綜采用電牽引自移設備列車可行性方案探析

孫 強

（國家能源集團國神公司三道溝煤礦，陜西 榆林 719400）

2021 年陜西省發展和改革委員會、陜西省應急管理廳、陜西煤礦安全監察局聯合印發的《陜西省煤礦智能化建設智能（試行）》中要求，“煤礦智能化建設以煤礦安全生產、高產高效、綠色開采、智能開采、可持續發展為目標，以信息基礎設施、智能綜合管控平臺、災害防治、安全管理、智能化采煤工作面、智能化掘進工作面、運輸系統、生產輔助系統、智能洗選系統為主要建設內容，實現多源礦井信息的全面感知、動態修正、實時互聯、自主學習、聯機分析與決策、動態預測、協同控制”。其中又對煤礦智能化綜采工作面建設提出了更為詳細的要求，要求智能化采煤通過采煤機、液壓支架、輸送機（含刮板式輸送機、轉載機、破碎機、可伸縮帶式輸送機）及電液動力設備等，形成具有自主感知、自主決策和自動控制運行的功能，能夠獨立完成煤炭開采作業。其中要達到智能化開采，實現減人、無人的智能化綜采工作面建設目標，綜采設備列車的智能化升級改造是關鍵一環。

開發一種具有可靠動力來源，可自行走、自拐彎，具備多種控制形式的高可靠性、高智能化綜采用設備列車，我國已經具備了相應的實施條件。

1 現有2種綜采設備列車拉移方式的弊端

目前在煤礦綜采設備列車拉移方面主要有傳統戧柱配合絞車牽引方式和邁步式設備列車牽引方式2 種拉移方式，該文對這2 種方式的操作方式及缺點進行簡要分析。

1.1 傳統戧柱配合絞車牽引方式

傳統戧柱配合絞車牽引方式正常使用時存在以下問題：1）拉移設備列車前，需要提前在列車前方敷設軌道并打設戧柱軌道作為列車的行走路線，戧柱作為拉移列車支點，設備列車牽引時將戧柱作為整個列車拉移的承重點，在提前敷設好的軌道上行走，敷設軌道和打設戧柱均需要多人配合，具有較高的危險性，實際工作中有因該項工作導致人員傷亡的情況發生。2）拉移設備列車時，由于列車在軌道上行走，受地板平直度、起伏坡度影響較大，易跑車掉道。綜采工作面回采即將結束列車末采過彎道時需要至少3 臺絞車輔助列車進行牽引。存在鋼絲繩斷裂崩人及設備列車跑車危險。3）綜采工作面搬家倒面時，需將設備列車全部拆分開搬運，到達新工作面后再重新組裝，即浪費人力又需要支付昂貴的列車搬運費用。4）采用絞車配合戧柱牽引設備列車時，為了使設備列車整體具備搬遷條件，工作面末采階段需要在采面布置上單獨開拓一條設備列車回撤通道，滿足列車回撤需要，增加了礦井的礦務工程費用支出。

1.2 邁步式設備列車牽引方式

邁步式設備列車牽引方式在正常使用時存在以下問題：1）邁步式設備列車拉移方式是在每節列車上加裝了一套液壓能動機構[1]，整機液壓系統管線復雜，無形中在整個綜采工作面又多出了一套液壓系統，系統日常更換、維護液壓管路、液壓油缸、控制閥組等工作量大，不符合國家減員增效和建設高產高效綜采工作面的要求。2）邁步式設備列車拉移的動力源由設備列車上的乳化液泵來提供[2]，正常拉移過程中需要開泵才可拉移設備列車，泵站的動力源來自設備列車自身上方的泵站電機-組合開關-移動變電站，整個拉移過程中不能停電。該牽引方式不符合新版《煤礦安全規程》第四百四十二條“井下不得帶電檢修電氣設備。嚴禁帶電搬遷非本安型電氣設備、電纜”的規定，存在較大安全隱患。3）使用邁步式設備列車時，需要在列車尾部安裝1 臺或1組互為支撐點的自移支架作為整個列車移動的支點，整個列車隨著綜采工作面的推采，以自移支架作為支點進行后退式的直線運動，不具備整車拐彎能力，在工作面末采期間，一方面會造成資源浪費另一方面列車整體維護量會加大，不利于綜采工作面整體安全管理。4）綜采工作面末采期間，由于邁步式設備列車不具備自行前移能力，需要整體拆卸后分節使用多功能車才可以搬運，搬運完到達新工作面又要進行組裝，費時費力，且作業過程中存在安全隱患。

在當今國家的和行業要求煤礦綜合機械化采煤應大力像智能化開采方向推進的環境下，上述2 種煤礦綜采用設備列車的牽引方式，已經無法滿足高產高效綠色智能化綜采工作面建設需要，且這2 種方式在實際使用中也存在一系列弊端，嚴重制約著高產高效綜采工作面建設。該文為解決目前綜采工作面設備列車拉移困難和存在安全隱患的問題，特對無軌膠輪電牽引自移設備列車可行性進行探討、研究。

2 研究無軌膠輪電牽引自移設備列車的必要性

2.1 主要研究目標

為了解決傳統設備列車拉移方式帶來的作業效率低下、人員勞動強度大、與現行標準相違背、安全系數低等問題，擬研制一種電牽引無軌膠輪設備列車，整車行走拐彎靈活，制動駐車安全可靠，單車承載力大，牽引動力足，可爬12°以下的坡；搬家倒面時可整機或分段自行牽引，可實現就地、遙控及遠程控制等3 種操作方式，有效降低勞動強度和作業安全隱患，提高生產作業效率。

2.2 主要研究內容

2.2.1 無軌膠輪設備列車整機牽引

在綜采設備列車頭部及中部每隔50m 設置一輛牽引車。設備列車由承載5t、10t、15t、30t 不等的38 節板車構成，列車組牽引車采用膠輪式行走機構，列車行走出現偏差能快速自動調整；列車有足夠大的牽引力和可靠制動性能；設備列車配套聲光報警裝置，在列車啟停運行過程中能夠自動報警，以防造成人員、設備損傷。

2.2.2 無軌膠輪設備列車整機拐彎

綜采工作面進入末采階段時，設備列車進入輔運大巷，需要多次轉彎90°，如何實現整套列車平穩轉彎及遠距離自行牽引，該文對列車動力源可靠性、轉彎半徑、連接裝置、轉彎裝置進行了可行性研究。

2.2.3 無軌膠輪設備列車控制系統的研究

為保障設備列車運行的安全性，確保行走過程中不翻車、不擠巷幫、不損害周圍設施設備，并且實現多牽引車牽引配合及互操作，主要完成上下坡、過彎道等多牽引車的牽引控制、制動控制、保護報警、狀態監視等。設備列車需要具備就地控制、遙控控制、遠程控制等多個控制方式，并可為遠程無人操作提供端口，滿足遠程無人化作業要求。

3 研究無軌膠輪電牽引自移設備列車的理論支持

3.1 無軌電牽引自移設備列車動力控制系統

電牽引自移設備列車以設備列車自帶315kVA、660V 移動變電站配合牽引車鋰電池充電，鋰電池驅動牽引車行走的方式來為行走提供動力。目前礦用660V 鋰電池牽引技術已經比較成熟，鋰電池驅動技術具有綠色環保、安全性能高、動力性能強、續航里程長、信息化程度高、運行成本低等特點，鋰電池驅動礦用無軌膠輪車得到成功應用，因此該項目牽引車組采用鋰電池驅動無軌膠輪電牽引方式。整車牽引重量需要達到目前設備列車整車最大重量160t 的牽引要求，按照整節列車分布4 臺牽引車計算，每臺牽引車牽引重量為40t。目前鋰電池驅動技術可滿足使用要求。

3.2 無軌電牽引自移設備列車行走方式

電牽引自移設備列車在正常行走過程中由第一節牽引車控制整個列車方向，整個列車全部采用硬連接形式，牽引車采用紅外對準調偏技術，即在列車端設置有發射器，列車前100m 參考順槽皮帶設置一個中心點安裝紅外線接收器，行走過程中可實現紅外自調偏功能，使列車始終保證直線行走。

3.3 無軌電牽引自移設備列車末采階段拐彎技術

當綜采工作面進入末采階段后，電牽引自移設備列車可將列車與列車的連接方式改為卡銷連接，使車與車之間具有一定的拐彎半徑。牽引車拐彎后帶動其余車輛拐彎。當列車拐彎遇到困難時，可由設置在列車中部的其余牽引車提供二次動力，滿足后半部列車拐彎要求。

3.4 無軌電牽引自移設備列車制動及阻車系統

設備列車牽引機構采用膠輪車驅動方式，技術成熟，但礦井條件下的防滑及制動問題較為突出，將成為影響設備列車安全運行的技術瓶頸。履帶式行走機構廣泛應用于工程機械、礦山機器人等行走機構中，并且對煤礦綜采工作面工況條件有較好的適應性。因此可以考慮列車組牽引車采用膠輪式行走機構，承載5t、10t、15t、30t 不等的38 節板車采用履帶式行走機構。履帶式行走機構抓地能力強、地面適應度高、承載重量大可滿足設備列車在井下環境使用。

3.5 無軌電牽引自移設備列車的牽引力實際測試

以三道溝煤礦為例，三道溝煤礦85207 綜采工作面采高7m，設備列車共36 節、全長150m，重量見表1。

表1 三道溝煤礦85207 綜采工作面設備列車尺寸及重量匯總表

可以看出，該工作面設備列車總重為134.7t，目前世界最大采高為8.8m 綜采工作面，設備列車總重在此基礎上上浮20%，為160t。而電牽引自移設備列車的牽引車最大牽引力為4411kN，完全可以滿足列車在近水平及坡度12°左右的巷道上下山牽引要求。

3.6 無軌電牽引自移設備列車末采拐彎優點

無軌電牽引自移設備列車在整車身四周裝有測距傳感器，滿足狀態監視功能需要，當設備列車拐彎時提前在牽引車控制電腦上設定列車行走軌距。其他從動車根據設定好的行走軌距緩慢前行。可達到整車平穩拐彎作業。

3.7 無軌電牽引自移設備列車控制方式

電牽引設備列車整車采用電液復合式控制方式，可實現設備列車的以下控制功能。

3.7.1 就地控制

通過電液控制子系統實現設備列車的就地控制、獨立控制、成組控制及其集中控制。

3.7.2 遙控操作

控制器通過RS232 接口配置1 個無線接收器，遙控器通過無線接收器接入控制系統，實現設備列車控制系統的全功能遙控操作。

3.7.3 遠程控制

在設備列車電液控制子系統的基礎上，實現順槽控制中心對設備列車的遠程控制。

綜上所述，在現有技術水平基礎上，筆者開發一種無軌膠輪電牽引自移設備列車完全可行。

4 無軌膠輪電牽引自移設備列車投用效益預測

4.1 對比目前2種列車牽引方式的優點

4.1.1 對比戧柱配合絞車牽引設備列車的方式

對比戧柱配合絞車牽引設備列車的方式，無軌膠輪電牽引設備列車采用無軌膠輪電牽引的行走形式，動力源來自列車自身上的防爆鋰電池，在拉移設備列車前，不需要提前在列車前方敷設軌道并打設戧柱做為拉移列車支點，大大減少了作業人員的勞動危險性和勞動強度；對比戧柱配合絞車牽引設備列車的方式，無軌膠輪電牽引設備列車采用無軌形式，列車不需要在軌道上行走，不受地板平直度、起伏坡度影響，無跑車掉道危險，末采期間可自行拐彎行走，不需要額外增加外置絞車牽引動力；對比戧柱配合絞車牽引設備列車的方式，無軌膠輪電牽引設備列車在列車的前部、中部、后部都可安裝牽引動力車，故在搬家倒面期間無須將列車拆解開，可一次性直接自行拉往型工作面，即減少了人力浪費又節約了昂貴的搬運費用；對比戧柱配合絞車牽引設備列車的方式，無軌膠輪電牽引設備列車可自行拐彎，不需要在采面布置上單獨開拓1 條設備列車回撤通道，有效減少了礦井礦務工程費用支出。

4.1.2 對比邁步式設備列車牽引方式

對比邁步式設備列車牽引方式，無軌膠輪電牽引設備列車采用設置在列車上的防爆鋰離子電池作為動力，不需要像邁步式牽引方式一樣在每節列車上加裝了1 套液壓能動機構，就避免了液壓動力系統的日常更換、維護液壓管路、液壓油缸、控制閥組等工作，提高了工作效率；對比邁步式設備列車牽引方式，無軌膠輪電牽引設備列車牽引方式的動力源來自設備列車自身的防爆鋰離子電池，不需要像邁步式牽引方式一樣依靠列車上的乳化泵提供動力，不會違反《煤礦安全規程》第四百四十二條“井下不得帶電檢修電氣設備。嚴禁帶電搬遷非本安型電氣設備、電纜”的規定；對比邁步式設備列車牽引方式，無軌膠輪電牽引設備列車采用設置在列車上防爆鋰離子電池作為列車行走動力，無須像邁步式一樣在列車尾部安裝一臺或1 組互為支撐點的自移支架作為整個列車移動的支點。并且可自由拐彎，較大程度提高了綜采工作面的整體安全管理水平；與邁步式設備列車牽引方式相比，無軌膠輪電牽引設備列車具備自行前移能力，在工作面搬家倒面期間不需要整體拆卸后分節使用多功能車搬運，大大降低了搬家倒面期間的設備搬運量。

4.2 使用無軌膠輪電牽引設備列車后的各種效益測算

4.2.1 安全效益

電牽引無軌膠輪設備列車投用將有效解決綜采工作面設備列車拉移人力、物力投入大及拉移設備列車存在安全隱患等問題。另外，電牽引自移設備列車的研制，可實現每天移動一次設備列車，大大降低了作業人員的勞動強度，避免了綜采工作面末采期間過彎道拆卸設備列車的工作量，提高了工作效率。

4.2.2 時間效益

電牽引無軌膠輪設備列車實現了設備列車自動前移功能，不再需要人工拆卸、鋪設軌道以及頻繁登高作業打設戧柱。搬家倒面時列車可整體自行牽引到新工作面，節省了大量作業時間，時間效益明顯。

4.2.3 經濟效益

電牽引無軌膠輪設備列車投入使用后，每個工作面可節省人工投入10 人，直接人工費用節省80～100 萬元。無須在列車上安裝絞車、工作面安裝及搬家倒面期間無需分開搬運設備列車，每個工作面材料成本及搬家費用支出將節省約50萬元。合計每個工作面可減少資金投入137 萬元。

4.2.4 創新及推廣效益

電牽引無軌膠輪設備列車實用性強、創新點高，所有井工煤礦特別是在礦區條件較好，自動化水平較高的綜采工作面應用價值極高，推廣前景廣闊。該裝置在綜采工作面推廣使用成功后，在連采工作面及其他使用后配套設備列車的井下工作地點都可推廣使用。

5 結論

綜上所述，在現有技術水平條件下，開發一種煤礦用無軌膠輪電牽引自移設備列車已具備實施條件，采用電牽引無軌膠輪設備列車可實現綜采工作面正常生產期間設備列車直線行走、工作面末采區間設備列車自由拐彎、無人遠程拉移設備列車等功能，可減少作業人員勞動強度，降低綜采工作面拉移設備列車作業風險，增強綜采拉移設備列車作業安全可靠性，提高綜采工作面智能化水平，符合國家建設綠色智能高產高效綜合機械化綜采工作面相關政策要求。