輔助運輸無軌系統在礦井建設中的應用

趙長紅，呂兆海

(1.寧夏煤炭基本建設有限公司，寧夏 銀川 750004；2.國家能源集團寧夏煤業集團有限責任公司，寧夏 銀川 750000)

隨著我國大型礦井的建設和老礦井的技術改造，礦井規模不斷擴大，煤礦輔助運輸的重量和運輸距離直線上升[1]。煤礦輔助運輸是指除煤炭以外的人員、矸石、設備、材料等物資的運輸，主要指地面到工作面等周轉運輸作業[2]。礦井開拓方式決定了礦井輔助運輸方式，輔助運輸設備的機械化水平對礦井開拓方式的選擇又有一定影響。礦井的輔助運輸方式主要分為有軌運輸和無軌運輸兩種形式。其中，有軌運輸是礦井輔助運輸的主要形式，但隨著技術裝備的發展，設計理念的更新，無軌運輸系統在近年新礦井設計中得到重視并逐步推廣應用，其經濟效益及社會價值得到廣泛的認可。由于無軌運輸系統無軌道限制，并具有適應性強、機動靈活性好、安全高效的特點，因而在美國、英國、澳大利亞、南非等產煤大國已普遍使用[3-5]。隨著近年膠輪車技術的發展成熟，無軌運輸系統在我國也逐步推廣使用。在此過程中先后出現了各種型號的膠輪車，主要有WC1.2J、 WC3J、 WC5E、WC20R等防爆無軌膠輪車，這類膠輪車的出現促使礦井在生產過程中逐步淘汰落后的軌道運輸方式，使礦井的輔助運輸效率成倍提高，為建設高產高效礦井奠定了基礎。

1 當前煤礦輔助運輸系統現狀

礦井輔助運輸方式對巷道掘進工效影響較大，受地質條件制約采用軌道運輸的礦井，相對無軌運輸而言，明顯存在運輸效率低下、速度慢、用人用機多、耗時長、人員裝卸物料勞動強度大、機動性差、安全管控風險高等問題，成為制約礦井產量及企業效益的瓶頸[6，7]。因此，選擇合理的輔助運輸方式，提高輔助運輸裝備水平，將直接影響礦井生產安全和經濟效益。我國煤礦井下輔助運輸系統主要分為有軌運輸系統、無軌運輸系統。其中有軌運輸系統主要集中在黑龍江、山東、徐州等以立井開拓或斜井開拓的開采深度較大的老礦井，受礦井開拓方式及煤層傾角的限制，在我國煤礦生產中仍然作為主要的運輸方式存在且難以更新換代；無軌運輸系統主要集中在開采條件相對較好，煤層傾角較小的新建礦井或在后期進行技術改造的大型礦井中。神東煤業公司、寧夏煤業公司的部分大型礦井、平煤集團等礦業集團的部分礦井都已大范圍的推廣使用無軌運輸系統，并且取得了良好的社會經濟效益。例如：神東大柳塔礦和活雞兔礦引進英國埃姆科公司HLD-913型無軌膠輪鏟車等無軌輔助運輸設備，礦井實現無軌系統的高效運輸，山西云崗礦無軌運輸系統采用澳大利亞諾依斯公司的柴油機重型支架鏟車創10d搬完一個工作面的記錄。無軌運輸系統的高效便捷和安全優勢，促使我國無軌運輸設備得到空前發展，國內在用無軌膠輪車輛設備超過4萬臺[8]。

2 影響輔助運輸方式的因素

礦井輔助運輸方式的選擇受地質條件、輔助運輸裝備、礦井開拓方式等多種因素的影響，但是隨著輔助運輸設備的更新升級，無軌運輸在近年來逐步成為新建、改擴建礦井輔助運輸方式的主要形式。

1)地質因素，煤層傾角是影響礦井輔助運輸方式的主要因素。煤層按傾角劃分為近水平、緩傾斜、傾斜、急傾斜煤層。在傾角小于12°的緩傾斜煤層、近水平煤層中既可以選擇軌道運輸、也可以選擇無軌運輸，在傾角大于12°的緩傾斜及傾斜煤層、急傾斜煤層中工作面以外的運輸既可以選擇軌道運輸、也可以選擇無軌運輸，但在工作面內只能選擇軌道運輸。另外在底臌嚴重或頂板破碎的巷道內不宜選擇軌道運輸。

2)輔助運輸裝備，輔助運輸裝備是輔助運輸方式的基礎，高效、先進、智能的輔助運輸裝備是礦井輔助系統選擇的必然。因此，輔助運輸裝備的現代化水平、發展更新速度對礦井輔助運輸系統的選擇有重要的影響。

3)礦井開拓方式，礦井的開拓方式在很大程度上決定礦井輔助系統的選擇，在采用副立井+主斜井開拓的礦井及主斜井+副斜井開拓的礦井，采用軌道運輸系統，但在立井開拓的礦井，后期設計改造中如采用暗緩坡斜井開拓，輔助運輸可以改為罐籠+無軌運輸；在采用主斜井+緩坡斜井開拓的礦井，采用無軌運輸系統，但在煤層傾角較大的工作面內運輸時，仍然采用軌道運輸系統作為輔助運輸。

4)運輸距離，工作面的運輸距離或者運量對輔助運輸方式的選擇有一定的影響，隨著大型礦井的建設，部分工作面走向長度達到5km以上且隨著巷道斷面的增大支護材料及輔助設備的運量顯著增多，遠距離的運輸及支護材料運量的增大，選擇快捷、高效的無軌運輸系統有利于礦井實現高產高效。

3 輔助運輸系統的主要形式

礦井輔助運輸系統主要分軌道運輸系統、無軌和軌道混合運輸系統、無軌運輸系統。軌道運輸系統主要依托軌道通過滾筒絞車、無極繩絞車、柴油發動機機車、蓄電池機車等動力的牽引進行運輸，這種運輸方式效率低，安全性差。受礦井開拓方式及煤層傾角的限制，在我國煤礦生產中仍然作為主要的運輸方式存在且難以更新。無軌和軌道混合運輸系統主要是采用無軌運輸負責地面至井下大部分工作面的運輸工作，但在工作面安裝、回撤過程中由于工作面傾角較大，無軌膠輪車運行受限，采用軌道運輸進行工作面的安裝、回撤等工作。無軌運輸系統主要是采用膠輪車進行設備及人員的運輸，該系統在主立井+緩坡斜井、主斜井+緩坡斜井開拓的新建礦井及改擴建礦井中進行了廣泛應用并取得了顯著的社會經濟效益。

3.1 有軌運輸系統

有軌運輸系統主要包括：柴油機單軌吊機車、蓄電池單軌吊機車、繩牽引卡軌車、柴油機膠套輪齒軌卡軌車、無極繩連續牽引車等。由于其適應性強，在煤礦井下的運輸過程中曾得到廣泛的應用。但是有軌運輸系統占用設備數量多，投入人員多，運輸環節多，軌道系統復雜，受巷道底臌影響較大，安全隱患大，作業功效低，運行過程中經常發生掉道事故[9，10]。隨著科技進步，軌道運輸設備的更新換代在近年取得了一定的發展，但其在運輸過程中存在諸多弊端難以克服。特別在近年現代化高產高效礦井的建設過程中采用軌道運輸系統難以滿足礦井發展的需要，如采用絞車提升的副斜井，提升距離1000m，提升能力約30鉤/d，按每鉤5輛MGC1.7-9D固定礦車進行計算，每天提升約150車，合255m3矸石，僅為18m2斷面，10m巖巷的矸石量，運輸能力有限。

3.2 無軌+有軌運輸系統

受地質條件的限制，煤層賦存傾角變化較大，在煤層傾角較大的工作面，無軌膠輪車難以運行，因此在這類礦井中，地面至井底車場及工作面順槽可采用無軌系統進行運輸，在工作面安裝、回撤過程中采用軌道運輸。這種運輸方式較單一軌道系統效率明顯提高，但在膠輪車運行受限的區域需進行轉載，存在一定的弊端。

3.3 無軌運輸系統

輔助運輸機械化不僅節省大量的人員，而且可以提高工時利用率，提高工作面的產量和進度[11]。無軌運輸系統具有運輸效率高，轉載環節少，運行速度快、載重能力大、輔助人員少，運輸成本低的特點，無軌運輸系統可以將作業人員由地面或井底車場直接運送到作業工作面，有效緩解工人的勞動強度，減少作業人員非作業時間，提高用工功效，實現減員增效的目的。另外可實現將設備及材料直接由地面運輸到作業工作面，轉載環節減少，使礦井的輔助運輸水平顯著提高。通過對寧夏煤業公司礦井現有輔助運輸方式比較，無軌運輸較軌道運輸優越性明顯，功效高出約30%～50%。

3.3.1 罐籠+無軌運輸系統

礦井開拓方式決定了礦井輔助運輸系統的選擇，罐籠+無軌運輸系統應用在主斜井+副立井+暗緩坡斜井聯合開拓的礦井中，如圖1所示，采用副立井結合無軌膠輪車與暗緩坡斜井迂回折返的方式，能夠很好地拓寬無軌膠輪車輔助系統的應用范圍，適應性更強，有利于礦井高產高效和現代化建設[12]。這種輔助運輸方式比副斜井軌道運輸的效率明顯提高，但井下無軌運輸系統的運輸功效往往受限于立井提升系統。比如石槽村煤礦、麥垛山煤礦采用主斜井+副立井+暗緩坡斜井開拓方式，無軌膠輪車經罐籠由地面到開采水平后，膠輪車通過暗緩坡斜井直接將支護材料、工器具、人員運輸到工作面。這種運輸方式往往存在地面車輛下不去、井下車輛上不來的共性問題，立井罐籠提升成為制約運輸系統的瓶頸。雖然通過加強調度管理等措施可以緩解提升運輸的問題，但罐籠提升制約無軌膠輪車高效運輸的根本問題無法解決。

圖1 主斜井+副立井+暗緩坡斜井開拓方式

3.3.2 緩坡斜井無軌運輸系統

緩坡斜井無軌運輸系統主要應用在主斜井+緩坡斜井開拓的新建礦井，如圖2所示，在傳統設計理念上是一種突破和飛躍。該系統無軌膠輪車可以從地面通過緩坡斜井直接將人員、材料、設備等運送到工作面，是目前運輸效率最高的一種輔助運輸方式。尤其在某些大型礦井中，工作巷走向長度達到5km以上，采用無軌運輸系統不僅提高了運輸效率，也有效減輕了作業人員遠距離行走的勞動強度。在這類運輸系統中，有上下雙向行車和單向輔以錯車硐室兩種方式。比如梅花井煤礦、雙馬煤礦、紅柳煤礦等采用這種輔助運輸方式功效明顯提高。

圖2 主斜井+緩坡斜井開拓方式

4 輔助運輸系統綜合對比

礦井的快速高效發展，要求輔助運輸系統能較快實現工作面的搬遷及工作面支護材料、設備的運輸。無軌膠輪車廣泛使用不僅提高了礦井的輔助運輸能力，助推了高效、現代化礦井建設的進程[13]，也使礦井的設計思路更加開闊，為礦井設計在輔助運輸系統的選擇上拓寬了優選空間，并逐步成為礦井輔助運輸方式發展的主導方向。

1)運輸能力，與軌道運輸系統相比，無軌運輸系統運輸能力明顯提高。在軌道系統中，工作巷運輸一般采用KFV1.1-6型翻斗式礦車配合連續牽引絞車運輸，單次按3輛礦車計算，最大載重能力5t。無軌運輸系統以WC5E無軌膠輪車為例，單臺車輛外形尺寸6667mm×1960mm×2000mm，最大載重能力5t，并且隨著無軌膠輪車的更新升級，其載重能力逐步增大。梅花井礦液壓支架搬運車裝載能力最大達到50t，實現了液壓支架的整體運輸，梅花井礦采用無軌運輸系統投入的各類膠輪車見表1。

2)運行速度，無軌運輸系統中井下膠輪車運料一般要求最大允許運行速度30km/h，(煤礦安全規程要求運料不超過40km/h，運人不超過25km/h)軌道系統中連續牽引絞車的最大運行速度6.12km/h，若在運輸支架等大型設備期間，運行速度約3.6km/h，無軌運輸系統的運輸效率優勢明顯。以寧夏煤業公司梅花井煤礦輔助運輸為例，從地面至井下的最遠距離達到15km以上，無軌膠輪車單趟運輸約40min，工作巷最大長度達5km，采用無軌膠輪車運輸巷內僅需0.33h，采用無極繩絞車運輸需要1.63～2.78h，在相同時間內，無軌運輸系統的運輸效率明顯高于軌道運輸系統，并且這種優勢隨著運輸距離的增加而更加顯著。

表1 梅花井礦無軌膠輪車統計表

表2 輔助運輸系統運輸時間對比表

3)輔助運輸人員，采用無軌膠輪車運輸，每輛膠輪車配備1名司機，而采用軌道運輸，僅連續牽引絞車運輸期間，至少需要絞車司機、信號工、跟車工3名。因此，采用無軌運輸系統，礦井的輔助運輸人員數量將大幅度減少，對礦井的安全管理意義重大。

4)轉載環節，采用緩坡斜井的無軌運輸系統，可以實現直接從井口到工作面的一站式運輸，采用副斜井提升的軌道運輸系統，從地面運輸至工作面至少進行3次摘掛鉤工作，轉載環節極其復雜。

5)設備占用，采用無軌運輸系統，從地面到工作面的運輸僅有膠輪車，不占用其他設備，而采用軌道運輸系統，從地面到井下工作面，至少占用電機車2～3臺，提升絞車1臺，連續牽引絞車1臺。

6)輔助工作，采用軌道運輸系統，前期存在軌道的鋪設，地坪的硬化(鋪墊道砟)調整軌道等工作，并且對軌道的鋪設質量要求較高。而采用無軌運輸系統，對巷道底板的適應性更強，僅施工地坪即可運行。

7)運輸距離及其它工作，采用軌道系統，從地面到各水平車場的距離相對較近，而采用無軌運輸系統，在礦井開拓過程中，緩坡斜井的距離較長，另外在地質條件復雜的礦井，采用緩坡斜井施工，通過復雜地質構造的距離較長，礦井建設的前期費用較高，施工難度相對較大。

綜合上述因素，在礦井輔助系統的選擇中，采用無軌運輸系統的社會、經濟效益均比軌道運輸系統的優越性明顯，推廣應用無軌運輸系統對提高礦井功效意義重大。

5 無軌運輸系統的應用

寧夏煤業公司梅花井、雙馬、紅柳、棗泉、羊場灣等礦井采用無軌運輸系統，麥垛山、石槽村煤礦采用罐籠+無軌運輸系統，無軌運輸系統不僅提高了運輸效率，降低了工人的勞動強度，為建設高產高效礦井奠定了基礎。梅花井煤礦緩坡斜井坡度5.5°，緩坡斜井長度6.3km，寬度5.2m，高度4.2m，緩坡斜井內采取單向行車+錯車硐室，如圖3所示。礦井工作巷最大長度5.0km，井下輔助聯絡巷長度1.5～6.0km，最大運輸距離15km。膠輪車井下運人最大運行速度25km/h，運料最大運行速度30km/h，工作面單趟運輸時間30～36min，通過支架搬運車運輸支架，運距在10km以內，工作面安裝(回收)150臺支架最快15d，功效明顯提高。

圖3 梅花井煤礦緩坡斜井平、剖面示意圖

6 結論及展望

1)無軌膠輪車的生產雖然形成了一定的規模，但是由于受政策及行業的影響，更新升級較快，在同一礦井中存在類型繁多的各類膠輪車，給車輛的維修、保養及安全管理帶來了一定難度。

2)隨著井下機械設備的大型化，無軌膠輪車外形尺寸也逐步增大，巷道斷面也相應增大，因此要有大斷面巷道支護尤其是軟巖巷道大斷面支護技術的強力支撐。

3)隨著井下無軌膠輪車的大量應用，井下運輸的交通管理難度也逐步增大，實現無軌膠輪車的智能化管理、調度是智慧礦山首要解決的問題。

4)無軌運輸系統較軌道運輸系統有明顯的優勢，對建設高產高效現代化礦井意義重大，在新建礦井及具備條件的改擴建礦井，應積極推廣應用。