張朋 畢紅 許德軒

［1.鐵法煤業(yè)（集團）有限責任公司曉南礦；2.鐵嶺市應(yīng)急事務(wù)服務(wù)中心；3.中國煤炭工業(yè)協(xié)會生產(chǎn)力促進中心］

一、引言

隨著煤炭資源的不斷開采，礦井的煤炭儲量越來越少。為提高回收效率，避免煤柱的留設(shè)，減少資源浪費，曉南礦在二水平N1-1502 工作面應(yīng)用了“110 工法”、沿空留巷技術(shù)及架后擋板等技術(shù)。即“1 個回采工作面，1 條巷道，0 個煤柱”，切頂卸壓落下后自動形成一條巷道，在開采該工作面的過程中，保留了工作面的順槽，作為將來鄰近工作面N1-1506 的順槽，留巷后的巷道處于工作面運順三角點后方，設(shè)計留巷長度830m，傾角3°～7°，斷面為寬5600mm，高3000mm 的矩形巷道，采用錨桿、鋼筋梯、錨網(wǎng)聯(lián)合支護，錨桿間距850mm，排距900mm。該區(qū)段頂板為中砂巖，堅硬致密，堅固性較好，底板為泥質(zhì)砂巖，遇水易膨脹底鼓，無法得到有效控制。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，將留巷區(qū)段劃分為三個區(qū)：超前支護區(qū)、架后臨時支護區(qū)（液壓支架后0～150m）和成巷穩(wěn)定區(qū)（150m 之后），其中架后臨時支護區(qū)設(shè)計為150m，采用單體支柱配合π 鋼進行頂板支護，可伸縮的U 型鋼配合鋼筋網(wǎng)進行擋矸支護。隨著回采工作面的前移，最后端的最接近成巷穩(wěn)定區(qū)的單體支柱、π 鋼、U 型鋼、雙卡拉板等支護材料要拆除，運至最前端，最接近超前支護區(qū)，進行安裝，如此往復(fù)、依次向前推進。

二、提出問題

留巷區(qū)段的材料、設(shè)備，若采用傳統(tǒng)的軌道運輸，不利因素主要有二點：1.空間受限。留巷段處于工作面采空區(qū)，前端有轉(zhuǎn)載機、替棚支架、變電列車等阻礙，空間十分有限，加之鐵道延展性較差，需加接軌道及搬運絞車，使用過程中存在一定的危險性，在運輸過程中需清凈運行區(qū)域其他作業(yè)人員，不利于平行作業(yè)；2.后期維護量大。因底板變化量大，鼓起嚴重，處理時投入人力多，工程量大。若采用人工搬運，由于運輸距離長而巷道高度低，人員需彎腰扛運，姿勢不佳，難度較高。這種情況會導(dǎo)致運輸效率低，且極易發(fā)生人身傷害，面對留巷區(qū)域自然條件所帶來的生產(chǎn)難題，需要一種新的運輸方式來解決。

三、分析問題

經(jīng)過研究與分析，選擇氣動單軌吊車作為沿空留巷區(qū)段的運輸設(shè)備。它的優(yōu)勢在于如下四點：一是車身窄小、狹長，運行靈活，能夠在單體支柱與π 鋼形成的狹長空間內(nèi)運行；二是起重負荷大，可一次性吊起較大噸位的支護材料、施工機具等物料，不必因起重量小，而多頻次地往返運料；三是安全高效，維護方便，單軌吊車的行進速度適中，載重物料距底板較近，對操作人員和其他人員是較安全的，相比于電氣設(shè)備的嚴格防爆要求，氣動設(shè)備無需顧及該方面的問題，相比于人工扛運的頻次與勞動強度，鐵道運輸拉底維護的工程量，它的運輸效率是很高的；四是較好的適應(yīng)巷道環(huán)境，氣動單軌吊車的導(dǎo)軌固定于頂板上，可隨巷道起伏彎曲的變化。

1.設(shè)備選型

根據(jù)沿空留巷區(qū)域的空間實際，起吊物體的重量，搬運效率等參數(shù)進行綜合分析：軌道采用I140E 型工字鋼軌道；設(shè)備的工作壓力介于0.4-0.6MPa 之間，井下的壓風能夠產(chǎn)生此區(qū)間的壓力；牽引力17.5—24kN，能夠滿足運輸?shù)膭恿?；最大運行速度0.4 m/s，滿足運輸作業(yè)中，對速度和效率的要求；最大爬坡能力20°，并且坡度越大，載重量越低，0°時可以載重 6 噸，4°時可以載重 3.5 噸，8°時可以載重 2.5 噸，12°時可以載重1.9 噸，20°時僅可以載重1.3 噸，對于順槽的實際最大坡度來說，可以載重3 噸左右，滿足單體、π 鋼等材料的運輸要求；控制方式點動操作，符合作業(yè)人員的操作習慣；整備質(zhì)量kg 650，外形尺寸長、寬、高分別為5000×860×790 mm，滿足了留巷空間對設(shè)備的限制；單個行走馬達耗氣量為4500 L/min，單個起吊馬達耗氣量3400L/min，井下的壓風可以提供該耗氣量的消耗，使其正常工作。遂決定采用DQD20型氣動單軌吊車，用于1502 留巷段的運輸。

2.結(jié)構(gòu)組成

DQD20 型氣動單軌吊車是利用懸空軌道，以氣動馬達經(jīng)減速箱減速后帶動滾輪沿軌道立板摩擦驅(qū)動的設(shè)備。由主機裝置、起吊梁、拉桿、氣動控制系統(tǒng)、軌道、物料箱等主要部件組成。

其中細分各部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，1 為驅(qū)動部，2 為制動部，3 為吊重部，4 為氣動葫蘆，5 為連接桿。其中，主機裝置是由承載小車、制動裝置、驅(qū)動裝置、摩擦盤、消聲器、防護外殼等組成；驅(qū)動裝置由氣動馬達、減速箱、軸承座組成；制動裝置由制動塊、制動氣缸、壓力彈簧、制動臂等組成；起吊梁由行走小車、氣動葫蘆、拉桿等組成。每節(jié)軌道由140 工字鋼及拖鏈托板組成，用銷軸連接。減速箱的輸出端與驅(qū)動輪連接，行走輪與軌道立板貼合，靠摩擦來傳遞動力。整機用高度可調(diào)節(jié)的單軌吊裝置吊掛于巷道頂板的錨桿上。

圖1 氣動單軌吊組成圖

單軌吊的軌道每節(jié)長度為3m，共65 節(jié)，軌道全長195m，滿足了工作面架后臨時支護區(qū)150m 的使用要求。軌道由工字鋼、連接耳板、中心吊掛板、防錯位固定塊4 部分組成，都是由12mm 厚鋼板加工而成。兩端連接耳板將多節(jié)軌道首尾相連，耳板孔徑Φ22mm，用于配合M20 螺栓，在配合4 噸卸扣使用時也可用作起吊點。中心吊掛板孔徑Φ22mm，用于配合4 噸卸扣起吊軌道。底端防錯位固定塊首尾鑲嵌，卡緊后可保證在使用過程中，單軌吊不會因軌道接頭錯位卡死或掉道。

單軌吊的行走部分采用被彈簧夾緊在軌道上的驅(qū)動輪，驅(qū)動產(chǎn)生牽引力，采用二輪驅(qū)動。驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的同時，制動裝置圖2 所示，上的彈簧氣缸被壓縮，離開軌道面，可以行車。停止時，驅(qū)動輪和彈簧氣缸斷氣，彈簧缸動作抱緊軌道，機車制動。

圖2 制動裝置示意圖

起吊部分采用氣動葫蘆，氣動葫蘆提升裝置由葉片式氣動馬達和氣動釋放彈簧復(fù)位制動器組成。馬達的軸扭矩通過行星齒輪傳遞到鏈輪的起重中心，來實現(xiàn)重物的提升和下放，重物定位則是通過內(nèi)置于氣馬達中的常閉式制動器實現(xiàn)?？梢栽趬嚎s空氣中斷供應(yīng)的情況下穩(wěn)住重物，保證了作業(yè)過程中的安全，提升是通過高強度起重鏈來實現(xiàn)重物的起吊。

驅(qū)動部，它是與制動裝置是同時動作的。制動裝置采用彈簧加氣缸的方式，實現(xiàn)失效制動。這種方式兼?zhèn)涔ぷ髦苿雍途o急制動，有效保證機車的運行安全。

氣動葫蘆是單軌吊的起吊動力裝置，由V6 葉片式氣動馬達、導(dǎo)輪、起重鏈、鏈輪、吊鉤、行星減速機構(gòu)，安全離合器及氣動釋放彈簧復(fù)位制動器等組成，通過高強度起重鏈來實現(xiàn)提升。HQ10-（3～16）型氣動葫蘆的工作壓力0.5MPa，額定載荷10 噸，滿足留巷區(qū)域物料運輸?shù)闹亓啃枨?；提升速度可達到0.3m/min，滿足作業(yè)時對提升效率的需求；下放速度1m/min，滿足作業(yè)時對落下重物的安全需求，提升高度介于0 至16 米之間，符合留巷空間的高度限制。

四、解決問題

1.使單軌吊的安裝

首先是吊掛附件的安裝，單軌吊的吊掛主要有三類，曉南礦根據(jù)留巷區(qū)域?qū)嶋H，選擇了頂板——錨桿吊掛形式，吊掛附件主要由專用礦用開口式連接環(huán)、連接調(diào)節(jié)鐵鏈、卸扣等組成。通過吊掛調(diào)節(jié)裝置盡量將導(dǎo)軌調(diào)整為平直狀態(tài)。之后是導(dǎo)軌的安裝，導(dǎo)軌采用了弧形快接頭的連接方式。安裝時首先將上部連接單耳插入雙耳中，退緊后落下，再穿入錐銷，即可完成。

接下來是主機的安裝，作業(yè)人員將制動車和驅(qū)動部依次裝入軌道，再裝入承載小車。制動車裝入軌道前必須提前打開制動閘塊，通過氣壓的方式將制動彈簧氣缸壓縮，制動塊脫離軌道，再推入制動車。驅(qū)動部裝入過道前，要將驅(qū)動輪分離，推入軌道后，再用螺栓張緊。最后，使用連桿連接各個部件，連接各部件管路，全部完成后方可進行空載運行試驗。

2.單軌吊的調(diào)試

在調(diào)試之前，作業(yè)人員對各部進行了檢查，包括各操作手柄及擋位等處在停車位置；各小車車輪轉(zhuǎn)動靈活、小車相對導(dǎo)軌沒有出現(xiàn)跑偏；各導(dǎo)軌的接頭連接部位鏈接牢靠、沒有出現(xiàn)明顯的變形或錯位、各滑輪能夠輕松滑過接頭部位；氣管在來回折返時沒有出現(xiàn)交錯打扭等現(xiàn)象；氣動系統(tǒng)的各接頭連接牢靠、無破皮及硬性劃傷、各元件與軌道等無干涉。

接下來進行試運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)各個部位車輪的位置，使所有車輪都能很好接觸導(dǎo)軌，盡可能讓小車左右受力相當，前后拉動小車在3m 范圍內(nèi)沒有跑偏，可以投入使用。在出現(xiàn)跑偏情況時，作業(yè)人員調(diào)節(jié)了偏車輪，向哪邊偏就將那邊車輪向軌道端調(diào)節(jié)直至不再跑偏為止。車輪調(diào)好后，調(diào)節(jié)氣動總成內(nèi)的油霧流量，雖然廠家在出廠時已經(jīng)對油霧器做了調(diào)節(jié)，但如果在地面及運輸、安裝過程中可能被動了位置，通氣后將調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)鈕用一字頭螺絲刀調(diào)整到每分鐘40 滴左右的通用量。同時油霧器內(nèi)注入的潤滑油，注入的量在容器內(nèi)MIN 與MAX 之間位置接近MAX 標識的位置。送氣后首先測試單軌吊的停車是否可靠、葫蘆各動作是否靈敏，并加載重物懸停3 分鐘左右，無異常后再卸載；然后，空載運行主機前后10 米左右，來回3 次無異常后加載來回動10m，無異常后在留巷區(qū)域投入使用。

3.出現(xiàn)的故障及解決方法

在氣動單軌吊車投入使用之后，亦發(fā)生了幾次故障，現(xiàn)象首先體現(xiàn)為驅(qū)動輪打滑，生產(chǎn)、技術(shù)人員憑借觀察、經(jīng)驗進行分析：驅(qū)動輪摩擦力不夠時，需要擰緊碟簧預(yù)緊螺母，增加驅(qū)動輪的正壓力從而增大摩擦力；車輪是否有銹蝕、卡死或軌道上落入異物阻擋了車輪的前進時，如為銹蝕則需要更換車輪，卡死或異物阻擋則需要清理軌道；外部供給壓力過小造成無法解閘，檢查管路是否有堵塞或氣管有無破裂及嚴重折彎，調(diào)節(jié)外部氣源壓力大于0.5MPa。

當出現(xiàn)了更換閥不起作用時，首先排除了換向閥損壞，檢查氣管有折彎或堵塞，檢查折彎處處理平直或緩慢過渡。檢查氣管內(nèi)、各氣動元件是否有異物阻擋則需清理軌道。

4.效果

作為曉南礦首個留巷工作面，北一1502 運順受地質(zhì)條件及巷道支護限制，不適宜鐵道運輸，若采用人工搬運，會增加作業(yè)強度及降低工作效率，亦不利于安全生產(chǎn)，使用氣動單軌吊車進行留巷區(qū)段材料、設(shè)備等運輸工作后。在留巷施工過程中取得了積極效果，為留巷順利實施提供了保障，也為該設(shè)備的成功應(yīng)用積累了成熟經(jīng)驗。

頂板的穩(wěn)定性和單軌吊與巷道頂板連接固定，決定了其安全運行及后期維護難度，北一1502 運輸?shù)捻敯鍘r性及支護強度滿足了單軌吊正常運載要求。由于其頂板穩(wěn)定，對底鼓適應(yīng)力較強，只要巷道高度不低于1.3m 就可以保證單軌吊車正常通過，在留巷期間，底鼓最多達到1.5m 左右，極個別地點對單軌吊底盤發(fā)生過刮卡，進行局部拉底處理，杜絕了鐵道運輸大范圍拉底施工。所以，它在不適合鐵道運輸及人工搬運發(fā)揮了積極作用，留巷施工過程中運輸優(yōu)勢得以彰顯。

五、經(jīng)濟效益淺析

1.設(shè)備成本

氣動單軌吊車在購進時，總成本242440 元。該氣動單軌吊將會在曉南礦長期服役，所以，把它的成本分攤成每年都發(fā)生的設(shè)備年資產(chǎn)消耗成本，第一年的資產(chǎn)消耗成本約為9000 元。為了保障其正常工作，車間備用了驅(qū)動摩擦輪，索引氣馬達，操作手柄，葉片，控制管線，管接頭等易損件，備件費用23480 元。設(shè)備共計32480 元。

2.施工成本

在地面車間安裝調(diào)試時，人工費用約2400 元。北一1502 留巷工作面施工準備費用27600 元，安裝調(diào)試費用13600 元，使用中的拆卸、再組裝費用約44200 元，作業(yè)期間的能源、維護消耗約為5400 元。

3.效益淺析

單軌吊在曉南礦投入使用后，提高了沿空留巷區(qū)域的運輸效率，節(jié)約了人工，每年為礦節(jié)約生產(chǎn)成本24.642 萬元。具體計算如下：

若采用傳統(tǒng)鐵道運輸方法時，則敷設(shè)鐵道的費用為62600 元，底板出現(xiàn)鼓出，處理的人工費用預(yù)計至少為162300 元，直至留巷區(qū)域施工結(jié)束，日常運輸單體等材料費用為147200 元。共約372100 元，即37.21 萬元。

年節(jié)約成本=37.21-12.568=24.642 萬元。為曉南礦帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

六、優(yōu)點及不足

1.優(yōu)點

單軌吊在留巷區(qū)段投入使用后，產(chǎn)生了很好的效果，得到了使用人員的好評，總結(jié)為如下四點：（1）改變了材料及設(shè)備由鐵道運輸?shù)倪@一傳統(tǒng)模式。（2）采用了無級調(diào)速，在啟動時和停機時實現(xiàn)了加減速運行，對設(shè)備的固定方式進行改制。特別是針對留巷支護得到了順利實施。（3）氣動葫蘆的使用，使得運輸效率提高。相比于普通葫蘆，它的操控更加便捷，降低了人員的操作強度，提高了工作效率。（4）其制動系統(tǒng)和主機為兩部分組合形式，制動系統(tǒng)的可靠性進一步增加，拉桿連接處用使用了連接頭，這樣可以使角度在±5 度內(nèi)可以調(diào)節(jié)。

2.存在的不足

經(jīng)過幾個月的使用，亦反映出一些問題，主要總結(jié)如下四點：

（1）單軌吊的可靠運行是對巷道高度有要求的，當巷道高度低于1.3 米時，將出現(xiàn)運行困難的情況。（2）它的功率不高，運行速度較慢，當遇有上坡巷道時，運載能力將出現(xiàn)不足的情況，亦不適合過長距離的運輸。（3）驅(qū)動輪與軌道為橡膠摩擦形式，作為易損件，它要經(jīng)常檢查、更換，當軌道連接出現(xiàn)錯位情況時，可能發(fā)生一次性損壞。（4）曉南礦采用了錨桿吊掛軌道，這種情況對頂板強度是有一定要求的，當頂板壓力顯現(xiàn)，錨桿錨固強度不足時，不適宜單軌吊的使用。

3.應(yīng)對辦法

對此，總結(jié)的經(jīng)驗及應(yīng)對辦法為：（1）安裝時，軌道盡量平直，使用過程中做好維護工作，杜絕因操作不當而損壞設(shè)備的情況，平時做好日常維護。（2）曉南礦自制裝載筐的使用可以使運載量增加，亦更加平穩(wěn)，筐的底部距離底板保證200 以上，防止托磨底板增加工作阻力，使設(shè)備超負荷運轉(zhuǎn)及對設(shè)備造成損壞。（3）單軌吊的軌道固定方式，要增加耳環(huán)密度，對于吊點有更多的選擇，防止出現(xiàn)吊掛鏈傾斜嚴重，影響強度及高度的情況。（4）巷道與軌道起伏盡可能通過吊掛鏈長度調(diào)節(jié)，使軌道坡度平緩，防止降低運載能力及給安全制動帶來影響。

七、結(jié)語

在礦山企業(yè)朝著以人為本、減員提效發(fā)展趨勢日漸明朗的今天，將先進的科技應(yīng)用到井下采掘一線，廣泛使用機械氣壓一體化裝置，來解決生產(chǎn)過程中人力、物力高投入問題是我們的當務(wù)之急。氣動單軌吊車在曉南礦的成功使用，拓展了巷道運輸設(shè)備的選擇，可以對不同的井下環(huán)境采取更合理的運輸方式，特別針對頂板穩(wěn)定，底板巖性松軟易底鼓的巷道及短距離轉(zhuǎn)場適應(yīng)性較強，在N1-1502 運順留巷施工中得到了成功應(yīng)用，降低了工人作業(yè)強度，為留巷成功發(fā)揮了積極作用，宜向各礦山企業(yè)推廣。