宋永健

（江蘇省礦業(yè)工程集團有限公司，江蘇 徐州 221000）

1 礦井及項目概況

紅三溝煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州，始建于1986 年，是自治區(qū)煤炭工業(yè)“十五”結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃的礦井，原設(shè)計能力9 萬t/a。根據(jù)規(guī)劃要求，礦井按照1.2 Mt/a 生產(chǎn)能力進行技術(shù)改造。

該礦井副斜井在B4 煤層頂板穿煤層布置，井口標(biāo)高為+1 631.2 m，井底標(biāo)高+1 500.0 m，斜長為315 m，傾角25°，是礦井的安全出口之一。在地面安裝JTP-1.6纏繞式提升機一臺，采用礦車提升，主要承擔(dān)礦井設(shè)備、材料、矸石的輔助運輸。

2 問題的提出

原副斜井因建井時間較長，井下交岔點多、反坡多、運輸環(huán)節(jié)多，地面廣場處于山溝內(nèi)，地方狹小，絞車房占用儲煤場等原因，根據(jù)技術(shù)改造設(shè)計，礦井輔助運輸由絞車提升改為柴油機單軌吊提升。在整個改造過程中，25°大傾角成為輔助運輸系統(tǒng)改造的難點，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定“柴油機單軌吊車運行巷道坡度不大于25°”，而該副斜井已經(jīng)達(dá)到該規(guī)定的臨界點，面臨大傾角條件下的運輸穩(wěn)定安全問題。

3 大傾角運行條件下單軌吊機車的設(shè)備選型論證

根據(jù)礦井運輸條件，礦井對單軌吊車運輸系統(tǒng)設(shè)備選型配置單軌吊柴油機車型號為DLZ210F 型10 驅(qū)機車。副斜井傾角為25°，礦井后續(xù)生產(chǎn)中工作面支架最大載重28.5 t，需對大傾角運行條件下單軌吊機車進行設(shè)備選型論證，從機車選型驗算、牽引力理論計算、機車防滑計算、機車重載下坡時的制動減速度和制動距離的核算[1]、功率驗算等五個方面進行說明。

3.1 機車選型驗算

利用圖像分析方法進行機車選型驗算。

（1）圖1 是單軌吊柴油機車選型的標(biāo)準(zhǔn)曲線，每種機型的單軌吊機車有著不同的關(guān)系圖。煤礦運輸要求最大載重28.5 t，最大為25°坡度，DLZ210F-10 驅(qū)柴油單軌吊機車（驅(qū)動輪直徑355 mm），牽引力為275 kN，制動力為504 kN，最大速度為4.5 km/h。

圖1 單軌吊機車牽引力、載重、關(guān)系速度圖

（2）由圖中標(biāo)為25°的斜直線在35 t（32 t 起吊梁自重3.8 t，其他1.2 t）載重軸相交點，即傾角為25°載總重35 t 時，所需牽引力為218 kN，而該單軌吊的最大牽引力為275 kN。

（3）圖線說明：① 右橫軸數(shù)值為除機車自重外其他設(shè)備貨物的重量之和（包括起吊梁、重物和其他設(shè)備）；② 斜線為單軌吊軌道傾角；③ 豎軸為對應(yīng)牽引力；④ 左橫軸為對應(yīng)速度；⑤ 上述曲線為實際實驗曲線。

3.2 牽引力理論計算

單軌吊機車在25°副斜井上行，在運送28.5 t重物時需用牽引力：

式中：F1為運送重物牽引力，kN；P1為機車質(zhì)量，10 352 kg；P2為制動車質(zhì)量，400 kg；P3為司機體重 2×75 kg；P4為32 t 起吊梁質(zhì)量，3800 kg；P5為最大件質(zhì)量，28 500 kg；P6為其他設(shè)備質(zhì)量，650 kg；ω為運行時阻力系數(shù)，選取0.02；α為沿途最大傾角，25°。

將以上數(shù)據(jù)代入得：F1=189 kN 小于單軌吊機車最大牽引力275 kN，理論計算和實驗曲線所需牽引力都小于額定牽引力[2]。

3.3 機車防滑計算

所選單軌吊車，機型設(shè)計停車制動和保險制動裝置均為失效安全型，在機車因故下滑等故障時，其裝置自動抱死。

運送28.5 t 重物時下滑力F2：

F2=（P1+P2+P3+P4+P5+P6）×（sinα-ωcosα）·g

計算得：F2=174 kN。

機車防滑系數(shù)K：

式中：K為防滑系數(shù)；FZ為機車制動力，額定504 kN。

根據(jù)要求不小于2，滿足要求。

3.4 機車重載下坡時制動減速度和制動距離核算[2]

經(jīng)上述計算，在副斜井運行時，單軌吊機車運輸液壓支架時所需牽引力為最大，最大荷載是運輸液壓支架重量，最大傾角25°，其加速度和制動距離計算如下：

式中：FZ為機車制動力，額定504 kN；F0為列車運行阻力；FG為慣性力；m為總重量43 852 kg；V為最大設(shè)計速度，2.75 m/s；a為制動減速度，m/s2；s為制動距離，m。

因此，單軌吊機車在最大傾角25°、最大荷載28.5 t 時以最大設(shè)計速度2.75 m/s 向下運行時，制動距離為0.32 m，小于2 m/s·6 s=12 m，滿足要求。

3.5 功率驗算

經(jīng)上述計算單軌吊車在礦井最大傾角25°向上運輸載重28.5 t 的情況下，以最大速度0.38 m/s 運行時，所需最大牽引力218 kN，所需功率為：

P=Fv=218×0.38=83 kW＜142 kW，滿足要求。

4 單軌吊軌道的安裝

4.1 礦井正常單軌吊軌道的安裝

（1）礦井軌道全部為I140 V 重軌，直軌長度為2.4 m/根（如圖2），曲軌長度為1.5 m/根。

圖2 礦井單軌吊安裝示意圖

（2）巖石巷道采用2 根錨桿固定吊掛板（托盤），煤層巷道以及進入煤層段前后10 m 內(nèi)的巖巷均采用1 根錨桿加1 根錨索固定吊掛板。錨桿使用Ф22 mm×2500 mm 的全螺紋鋼等強金屬樹脂錨桿，樹脂藥卷錨固長度不小于1100 mm，錨固深度不小于1800 mm，錨固力不小于120 kN/根，每根錨桿2 個螺帽。錨索采用13 m 長、Ф17.8 mm 高強度、低松弛、1×7 鋼絞線錨索及配套的螺帽或鎖具，錨深不小于3 m，每根錨索上至少兩個鎖具，錨索錨固力不小于130 kN。如圖3。

圖3 正常單軌吊單鏈安裝示意圖

4.2 副斜井單軌吊軌道的安裝

（1）采用雙鏈吊掛形式，使用M20×100 mm的高強度螺栓將Ф18 mm×64 mm 礦用圓環(huán)鏈連接在吊掛板上[3]，兩根鏈條的另一端用U 型環(huán)鏈和高強螺栓連接至軌道吊掛點，吊鏈鉛垂偏角在15°～30°之間。工作面順槽使用單鏈吊掛，連接使用M20×100 mm 的高強度螺栓和Ф18 mm×6 mm 礦用圓環(huán)鏈以及懸掛板。如圖4。

圖4 副斜井段單軌吊雙鏈安裝示意圖

（2）防沖擊加固。為防止單軌吊機車在大傾角斜巷運行過程中加速、停止、啟動等過程中形成的沖擊，導(dǎo)致軌道出現(xiàn)大幅度橫向擺動、縱向竄動，在采用雙鏈吊掛形式的基礎(chǔ)上，施工防橫向偏擺橫拉裝置及防縱向竄動緊固器，即每4 根軌安裝一組橫拉裝置，在軌道兩側(cè)均呈45°夾角向上下兩個方向，共使用4 根圓環(huán)鏈橫拉保護，軌道一側(cè)兩根鏈條夾角在90°左右[4]，在巷道變形量比較大的地方，斜拉固定中增加緊固器，一組橫拉裝置由4 個吊掛板、4 根鏈條構(gòu)成。

5 單軌吊運行防超速防滾物保障措施

5.1 人工制動及故障剎閘

駕駛室行使控制桿移到零位以及裝有球旋塞閥停車鈕子開關(guān)，此時通過液壓控制的制動閥實施機車剎閘。單軌吊機車借用爪式制動系統(tǒng)，履行停車制動和安全制動任務(wù)。制動器工作為液壓機械原理，以彈簧力通杠桿傳動來壓著制動爪到懸浮軌道鋼軌腹板，通電控?fù)Q向閥及解除制動閥來實現(xiàn)機車制動的解除。機車運行時電控?fù)Q向閥閉合制動缸排氣，而以此允許機車制動解除。當(dāng)機車出現(xiàn)故障，失去信號時制動器回路將立即打開，為失效安全型，制動裝置自動抱死，立即剎車。

5.2 超速液壓自動保護裝置

單軌吊機車配裝超速時的機械液壓保護裝置，該裝置置于機車動力部分復(fù)合油箱上面位置的承載車上，由離心調(diào)速器及二位滑閥式換向閥組成，行駛速度超過9 km/h 的時速情況下離心調(diào)速器激活，而彈簧把滑閥式換向閥推移到第二閥位，由此允許制動器回路排液口打開，流入油箱內(nèi)，而機車立即剎車。

5.3 超速機械自動保護裝置

單軌吊機車在最前端安置BTS 制動小車，是專門為防止斜巷軌道超速防打滑而設(shè)置的制動保護裝置，在行駛速度超過9 km/h 的情況下，感應(yīng)閥塊換位，抱閘閘片抱死軌道鋼軌腹板，阻止機車運行，防止運輸設(shè)備及組件在軌道上溜車的獨立安全裝置。

5.4 防滾物傷人措施

（1）在副井斜巷行車時，巷道內(nèi)嚴(yán)禁行人，如果有人在巷道內(nèi)必須進入躲避硐室，待機車通過斜巷后再行人，副井上下口及中部設(shè)置語音報警及紅燈警示裝置。

（2）正常裝運物料時，不得超出礦車廂體，物料裝廂完成后，小件易滾落物料上覆擋網(wǎng)，經(jīng)跟車工確認(rèn)合格后方可掛車運行，“四超”車輛制定專門措施。

（3）井上下口及中部設(shè)置感應(yīng)式密目安全立網(wǎng)，只有機車通過時安全網(wǎng)放下，平常處于常閉狀態(tài)防止?jié)L物傷人。

6 單軌吊與原絞車運輸系統(tǒng)比較

6.1 生產(chǎn)組織方面

單軌吊運輸系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：用人少，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運輸；參與運輸?shù)脑O(shè)備數(shù)量少，運輸效率高；液壓支架等大件設(shè)備及材料可從地面或井下其他地點直接裝車轉(zhuǎn)運到井下鋪設(shè)單軌吊的任何地點，并不需要重新摘掛鉤等中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，縮短工作面搬家倒面及其他物料轉(zhuǎn)運時間；吊軌的平、豎曲線半徑小，可以簡化井巷聯(lián)接工程；實現(xiàn)從井口至采掘工作面機械運人，減少工人勞動強度；布置靈活、安裝簡便。單軌吊運輸系統(tǒng)具有很好的技術(shù)推廣和應(yīng)用前景。

6.2 安全管理方面

從安全管理角度上，單軌吊機車具有機械超速保護功能，有效保證單軌吊車運輸系統(tǒng)的安全運行。與絞車運輸所采用的所有反坡均需安裝“一坡三擋”、防跑車設(shè)施及各類信號，安全管理簡單化，更具可靠性。單軌吊車運輸系統(tǒng)采用失效安全型制動系統(tǒng)。

6.3 經(jīng)濟效益方面

運行期間整個單軌吊運輸車系統(tǒng)每個單軌吊機車僅安排一名單軌吊司機和一名把鉤工便能夠解決所有問題，可節(jié)省大量的勞動力，減少人工支出；單軌吊軌道及起吊托盤、錨鏈等均可以回收重復(fù)使用；單軌吊運輸系統(tǒng)還具有運輸效率高、維護費用低、機動靈活等優(yōu)點，因此具備很好的經(jīng)濟效益。