采區(qū)大傾角軌道運(yùn)輸解決方案優(yōu)化探討

嚴(yán)明林， 劉世杰， 梁國瑞， 劉振興

（.河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司，烏魯木齊830000；2.河南能源化工集團(tuán)新疆公司音西煤業(yè)公司，新疆拜城842300）

0 引言

《煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50533-2009）中指出：煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)生產(chǎn)集中化、運(yùn)行連續(xù)化、裝備機(jī)械化、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理化的原則。怎樣在采區(qū)大傾角巷道中對輔助運(yùn)輸進(jìn)行設(shè)備選型與優(yōu)化，使設(shè)備協(xié)調(diào)統(tǒng)一、減少轉(zhuǎn)載點(diǎn)、降低故障影響時間，形成安全、高效、節(jié)能的運(yùn)輸系統(tǒng)，是我們煤礦機(jī)電技術(shù)人員的責(zé)任，同時也對下行煤炭形勢中降低噸煤成本有著十分重要的意義。

音西煤業(yè)公司地處新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣西部，行政區(qū)劃隸屬拜城縣鐵列克鎮(zhèn)管轄，設(shè)計(jì)生產(chǎn)原煤0.9 Mt/a。二采區(qū)軌道上山段斜長653 m，平均角度23.56°，最大傾角28.08°，兩翼布置工作面6個；上山采掘結(jié)束后延伸至軌道下山，軌道下山段斜長720 m，傾角24°～25°，最大傾角28.03°，兩翼布置工作面6個。所用綜采液壓支架20500 kg，巷道傾角超過了25°屬大傾角巷道，而大傾角成了運(yùn)輸設(shè)備選型的最關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

1 二采區(qū)軌道上山提升設(shè)備

1.1 鋼絲繩選擇

鋼絲繩繩端最大荷重 Q大件=（Q1+Q2）（sinα+f1cosα）×g=（20500+1800）（sin28.08°+0.015cos28.08°）×9.81=105931 N。式中：Q1為綜采液壓支架質(zhì)量，20500 kg；Q2為平板車質(zhì)量，1800 kg；a 為巷道傾角，28.08°；f1為提升容器在斜坡運(yùn)輸?shù)郎系淖枇ο禂?shù)，取0.015；g 為重力加速度，9.81 N/kg。

表1 提升鋼絲繩參數(shù)表

選用324NAT6V×19+FC1670837467 GB8918型鋼絲繩，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

鋼絲繩安全系數(shù)校驗(yàn)：

式中，鋼絲繩摩擦阻力因數(shù)取0.2。

1.2 提升絞車選型

由于變頻傳動系統(tǒng)與以往的電氣傳動系統(tǒng)相比具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，采用新型電力電子器件和PWM技術(shù)，高次諧波分量小，功率因數(shù)高；調(diào)速操作方便、調(diào)速范圍寬；啟動力矩大、傳動效率高。因此設(shè)計(jì)推薦采用變頻調(diào)速單繩纏繞式絞車。

《煤安規(guī)程》規(guī)定：井下提升絞車卷筒與鋼絲繩直徑比不得小于60，卷筒上纏繞部分的最小直徑與鋼絲繩中最粗鋼絲之比不得小于900，有滾筒直徑：Dg≥60d=60×34=2040 mm；Dg≥900δ=900×3=2700 mm。

選用一臺JKB-3×2.2P型單滾筒防爆提升絞車，其性能參數(shù)為 D=3.0 m，B=2.2 m，F(xiàn)max=130 kN，i=20。

選用TD1400/1350型游動天輪，D=1.4 m，游動距離1.35 m。

提升最大靜張力（提大件時）：

Fmax=105931+715×4.67×（sin28.08°+0.2cos28.08°）×9.81＝127108 N=127.108 kN＜130 kN。

取絞車滾筒中心與天輪中心之間的水平距離為20 m，天輪中心高為2.5 m，鋼絲繩的弦長為20.081 m。

計(jì)算鋼絲繩的內(nèi)、外偏角為 α=1.212°=1°12′43″。

1.3 電機(jī)選型

根據(jù)電動機(jī)驅(qū)動力矩要求，ΣM=9550×P×i×η/n。式中：ΣM為提大件時最大靜張力矩，190567.5 Nm；n為提升系統(tǒng)的初選電動機(jī)轉(zhuǎn)速，取480 r/min；i為傳動比，取20；η為減速器的效率，取0.92。

根據(jù)以上計(jì)算功率值P=520 kW，初選YPT-12型（560 kW、480 r/min）交流變頻調(diào)速電動機(jī)。

提升機(jī)的最大提升速度

Vmax=πDNnd/（60i）=3.77 m/s。

1.4 提升系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)計(jì)算

下放材料時休止時間取25 s，下放大件設(shè)備時休止時間取40 s。提升系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 提升系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)計(jì)算表

1.5 制動系統(tǒng)

安全規(guī)程規(guī)定的制動減速度：上提m≤Ac=g（sinθ＋fcosθ）=4.747 m/s2；下放 m≥0.3Ac=0.3 g （sinθ＋fcosθ）=1.424 m/s2。

常用閘和保險閘制動時所產(chǎn)生的最大制動力Fzmax≥3×Fmax＝3×127.045＝381.135 kN。

采用二級制動液壓站，滿足上提制動閘一級制動力FZ1＝148 kN，下放時，制動閘二級制動不延時，F(xiàn)Z2＝223 kN。制動閘作用時減速度見表3，上提機(jī)械減速度均小于Ac，下放機(jī)械減速度均大于等于0.3Ac，滿足要求。

表3 制動閘作用時減速度表m·s-2

1.6 提升系統(tǒng)動力學(xué)計(jì)算

提升系統(tǒng)總變位質(zhì)量：提料∑M1=66804 kg，最大件∑M2=79536 kg。

1.7 電動機(jī)校驗(yàn)

1）等效力。由于提升最大件時，提升系統(tǒng)的受力均大于其他狀況，故按提升最大件時的受力計(jì)算系統(tǒng)等效力。

式中：Td為等效時間，Td=249 s。

2）等效功率 Nd=FdVmax/η=482.2kW。式中：Vmax為提升系統(tǒng)的最大提升速度，3.77m/s；η為減速器的效率，取0.92。

3）過載能力校驗(yàn)：

λ=FmaxVmax/（Nη）=1.293<0.85Tm=1.7。

式中：Fmax為提升系統(tǒng)中的最大作用力，176.325 kN；Tm為電動機(jī)的過載能力，Tm=2。

所選電動機(jī)滿足要求。

1.8 最大班作業(yè)時間平衡表

最大班作業(yè)時間平衡表見表4，最大班作業(yè)時間4.583 h＜6 h，滿足規(guī)范要求。

2 柴油單軌吊運(yùn)輸方案

2.1 機(jī)車運(yùn)輸支架所需牽引力計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，運(yùn)行最大設(shè)備（液壓支架）時所需牽引力

表4 最大班作業(yè)時間平衡表

式中：Wo為基本阻力，N；Wi為坡道阻力，N；Wa為慣性力，N。

式中：P為列車質(zhì)量（機(jī)車自重6000 kg、起吊梁1600 kg、司機(jī)體重150 kg、列車總重量為7750 kg）；Q為貨物質(zhì)量，液壓支架質(zhì)量為20500 kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2；ω為列車運(yùn)行阻力系數(shù)，取0.02。

按上坡時計(jì)算，Wi＝（P+Q）g·i=147988.75 N。式中：i為單軌坡度，井筒傾角為 α=28.08°，即 i=tan28.08°=0.534。

式中：γ為慣性系數(shù)；a為列車運(yùn)行加速度，取0.4 m/s2。γ=1+4Jg/（R2Gc）=1.00264。其中：J為每個承載輪對其軸的轉(zhuǎn)動慣量，0.00522 kg·m2；R 為承載輪半徑，0.059 m；Gc為承載物體質(zhì)量，18000 kg。

則上坡重載條件下的牽引力F=Wo+Wi+Wa=5542.65+147988.75+11329.83=164861.23 kN。

而DC210Y-6驅(qū)機(jī)車所提供的牽引力為165 kN，富余量較小，考慮到后續(xù)液壓支架的增大（重）情況，選用DC210Y-7驅(qū)機(jī)車提供的牽引力為192.5 kN較為合理，理論計(jì)算和曲線選型法存在一定差別，但都小于額定牽引力192.5 kN，故7驅(qū)機(jī)車完全可以滿足使用要求。

2.2 單軌吊車型號選擇

根據(jù)傾角α=28.08°運(yùn)量要求及運(yùn)輸液壓支架時的最大上坡條件下的計(jì)算載荷Q=20500 kg，選擇DC210Y-7驅(qū)型單軌吊車，其技術(shù)參數(shù)為驅(qū)動單元4+3（7驅(qū)），額定功率為142 kW；氣缸個數(shù)為6個；干燥式冷卻；自重為8873 kg；驅(qū)動輪直徑為355 mm；最大牽引力為192.5 kN；最高速度為6.4 m/s；轉(zhuǎn)彎半徑水平最小為4 m，垂直最小為8 m。

3 絞車和柴油單軌吊車的費(fèi)用對比

3.1 絞車設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用

3.1.1 絞車費(fèi)用

JKB-3×2.2P絞車1臺260萬元、平巷柴油電機(jī)車2臺2×20=40萬元、軌道2 km×42萬元=84萬元、絞車硐室（含絞車基礎(chǔ)）1個150萬元、φ32鋼絲繩（720+653+20）m×4.67×10=6.5萬元，共計(jì)540.5萬元

3.1.2 絞車年運(yùn)行費(fèi)用

1）年耗電量費(fèi)用。1臺絞車用電容量560 kW，每天運(yùn)行時間按12 h計(jì)算，每年330 d。需用系數(shù)取0.6，每度電0.65 元，電費(fèi)=560×0.6×330×12×0.65=72.072 萬元。

2）年設(shè)備維修費(fèi)用：0.5萬元×12月=6萬元。

3）年人工工資：12人/d×330 d×200元=79.2萬元。

因此，合計(jì)年運(yùn)行費(fèi)用157.272萬元。

3.2 柴油單軌吊車及輔助設(shè)施

1）柴油單軌吊費(fèi)用。1臺DC210Y-7柴油單軌吊費(fèi)用556.82萬元。2 km單軌道費(fèi)用2×60=120萬元（含人工），共計(jì)676.82萬元。

2）年運(yùn)行費(fèi)用。年維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)2.4萬元；年燃油費(fèi)：32元×2 km×30趟（每趟約50 min）×330 d=63.36萬元；年人工工資：4人/d×330 d×200元=24.6萬元；因此年運(yùn)行費(fèi)用90.36萬元。

3.3 效益對比

在相同的巷道條件下：1）柴油單軌吊初期投入比絞車多100多萬元，但年運(yùn)行成本僅是絞車的1/2；2）柴油單軌吊在敷設(shè)單軌后可以直接將物料、液壓支架由二采區(qū)入口處運(yùn)送到工作面任意地點(diǎn)，而絞車運(yùn)輸在敷設(shè)軌道的前提下必須借助雙速絞車、無極繩絞車等設(shè)備采用牽引、對拉等方式進(jìn)行運(yùn)輸；3）當(dāng)二采區(qū)軌道上山工作面結(jié)束后，需要進(jìn)行下山開采，現(xiàn)有的絞車由于巷道傾角起伏不能采用更換鋼絲繩的方式，必須對絞車進(jìn)行拆除，待下山絞車房做好后進(jìn)行二次安裝，又多投入了200多萬元；4）絞車運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)多、占用人員多，事故發(fā)生的可能性較高，而柴油單軌吊為一站式運(yùn)輸，在降低工人勞動強(qiáng)度的同時，提高了運(yùn)輸效率。

4 結(jié)語

通過對比可知，單軌吊運(yùn)輸雖然初期投入較大，但年運(yùn)行成本卻比絞車少得多，這就要求我們煤礦技術(shù)人員在做各種方案的時候，多做幾個方案進(jìn)行優(yōu)化對比，最后擇優(yōu)而用。

煤礦企業(yè)要想實(shí)現(xiàn)安全、高效、節(jié)能的運(yùn)輸系統(tǒng)，降低工人勞動強(qiáng)度的同時，提高了運(yùn)輸效率，必須在技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)應(yīng)用等方面多下功夫，與高新廠家、科研院所開展深層合作，進(jìn)行技術(shù)革命并取得突破，才能有更大的發(fā)展。

［1］ 張榮立，何國維，李鐸.采礦工程設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.