避險車道用作無軌膠輪車失速安全設施的研究

牛寶玉

(中煤邯鄲設計工程有限責任公司，河北 邯鄲 056031)

無軌膠輪車輔助運輸方式以其快速高效、機動靈活、適應強、爬坡能力大、運輸費用低等優點在煤礦輔助運輸系統中得到了廣泛的推廣應用，并且采用無軌膠輪車運輸的斜井井筒長度也越來越大，目前最長無軌膠輪車運輸的斜井長度已經達到了6600m(如神華新街臺格廟一號礦井副斜井)[1]。但伴隨著無軌膠輪車的推廣應用，無軌膠輪車運輸事故時有發生。2014年在國家安全監管總局辦公廳、國家煤礦安監局辦公室下發的“關于加強煤礦井下防爆柴油機無軌膠輪車安全管理的通知”【安監總廳煤裝〔2014〕7號】中，通報的三起無軌膠輪車運輸事故均是因為車輛制動失靈、失效造成的，因此2016版的《煤礦安全規程》新增了采用無軌膠輪車運輸時的規定條款(392條)，規定中要求“長坡段巷道內，應采取車輛失速安全措施”。《煤礦安全規程2016解讀》中解讀了車輛失速安全措施包括設置水平緩沖段、應急車道、巷道側設置緩沖物等。

為提高無軌膠輪車運輸的安全性，近年來地面公路運輸的避險車道理念也引入到礦山[2，3]，一些礦井設置避險車道、緩沖硐室作為車輛失速保護的安全措施[4，5]，如何設置才能使避險車道能夠更好的保護失速車輛即是本文研究的目的。

1 失速車輛下坡時的動力學分析

車輛一旦在坡道上下行失速，車輛重力沿坡道上的下向分力將成為車輛加速下行的動力，而車輪與路面的滾動摩擦阻力、車輛迎面空氣阻力和車輛傳動阻力成為車輛下行的阻力。在忽略車輛傳動阻力情況下，根據牛頓定律可以推導出車輛失速的加速度：

按照運動學規律可以推導出下式：

式中，a為失速車輛的加速度，m/s2；g為重力加速度，取9.81m/s2；f為車輪對路面的滾動阻力系數；α為巷道傾角，°；M為車輛總質量，kg；Ck為空氣阻力系數，與車型有關，對礦井膠輪車取值0.6～1.0；ρ為空氣密度，一般取1.205kg/m3；A為車輛橫斷面積，m2；V為車輛失速后的瞬時速度，m/s；V0為車輛失速時的速度，m/s；Vx為車輛相對于風流的速度，m/s；L為車輛失速下行的距離，m。

巷道傾角6°，混凝土路面(滾動阻力系數0.015)，車輛橫斷面積3.0m2，車輛滿載質量12000kg，空氣阻力系數0.6，巷道風流速度10m/s條件下，不同初速度下的失速速度與下行距離的關系見表1，失速下行距離與失速速度的關系如圖1所示。

表1 不同初速度下的失速速度與下行距離的關系(巷道傾角6°)

圖1 失速下行距離與失速速度的關系

由表1和圖1可得到下列結論：

1)車輛失速速度隨下行距離增加而迅速提高，失速下行400～500m后，車輛速度即可達到100km/h。

2)失速下行距離一定時，車輛失速時的速度對車輛失速速度的影響很小。

在不考慮路面摩擦阻力和巷道風流速度的影響后，式(2)可簡化為：

經過計算獲得不考慮摩擦阻力和巷道風流影響的下行距離與速度的關系見表2，兩表比較后，可得出不考慮路面摩擦阻力和巷道風流影響時，失速速度的增幅在1000m距離范圍內為6%～14%，因此采用簡化公式計算是可行的，既有利于安全，也不會過大增加避險車道工程投資。

2 避險車道設置

2.1 避險車道概念

避險車道的提出源于地面公路運輸，按照《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)2.0.9款對避險車道的定義：在行車道外側增設的、供制動失效車輛駛離、減速停車、自救的專用車道。

從減少巷道工程量，使失速車輛盡快減速停車等考慮，礦井中設置的避險車道由引道和強制減速段(制動床)構成，其中引道是引導失控車輛安全駛入強制減速段的車道，由銜接主道的下坡和連接強制減速段的上坡豎曲線組成；強制減速段是采用上坡布置的鋪設一定厚度散粒集料、使失控車輛減速停車的特殊車道。另外在強制減速段的盡頭還設置諸如輪胎等柔性材料做成的碰撞墻。

表2 不考慮摩擦阻力和巷道風流影響的失速速度與下行距離的關系(巷道傾角6°)

2.2 避險車道長度

避險車道長度由引道和強制減速段組成，其中引道長度依據布置確定，強制減速段長度按照能量守恒定律依下式計算確定：

式中，Lb為避險車道長度，m；V為失速車輛駛入避險車道的速度，m/s；β為避險車道傾角，°；fz為避險車道散粒材料的阻尼系數，對2.36～4.75cm粒徑的豆礫石取0.25[6]；g為重力加速度，m/s2。不同坡度下的避險車道長度與駛入速度的關系見表3。從表中數據可知，避險車道的長度遠比《煤礦安全規程》規定的巷道擴散通風距離(6m)大，因此需要施工專用的通風聯絡巷道或通風鉆孔，保證避險車道的通風。

表3 不同車道傾角下避險車道長度與駛入速度關系

2.3 避險車道的設置間距

避險車道的設置間距應從失速車輛進入避險車道速度和避險車道總工程量考慮，失速車輛進入避險車道速度越高，意味著失速車輛下行距離越長，避險車道設置的間距越大，避險車道的總工程量減少。如果失速車輛進入避險車道速度設置過高，失速車輛由于駕駛員心理恐慌因素，以及操控時間短等往往難以安全進入避險車道避險。根據地面運營公路避險車道的調研，駛入避險車道失控車輛的速度一般在80～120km/h之間，最高駛入速度達到140km/h[7]。根據車輛失速速度與下行距離的關系，綜合考慮建議將失速速度控制在120km/h以下來確定設置間距。在最高失速速度120km/h時，對于5°～6°的斜井或斜巷，避險車道的設置間距在500～600m左右。

2.4 避險車道布置

1)平面布置。對于直線式布置的緩坡斜井井筒和斜巷，避險車道應布置在巷道的右側。失速車輛從主道駛入避險車道的角度(駛入角)應從便于司機判斷和操控車輛方向、避免車輛側翻，以及巷道交岔點施工、支護難易程度和工程量綜合考慮。地面公路駛入角一般不超過10°[7，8]。對于礦井無軌膠輪車運輸，建議根據巷道圍巖條件取值10°～12°。對于折返布置的緩坡斜井井筒，除了直線段布置避險車道外，在拐彎處要沿井筒的下山方向布置避險車道。

2)縱向布置。避險車道一般采用上坡布置，其縱向坡度從避免避險車輛停止后發生倒溜考慮，當集料阻尼系數0.25時，其最大值不應超過14°(25%)。考慮到無軌膠輪車運輸的斜井井筒傾角一般在5°～6°之間，為使進入避險車道的車輛獲得較大的勢能消耗車輛的動能，盡快停車，建議取10°～12°。

3)避險車道盡頭吸能裝置。應在避險車道的盡頭設置廢舊輪胎或其他柔性材料構筑的碰撞墻，作為最后一道吸納失速車輛動能的屏障，并達到減輕人員傷害和車輛破壞程度的作用。

2.5 避險車道結構和材料

避險車道的結構由面層、基層構成，其中面層材料應采用級配礫石集料，級配礫石集料的要求見表4。其壓碎率不應大于12%，針片狀顆粒含量不應大于5%，含泥量不應大于0.5%。鋪設厚度應采用過渡方式，其入口厚度為75mm，在30～60m的長度內直線過渡到正常段厚度，正常段厚度不低于1m；基層應采用水泥穩定碎石，碎石層厚度300mm，分兩層攤鋪。

表4 避險車道礫石集料級配要求

3 結論與建議

本文基于對失速、失控車輛的動力學分析，對避險車道用于礦井無軌膠輪車失速安全設施進行了研究分析，得出下列主要結論：

1)車輛失速速度隨下行距離增加而迅速提高，失速下行400～500m后，車輛速度即可達到100km/h；失速下行距離一定時，車輛失速時的速度對車輛失速速度的影響很小。

2)路面滾動阻力和巷道風流對失速速度的影響較小，在下行1000m范圍內的速度增幅6%～14%，因此可以采用簡化公式計算失速后的速度，這樣既有利于安全，也不會增加大量的避險車道投資。

3)建議避險車道與主道的夾角取10°～12°，避險車道的坡度取10°～12°，避險車道設置間距以失速速度控制在120km/h以下確定。

4)避險車道的長度遠超過井下擴散通風的允許距離，需要布置通風聯絡巷。

值得指出的是，避險車道同其他失速安全防護措施一樣都是車輛失速后的防災減災措施，正確選用運輸車輛、加強運輸車輛維修保養、嚴格車輛駕駛員培訓、持證上崗等預防措施更為重要；另外，避險車道用作礦井無軌膠輪車失速安全防護設施時，其投資較高，在實際應用時應結合礦井實際與其他失速安全防護措施進行經濟技術比較后選用。