 kg；P3為拉桿、軟管及其他連接管線1套，300 kg；P4為吊運(yùn)梁質(zhì)量，4 800 kg；P5為司機(jī)體重，2×75 kg；P6為最大件質(zhì)量，8 920 kg；ω為摩擦系數(shù)，取0.03；g為重力加速度，取9.81 m/s2。通過(guò)計(jì)算，F(xiàn)f=98.56 kN。

3)機(jī)車重載下坡時(shí)的制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離的核算。

P為單軌吊列車自身及司機(jī)總質(zhì)量，P=P1+P2+P3+P4+P5=16 490 kg；Q為最大件質(zhì)量(有效載荷質(zhì)量)，Q=P6=8 920 kg；m為總質(zhì)量，m=P+Q=25 410 kg；F0為列車運(yùn)行阻力，F(xiàn)G為慣性力，通過(guò)計(jì)算F0=7.48 kN，F(xiàn)G=105.34 kN。

制動(dòng)減速度a=16.84 m/s2，制動(dòng)距離s：

(3)

式(3)中：s為制動(dòng)距離，m；v為設(shè)計(jì)運(yùn)行速度，2.8 m/s；a為制動(dòng)減速度，16.84 m/s2。通過(guò)計(jì)算，s=0.233 m<4 m。單軌吊機(jī)車在以設(shè)計(jì)速度v(2.8 m/s)向下運(yùn)行時(shí)，通過(guò)計(jì)算，s為0.233 m<4 m，滿足要求。

4)功率驗(yàn)算。DC210/160Y型防爆柴油機(jī)單軌吊機(jī)車，運(yùn)送最大件ZY3200/09/21型掩護(hù)式液壓支架，在礦井最大坡度25°向上運(yùn)輸，以速度1.0 m/s 運(yùn)行時(shí)，所需最大牽引力F=112.12 kN，所需功率為：

W=kFv

(4)

式(4)中：W為單軌吊機(jī)車在礦井最大坡度25°向上運(yùn)輸時(shí)所需功率，kW；k為富裕系數(shù)，取k=1.3；單軌吊機(jī)車最大牽引力F=112.12 kN；單軌吊機(jī)車在礦井最大坡度25°向上運(yùn)輸時(shí)運(yùn)行速度v=1.0 m/s。W=145.76 kW<160 kW±5%，滿足要求。

由以上計(jì)算可知：DC210/160Y型防爆柴油機(jī)單軌吊機(jī)車滿足使用要求。

2.4 單軌吊懸掛系統(tǒng)選擇與計(jì)算

2.4.1 一采區(qū)材料斜巷及工作面巷道單軌吊軌道懸掛

+1 835 m水平一采區(qū)材料斜巷，211501綜采面機(jī)軌合一運(yùn)輸巷等巷道，單軌吊采用錨索生根的形式懸掛，錨索長(zhǎng)度為：

L≥L1+L2+L3=0.06+6.7+0.5=7.26 m

(5)

式(5)中：L1為外露長(zhǎng)度，cm，L1=托板厚度2 cm+鐵墊厚度1 cm+螺母厚度+(2～3 cm)，取L1=6 cm；L2為易碎直接頂厚度，根據(jù)煤礦頂板情況，取6.7 m；L3為伸入老頂長(zhǎng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，最小取30 cm，本設(shè)計(jì)取50 cm。

考慮到C15b煤層頂板的巖性特征及穩(wěn)定性，巷道內(nèi)應(yīng)留夠一定的富?？臻g；由于錨索過(guò)長(zhǎng)會(huì)增大施工難度，本項(xiàng)目選用SKP18-1/1860礦用錨索，長(zhǎng)度為8 m，錨固力不得<80 kN，連接螺栓為10.9級(jí)以上高強(qiáng)度螺栓，圓環(huán)鏈規(guī)格為18 mm×64 mm，U型索具額定載荷在8.5 t以上。

一般情況下，使用過(guò)程中隨著單軌吊長(zhǎng)時(shí)間的左右擺動(dòng)，錨索孔間隙會(huì)逐漸加大，錨固力也會(huì)隨之下降。為克服錨索自身的這一缺點(diǎn)，減少吊掛板擺動(dòng)幅度，本項(xiàng)目結(jié)合該礦實(shí)際情況，采用錨桿+錨索組合固定單軌吊軌道，錨桿為樹(shù)脂錨桿，桿體直徑為 20 mm，樹(shù)脂錨固劑，錨深 2 200 mm，錨固力不得<80 kN，懸掛方式如圖3所示。

圖3 二水平一采區(qū)材料斜巷工作面巷道軌道懸掛布置Fig.3 Track suspension layout of material inclined roadway working face in horizontal and mining area

2.4.2 副斜井、井底車場(chǎng)及軌道運(yùn)輸巷等單軌吊軌道懸掛

副斜井采用半圓拱粗料石砌碹、馬蹄形U29鋼可縮性支架支護(hù)，+1 835 m水平井底車場(chǎng)、+1 835 m水平軌道運(yùn)輸大巷等巷道寬度2.9～4.5 m，高度2.52～3.86 m，采用錨網(wǎng)帶噴索支護(hù)，局部采用U29鋼可縮性支架支護(hù)。單軌吊采用U29型鋼可縮性支架作為支架材料，其強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)算如下：

1)簡(jiǎn)支梁幾何條件。梁長(zhǎng)L= 4.2 m(弧形拱梁，弧長(zhǎng)4.2 m)。

2)荷載及撓度控制參數(shù)。吊掛點(diǎn)恒載標(biāo)準(zhǔn)值：

g=Qq÷Lq×lq÷cosθ

(6)

式(6)中,g為吊掛點(diǎn)恒載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Qq為起吊梁自重，Qq=48 kN；Lq為起吊梁長(zhǎng)度，Lq=12 m；lq為受力點(diǎn)間距，均衡分布lq=0.8 m；θ為受力點(diǎn)偏移角，θ=39°。通過(guò)計(jì)算，g=4.12 kN。

吊掛點(diǎn)活載標(biāo)準(zhǔn)值：

q=Qj÷Lj×lj×ccosθ

(7)

式(7)中,q為吊掛點(diǎn)活載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Qj為起吊梁自重，Qj=48 kN；Lj為起吊梁長(zhǎng)度，Lj=12 m；lj為受力點(diǎn)間距，均衡分布lj=0.8 m；θ為受力點(diǎn)偏移角，θ=39°。通過(guò)計(jì)算，吊掛點(diǎn)活載標(biāo)準(zhǔn)值q=13.73 kN。

恒載分項(xiàng)系數(shù)：γG=1.2；活載分項(xiàng)系數(shù)：γQ=1.4；跨中撓度相對(duì)值控制值Vk=1/150。

3)截面參數(shù)(U29型截面)。U29規(guī)格124.0 mm×150.5 mm(截面積37 cm2)，受力點(diǎn)腹板厚度tw=34.5 mm，彈性模量E= 2.1×106N/mm2；材質(zhì)：20 MnK；慣性矩Ix=612 cm4，截面模數(shù)Wx=106 cm3，靜矩Sx=212.91 cm，自重29 kg/m。

4)強(qiáng)度計(jì)算及驗(yàn)算。梁上荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

gk=g+q

(8)

式(8)中,gk為梁上荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；g為吊掛點(diǎn)恒載標(biāo)準(zhǔn)值，g=4.12 kN；q為吊掛點(diǎn)活載標(biāo)準(zhǔn)值，q=13.73 kN。通過(guò)計(jì)算，gk=17.85 kN。

梁上荷載設(shè)計(jì)值：

qd=γG×g+γQ×q

(9)

式(9)中,qd為梁上荷載設(shè)計(jì)值，kN；g為吊掛點(diǎn)恒載標(biāo)準(zhǔn)值，g=4.12 kN；q為吊掛點(diǎn)活載標(biāo)準(zhǔn)值，q=13.73 kN；γG為恒載分項(xiàng)系數(shù)，γG=1.2；γQ為活載分項(xiàng)系數(shù)，γQ=1.4。通過(guò)計(jì)算，qd=24.16 kN。

跨中彎矩：

(10)

式(10)中,Mmax為跨中彎矩，kN·m；qd為梁上荷載設(shè)計(jì)值，qd=24.16 kN；L為梁長(zhǎng)，L= 4.2 m。通過(guò)計(jì)算，Mmax=25.36 kN·m。

支座剪力：

(11)

式(11)中,Vmax為支座剪力，kN·m；qd為梁上荷載設(shè)計(jì)值，qd=24.16 kN。通過(guò)計(jì)算，Vmax= 12.68 kN·m。

彎曲正應(yīng)力：

σ=Mmax/(1.05WX)

(12)

式(12)中,σ為彎曲正應(yīng)力，N·mm2；Mmax為跨中彎矩，Mmax=25.36 kN·m；WX為截面模數(shù)，WX=106 cm3。通過(guò)計(jì)算，σ=227.89 N·mm2<抗彎設(shè)計(jì)值σk=310 N·mm2，滿足要求。

支座最大剪應(yīng)力：

τ=Vmax×SX÷(IX×tw)

(13)

式(13)中,τ為支座最大剪應(yīng)力，N·mm2；Vmax為支座剪力，Vmax=12.68 kN·m；SX為靜矩，SX=212.91 cm；IX為慣性矩，IX=612 cm4；tw為受力點(diǎn)腹板厚度，tw=34.5 mm。通過(guò)計(jì)算，τ=127.89 N·mm2<抗剪設(shè)計(jì)值τk=180 N·mm2，滿足要求。

跨中撓度：

fmax=8gkL3/(384EIX)

(14)

式(14)中,fmax為跨中撓度，mm；gk為梁上荷載標(biāo)準(zhǔn)值，gk=17.85 kN；L為梁長(zhǎng)，L= 4.2 m=4 200 mm；E為彈性模量，E= 2.1×106N/mm2；IX為慣性矩，IX=612 cm4。通過(guò)計(jì)算，fmax=21.43 mm。

跨中撓度相對(duì)值：

V=fmax/L

(15)

式(15)中,V為跨中撓度相對(duì)值；fmax為跨中撓度，fmax=21.43 mm；L為梁長(zhǎng)，L= 4.2 m=4 200 mm。通過(guò)計(jì)算，Vx=21.43 mm<跨中撓度相對(duì)值控制值Vk=1/150，滿足要求。

通過(guò)以上計(jì)算和驗(yàn)算可知：U29型鋼制作的金屬支架滿足懸掛要求。布置如圖4所示。

圖4 副斜井 +1 835 m井底車場(chǎng)及軌道運(yùn)輸大巷軌道懸掛布置Fig.4 Suspension layout of sub-inclined shaft +1 835 m bottom shaft yard and track transport main lane track suspension layout

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

曲靖某礦某綜采工作面設(shè)備安裝時(shí)，設(shè)備運(yùn)輸總長(zhǎng)度為 1 570 m，綜采工作面安裝時(shí)間按30 d計(jì)算。輔助運(yùn)輸有2種方案，方案一是自地面至井下綜采面，設(shè)備等采用單軌吊一條龍運(yùn)輸;方案二是自地面至井下綜采面，副斜井采用絞車提升運(yùn)輸，+1 835 m水平井底車場(chǎng)，+1 835 m水平軌道運(yùn)輸大巷采用蓄電池電機(jī)車牽引串車運(yùn)輸，+1 835 m水平一采區(qū)材料斜巷采用雙速絞車提升運(yùn)輸，211501綜采面機(jī)軌合一運(yùn)輸巷采用無(wú)極繩絞車運(yùn)輸。2種方案主要設(shè)備材料投入、運(yùn)輸人工費(fèi)用、運(yùn)輸工作能耗對(duì)比分析情況詳見(jiàn)表2。

表2 柴油機(jī)單軌吊輔助運(yùn)輸與絞車、無(wú)極繩絞車輔助運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

從表2數(shù)據(jù)分析得出：設(shè)備資金投入上，單軌吊輔助運(yùn)輸比絞車、無(wú)極繩絞車輔助運(yùn)輸投入多。運(yùn)輸人工費(fèi)用上，絞車、無(wú)極繩絞車輔助運(yùn)輸節(jié)約較多。運(yùn)輸工作能耗上，單軌吊輔助運(yùn)輸也比絞車、無(wú)極繩絞車輔助運(yùn)輸節(jié)約。運(yùn)輸效率上，單軌吊平巷重載運(yùn)行速度1.00～1.53 m/s，空載2 m/s；無(wú)極繩絞車重載運(yùn)行速度0.67～1.00 m/s，空載1.7 m/g雙速絞車重載平均運(yùn)行0.15 m/s，空載平均運(yùn)行速度1.28 m/s (SDJ-28型絞車)，單軌吊運(yùn)行速度快于無(wú)極繩絞車，且單軌吊運(yùn)行距離長(zhǎng)，中間無(wú)倒車和摘掛鉤影響，整體運(yùn)行效率高。

4 結(jié) 論

輔助運(yùn)輸是礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分。安全、高效的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)是煤礦礦井高質(zhì)量發(fā)展的必然要求，如何選擇適合礦井自身?xiàng)l件的輔助運(yùn)輸方式是煤礦今后長(zhǎng)期研究的課題。曲靖某礦單軌吊輔助運(yùn)輸實(shí)踐證明：?jiǎn)诬壍踺o助運(yùn)輸系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、運(yùn)行速度快、載重量大、安全可靠，靈活性強(qiáng)，運(yùn)輸能力大，勞動(dòng)強(qiáng)度低，綜采面搬家快、時(shí)間短，節(jié)省人力成本；對(duì)巷道適應(yīng)性強(qiáng)，可以在多彎道、多起伏、多岔道，坡度≤25°的多條巷道中連續(xù)、安全、高效地運(yùn)送采掘工作面采煤機(jī)、綜采支架、三機(jī)部件、綜掘機(jī)及其他物料設(shè)備，是目前煤礦安全、高效的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。但單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)在使用過(guò)程中曾出現(xiàn)過(guò)發(fā)生故障維修困難，錨索、錨桿脫錨，鏈條斷鏈等問(wèn)題，需要在今后的工作中加以研究解決。