緩坡副斜井錯(cuò)車(chē)硐室設(shè)置方式及間距研究

于新鋒

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

無(wú)軌膠輪車(chē)作為礦井先進(jìn)的輔助運(yùn)輸方式，具有機(jī)動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)單、裝卸方便、運(yùn)輸速度快、運(yùn)輸工作量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)新建大型礦井中得到廣泛應(yīng)用[1，2]。近年來(lái)，我國(guó)建設(shè)了一批采用緩坡副斜井進(jìn)行輔助運(yùn)輸?shù)牡V井，緩坡副斜井傾角一般在6°以?xún)?nèi)，井筒長(zhǎng)度可達(dá)到4000m及以上[3]。雖然無(wú)軌膠輪車(chē)為礦井輔助運(yùn)輸提供了有力保障，但受井下條件限制，為減少井筒斷面尺寸、降低井巷工程量和投資，緩坡副斜井一般采用單道雙向行駛，為有效解決車(chē)輛通行問(wèn)題，錯(cuò)車(chē)硐室的設(shè)置尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)斜井井筒及井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范規(guī)定在無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸?shù)男本玻?dāng)不滿(mǎn)足雙向車(chē)道運(yùn)行時(shí)，應(yīng)設(shè)置會(huì)讓硐室[4，5]，對(duì)于如何設(shè)置、硐室間距如何確定等并沒(méi)有相關(guān)規(guī)定，為緩坡副斜井設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。因而，緩坡副斜井錯(cuò)車(chē)硐室設(shè)置方式及間距研究工作對(duì)于井筒設(shè)計(jì)、提高井筒通行能力、確保運(yùn)輸安全具有重要意義。

1 工程概況

雙馬煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0Mt/a，煤層為近水平煤層，采用斜井開(kāi)拓方式，布置主、副、回風(fēng)斜井。其中副斜井采用緩坡斜井，井口標(biāo)高+1373.5m，井筒落底標(biāo)高+1046m，落差327.5m，井筒傾角最大5.5°，井筒長(zhǎng)度4151m。井筒內(nèi)無(wú)軌膠輪車(chē)采用單道雙向行駛，井筒正常段斷面采用半圓拱形斷面，凈寬5.4m，凈高4.6m，凈斷面積21.6m2，如圖1所示。

圖1 緩坡副斜井正常段斷面圖(mm)

雙馬煤礦緩坡副斜井僅服務(wù)于礦井輔助運(yùn)輸，根據(jù)雙馬煤礦采、掘工作面輔助運(yùn)輸人員、設(shè)備、材料等情況，設(shè)計(jì)確定礦井最大班輔助運(yùn)輸總量為103車(chē)/班。

2 錯(cuò)車(chē)硐室設(shè)置方式

2.1 錯(cuò)車(chē)硐室形式

目前，煤礦井下錯(cuò)車(chē)硐室有盡頭式硐室和井筒加寬式布置2種方式[5]。硐室式巷道斷面小，利于支護(hù)，但受擴(kuò)散通風(fēng)影響，硐室深度一般小于6m；而加寬式則不受擴(kuò)散通風(fēng)距離影響，布置長(zhǎng)度相對(duì)靈活，也利于車(chē)輛錯(cuò)車(chē)會(huì)讓?zhuān)虼耍p馬煤礦緩坡副斜井井筒內(nèi)的錯(cuò)車(chē)硐室采用加寬式布置方式，如圖2所示。

圖2 加寬式錯(cuò)車(chē)硐室布置平面圖

2.2 錯(cuò)車(chē)硐室寬度

錯(cuò)車(chē)硐室的寬度應(yīng)按雙向車(chē)道的寬度進(jìn)行考慮，根據(jù)《煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》，雙向車(chē)道運(yùn)行時(shí)巷道斷面寬度可按式(1)計(jì)算[4]：

B錯(cuò)=b1+b2+b3+b4+b5

(1)

式中，B錯(cuò)為錯(cuò)車(chē)硐室斷面寬度，m；b1、b2為雙向車(chē)道內(nèi)車(chē)輛寬度，取2.4m；b3為人行道寬度，取1.2m；b4為車(chē)輛與巷道側(cè)壁最小間距，取0.5m；b5為對(duì)向車(chē)輛間距離，取0.5m。

經(jīng)計(jì)算，錯(cuò)車(chē)硐室斷面寬度為7m；礦井無(wú)軌膠輪車(chē)一般車(chē)輛寬度小于2.4m，但井下支架搬運(yùn)車(chē)寬度卻為3.5m，考慮到其運(yùn)行頻率較低，在不考慮人行道寬度的情況下，對(duì)支架搬運(yùn)車(chē)與一般車(chē)輛錯(cuò)車(chē)會(huì)讓進(jìn)行驗(yàn)算即可，可采用式(2)驗(yàn)算：

B錯(cuò)=b1+b2+2b4+b5

(2)

經(jīng)驗(yàn)算，錯(cuò)車(chē)硐室斷面寬度為7.4m時(shí)，才能滿(mǎn)足支架搬運(yùn)車(chē)與一般車(chē)輛錯(cuò)車(chē)要求，因此，錯(cuò)車(chē)硐室斷面寬度取7.4m，該礦井井筒正常段凈寬B為5.4m，因此錯(cuò)車(chē)硐室斷面加寬值B1為2.0m，錯(cuò)車(chē)硐室斷面如圖3所示。

圖3 加寬式錯(cuò)車(chē)硐室斷面圖(mm)

2.3 錯(cuò)車(chē)硐室長(zhǎng)度

根據(jù)《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》，四級(jí)公路設(shè)置錯(cuò)車(chē)道的有效長(zhǎng)度應(yīng)不小于20m[6]；而相關(guān)研究[7-9]認(rèn)為考慮到相會(huì)時(shí)車(chē)輛不停車(chē)錯(cuò)車(chē)，從第一輛車(chē)進(jìn)入錯(cuò)車(chē)道直線(xiàn)段到兩輛車(chē)完成錯(cuò)車(chē)需要2倍的車(chē)輛長(zhǎng)度，因此建議錯(cuò)車(chē)道直線(xiàn)段距離應(yīng)不小于2倍的車(chē)長(zhǎng)。《煤礦斜井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 20415—2017)規(guī)定無(wú)軌膠輪車(chē)會(huì)讓硐室長(zhǎng)度應(yīng)大于或等于車(chē)長(zhǎng)的2倍，此規(guī)范實(shí)施之前，煤炭行業(yè)相關(guān)規(guī)范對(duì)加寬式錯(cuò)車(chē)硐室長(zhǎng)度并無(wú)具體要求。

根據(jù)礦井規(guī)范要求及礦井實(shí)際情況，當(dāng)有無(wú)軌膠輪車(chē)進(jìn)入兩個(gè)錯(cuò)車(chē)硐室之間后，會(huì)有語(yǔ)音及燈光提示信號(hào)，提示相向其他車(chē)輛停車(chē)等候錯(cuò)車(chē)。該礦井井筒設(shè)計(jì)時(shí)，煤炭行業(yè)相關(guān)規(guī)范對(duì)加寬式錯(cuò)車(chē)硐室長(zhǎng)度并無(wú)具體要求，因此考慮到硐室工程量及支護(hù)原因，設(shè)計(jì)錯(cuò)車(chē)硐室直線(xiàn)段長(zhǎng)度按滿(mǎn)足車(chē)輛停車(chē)會(huì)讓要求即可。雙馬煤礦配置的無(wú)軌膠輪車(chē)長(zhǎng)度一般在6～7.5m之間，因此錯(cuò)車(chē)硐室直線(xiàn)段L1長(zhǎng)度取10m。

錯(cuò)車(chē)硐室漸變段采用直線(xiàn)漸變，為充分減少錯(cuò)車(chē)硐室工程量，漸變段與正常段夾角按45°考慮，漸變段長(zhǎng)度L2取2m。

3 錯(cuò)車(chē)硐室間距

3.1 緩坡副斜井通行能力

錯(cuò)車(chē)硐室的間距與緩坡副斜井的通行能力有著直接的關(guān)系，在相同條件下，錯(cuò)車(chē)硐室間距越長(zhǎng)，則錯(cuò)車(chē)時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加，井筒通行能力就會(huì)下降；錯(cuò)車(chē)硐室間距過(guò)小，雖提高了井筒通行能力，但會(huì)增加錯(cuò)車(chē)硐室工程量和建設(shè)投資。

要合理確定錯(cuò)車(chē)硐室間距，首先要確定無(wú)軌膠輪車(chē)在井筒內(nèi)的通行能力，緩坡副斜井井筒內(nèi)單向最大小時(shí)流量可按式(3)計(jì)算：

Qd=K1K2Q/T

(3)

式中，Qd為單向最大小時(shí)流量，輛/h；K1為無(wú)軌膠輪車(chē)臨時(shí)加開(kāi)系數(shù)，取1.15；K2為車(chē)輛運(yùn)行不平衡系數(shù)，取1.20；Q為井下最大班運(yùn)輸總量，取103車(chē)/班；T為凈輔助提升時(shí)間，每班取4.5h。

經(jīng)計(jì)算，井筒內(nèi)單向最大流量為32 輛/h。

3.2 錯(cuò)車(chē)硐室間距確定

在確定錯(cuò)車(chē)硐室間距時(shí)，假設(shè)井筒內(nèi)無(wú)軌膠輪車(chē)服從均勻分布，兩個(gè)錯(cuò)車(chē)硐室之間車(chē)輛錯(cuò)讓場(chǎng)景模型為：無(wú)軌膠輪車(chē)A位于第一個(gè)錯(cuò)車(chē)硐室內(nèi)等待對(duì)向無(wú)軌膠輪車(chē)B駛過(guò)后加速駛出錯(cuò)車(chē)硐室，回到正常段平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間，遇到對(duì)向另一無(wú)軌膠輪車(chē)C，需要第2次錯(cuò)車(chē)，從而減速駛?cè)氲诙€(gè)錯(cuò)車(chē)硐室。兩個(gè)錯(cuò)車(chē)硐室之間的距離為設(shè)置錯(cuò)車(chē)硐室所需確定的最大間距。井筒內(nèi)錯(cuò)車(chē)模型如圖4所示。

圖4 井筒內(nèi)錯(cuò)車(chē)模型示意圖

由圖4可知，錯(cuò)車(chē)硐室間距為無(wú)軌膠輪車(chē)加速運(yùn)行距離、平穩(wěn)運(yùn)行距離、減速運(yùn)行距離之和，車(chē)輛加、減速運(yùn)行距離可按式(4)、式(5)計(jì)算[7，8]：

式中，L加為車(chē)輛加速運(yùn)行距離，m；L減為車(chē)輛減速運(yùn)行距離，m；V0為車(chē)輛運(yùn)行速度，取20km/h；a0為車(chē)輛平均行駛加速度，取2.5m/s2；V1為車(chē)輛減速后的速度，取10km/h；t0為駕駛員的感知反應(yīng)時(shí)間，取2.5s；t1為發(fā)動(dòng)機(jī)減速時(shí)間，取3.0s；a1為發(fā)動(dòng)機(jī)減速度，取1.8m/s2；a2為制動(dòng)器減速度，取2.5m/s2。

經(jīng)計(jì)算[9-11]，無(wú)軌膠輪車(chē)輛加速運(yùn)行距離為6.2m；無(wú)軌膠輪車(chē)輛減速運(yùn)行距離為24.0m。

要想計(jì)算無(wú)軌膠輪車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行距離，首先要確定其平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間，車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間可通過(guò)單向兩輛無(wú)軌膠輪車(chē)經(jīng)過(guò)同一錯(cuò)車(chē)硐室的時(shí)間間隔減去加、減速時(shí)間得出，因此無(wú)軌膠輪車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行距離可按式(6)計(jì)算[7，8]：

式中，L平為車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行距離，m；t平為車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間，s；t2為制動(dòng)器減速時(shí)間，s。

經(jīng)計(jì)算，車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間為103.7s，車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行距離為576.1m。錯(cuò)車(chē)硐室之間的最大間距(L加+L平+L減)=606.3m。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

雙馬煤礦緩坡副斜井井筒長(zhǎng)度4151m，井筒內(nèi)共設(shè)置了6個(gè)加寬式錯(cuò)車(chē)硐室，錯(cuò)車(chē)硐室平均間距約593m，礦井于2015年12月預(yù)驗(yàn)收投入生產(chǎn)，目前，礦井生產(chǎn)能力可達(dá)4.5Mt/a，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，礦井生產(chǎn)過(guò)程中，正常情況下每班下井車(chē)輛約為80車(chē)/班，下井車(chē)輛最多約為98車(chē)/班，從實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看，無(wú)軌膠輪車(chē)在井筒內(nèi)運(yùn)行順暢，未發(fā)生過(guò)對(duì)向車(chē)輛之間的刮蹭等運(yùn)輸安全事故，提高了井筒內(nèi)無(wú)軌膠輪車(chē)的通行能力，為礦井穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

錯(cuò)車(chē)硐室的設(shè)置可以有效提高單道雙向行駛緩坡副斜井井筒的通行能力，防止運(yùn)輸安全事故的發(fā)生；通過(guò)理論分析計(jì)算，合理確定錯(cuò)車(chē)硐室的斷面寬度、長(zhǎng)度及設(shè)置間距，在降低井巷工程量及建設(shè)投資的同時(shí)，有效發(fā)揮了錯(cuò)車(chē)硐室在緩坡副斜井井筒內(nèi)的錯(cuò)讓交會(huì)功能。雙馬煤礦緩坡副斜井錯(cuò)車(chē)硐室的成功應(yīng)用，也為其他類(lèi)似條件下的緩坡副斜井井筒仍至井下輔助運(yùn)輸大巷內(nèi)錯(cuò)車(chē)硐室的設(shè)置提供了參考、應(yīng)用價(jià)值。