安全高效智能化礦井無軌運輸條件的優化與應用

鄭愛午

（晉能控股煤業集團有限公司，山西 大同 037100）

引言

隨著煤礦運輸設備不斷的升級改造，裝備已經達到較高的水平，但是在現實生產應用中由于運輸條件的設計把關不嚴格，設施設計不合理等原因，使得設備的性能沒有得到充分發揮，應有的作用未明顯表現出來，其中問題最為突出的設備是無軌膠輪車，在井下常常出現堵車、與墻面觸碰、轉彎困難、連續性差等現象。

基于上述現象，要想實現安全、高效、智能、連續的無軌運輸，必須對運輸條件進行合理的優化，才能充分發揮無軌膠輪車的性能[1-6]。

1 影響無軌運輸條件因素的分析

通過現場調研與因素的辨識，影響無軌運輸條件的主要因素有以下7 方面：

1）礦井開拓方式是無軌膠輪車運輸能否實現井上、下連續運輸的主要指標；

2）巷道斷面、硐室是無軌膠輪車運輸能否實現暢通運輸的主要指標，在礦井輔助運輸效率、安全方面占主導地位；

3）巷道坡度是無軌膠輪車運輸能否實現安全、高效的主要指標；

4）巷道變坡點與轉彎半徑是無軌膠輪車能否運輸的重點指標；

5）巷道路面是無軌膠輪車運輸能否順利通行的重點指標；

6）信息化系統是無軌膠輪車運輸能否實現智能化的主要指標，在礦井輔助運輸調度、智能運行方面占主要地位；

7）巷道標識是無軌膠輪車能否實現安全、規范運輸的主要指標，在指導無軌膠輪車司機駕駛方面占較高的地位。

2 安全、高效、智能運輸條件的設計

2.1 開拓方式及井筒規劃

礦井開拓一般會根據井筒的不同劃分為斜井開拓、平硐開拓和立井開拓3 種形式，無軌運輸的礦井優先選用斜井或平硐開拓方式，但是選用立井開拓時提升井筒應滿足所有車輛能夠順利上下井的尺寸要求（建議選用井筒直徑不小于9.6 m）。

2.2 巷道斷面、硐室

無軌運輸巷道優先按單車道單車運輸和雙車道雙車運輸設計，運行的安全間距（b、c、e）不得小于0.5 m，人行道的寬度a 不得小于1.0 m（見圖1、下頁圖2 所示），綜合上述要求：單向行駛的巷道凈寬不得小于礦井使用最大車輛寬度加1.5 m 之和，巷道的凈高不得小于車輛拉運設備后最高點高度加0.5 m之和；雙向行駛的巷道凈寬不得小于礦井使用兩個最常用車輛寬度加2.0 m 之和，巷道的凈高不得小于車輛拉運設備后最高點高度加0.5 m 之和。

圖1 單車道單向巷道

圖2 雙車道雙向巷道

無軌膠輪車運輸巷道內每隔300～500 m 設置1個錯車硐室（會讓硐室），錯車硐室的間距應根據礦井實際產量確定，產量越大的礦井間距應越小，硐室內宜配置加水點和加氣點；盡頭式的硐室斷面、深度應根據井筒或巷道寬度和運行車輛的外形尺寸確定，確保會讓硐室停車時，不得妨礙井筒或巷道正常通行車輛的通過，且兩車會車間距不小于0.5 m；巷道加寬布置時，加寬后的巷道總寬度應滿足車輛雙車道雙向行駛方式，硐室長度應根據實際需要確定，但至少不小于會讓車輛2 倍的長度。

無軌膠輪車運輸巷道內每隔300 m 設置一個人員躲避硐室，在300 m 間距附近有可以利用的硐室或巷道符合躲避硐尺寸時，可不另設躲避硐。

采用無軌和有軌的混合輔助運輸方式時，兩種運輸方式的交接處，設置換裝硐室，有快捷、方便的換裝手段，加裝翻輪機與起吊裝置，并且將礦車改裝成無軌膠輪車車廂結構，方便兩者互換裝卸；路面硬化時應采用軌道埋入的方式，使得軌面與混凝土路面齊平，對于道岔的岔尖和轉轍部分應設置護軌保護。

2.3 巷道變坡與交岔點

車輛通過凹凸型坡度時，路面所需倒角半徑與凹凸型變坡點的變坡角、車輛的軸距、離地間隙等有關，變坡參數如圖3、圖4 所示。

圖3 凸形變坡

圖4 凹形變坡

當巷道凸形變坡角θ≤2arctan（2n/D）時，路面不需要倒圓角，車輛即可通過。

當θ≥4arctan（2n/D）時，路面的倒圓角半徑必須滿足下列公式（1）要求，車輛才可通過。

當2arctan（2n/D）＜θ＜4arctan（2n/D）時，路面的倒圓角半徑必須滿足下列公式（2）要求，車輛才可通過。

當巷道凹形變坡角θ≤β 時，車輛可直接通過。當巷道凹形變坡角β＜θ＜2β 之間時，巷道路面的倒圓角半徑必須滿足下列公式（3）要求，車輛才可通過。

當巷道凹形變坡角θ≥2β 時，巷道路面倒圓角半徑必須滿足下列公式（4）要求，車輛才可通過。

式中：B 為巷道的寬度，m；θ（θ1、θ2）為變坡角，（°）；D為車輛軸距，m；n 為離地間隙，m；β 為車輛接近角β1與離去角β2的較小角，（°）；k 為調整系數，按照經驗取0.3。

車輛在轉彎時，車身內外側與巷道壁的安全間距不得小于0.5 m（如圖5 所示），不同巷道寬度、不同巷道夾角時，轉彎處的倒圓角要求不同，其計算公式為：

圖5 交岔點

式中：R 為巷道轉彎處設置倒圓角半徑，m；B 為車輛邊緣至巷道壁突出物最小距離，m；R1為車輛的最小外轉彎半徑，m；R2為車輛最小內轉彎半徑，m；R3為車輛尾部最突出部分的最小轉彎半徑，m；θ 為轉彎巷道的夾角，（°）；

綜合以上公式，轉彎處倒角足夠大（外轉彎半徑不得小于10 m，內轉彎半徑不得小于7 m），不妨礙車輛轉彎。

2.4 巷道路面和坡度

安全高效礦井要求無軌膠輪車運輸巷道坡度必須小于6°，當局部坡度超過10°，路面應做防滑處理；當連續坡度超過500 m 時，應設置15～20 m 水平緩沖段。

井底車場、主要的輔助運輸大巷、采區集中運輸巷線路路面宜采用強度為C30 的混凝土鋪設300 mm 厚，采區主要準備巷道宜采用C20 混凝土鋪設150～200 mm 厚。采用支架搬運車準備、搬家的工作面切眼轉彎處應采用鋼筋混凝土的硬化方式，強度不得低于C30，鋪設厚度不得小于300 mm。

巷道有底臌現象，在硬化路面時應將螺紋鋼筋硬化在混凝土中，若巷道局部底臌非常嚴重，可用石子或三七灰土做基礎夯實。

2.5 信息化系統

無軌膠輪車運輸系統信息化做到礦井全覆蓋，以精準定位為基礎，依托無線通訊、智能調度和地理信息系統的平臺，實現路徑智能規劃、無線調度通訊、車輛實時監控、運輸任務指令下達、違章行為自動抓拍、信號的自動開放和閉鎖等功能。主要設備在停電的情況下應有4 h 的續航能力，采用高速、寬帶的工業以太網、現場總線、無線通信網絡等，配置高可靠、抗干擾、快速的服務器，交換機、路由器等網絡傳輸設備。當運動速度達20 km/h 時，重點區域空間定位誤差不大于1 m，同時跟蹤目標不小于2 000個，要求抗干擾能力強、無誤碼、無漏檢、分辨率達到0.3 m。

無軌運輸監控系統能實現井下車輛位置和重量的自動感知，紅綠燈信號的自動控制，為井下各地點車輛提供正確的運行路線行駛或提前避讓，達到故障監測、自動報警和智能調度，實現移動機車的可視化調度。

2.6 標識系統

標識主要分為四類，分別是禁止標志，警告標志，指令標志，路標、名牌、提示標志。其中：禁止標志是指禁止或制止人們的某種行為的標志；警告標志是指警告人員注意可能發生危險的標志；指令標志指人員必須遵守某種規定的標志；路標、名牌、提示標志：告訴人們目標方向、地點的標志。各類標志應符合GB 2984—2008《安全標志及其使用導則》、GB 14161—2008《礦山安全標志》、GB 5768《道路交通標志和標線》、AQ 1017—2005《煤礦井下安全標識》規定。

在巷道轉彎處或駕駛員視線受阻區段，應設限速、鳴笛標志；人員躲避硐室、車輛停放處、車輛會讓（錯車）硐室、調頭硐室、檢修硐室、加油硐室、換裝硐室等附近上方或兩側應設置提示標志；在各巷道、硐室入口處的限高、限寬等標志；無軌膠輪車運輸巷道各岔口、錯車點、彎道、車場等處設有行車指示等安全標志和信號；有軌運輸與無軌運輸交叉處危險路段設置有限速和警示裝置；無軌膠輪車運輸巷道和路面應當設置行車標識和安全標識，能夠準確指示、警示和引導駕駛、乘車人員安全運輸。

3 工程實踐

由于上述運輸條件還未在同一個礦井完全實踐，因此按照運輸條件進行分類說明實踐效果。

1）塔山礦采用平硐的開拓方式，井上、下實現了連續運輸，運輸效率較高；無軌運輸巷道的坡度較小（平均坡度3°），實現建礦以來15 年輔助運輸“0”事故的安全運輸；無軌運輸巷道內嚴格按照300 m的要求設置了車輛會讓硐室，堵車現象極其少見，實現了車輛高效運輸；建立無軌膠輪車智能調度平臺，引進了UWB 精準定位系統，實現井下網約車模式，充分利用在用車輛，發揮出最大的作用。

2）馬脊梁礦采用立井開拓方式，井筒直徑9.6 m，罐籠尺寸（7.7 m×3.78 m×4.68 m），完全滿足綜采搬家準備期間的上、下井運輸，實現井上、下連續運輸，提高了運輸效率，并且杜絕了車輛在井下加油、檢修現象，充分保障井下用車安全。

3）三元中能礦采用副斜井與立井開拓方式，副斜井采用有軌運輸，井下采用無軌運輸，井底車場設置了翻輪機，混凝土的材料可以直接轉載到無軌膠輪車上，轉載效率提高了1 倍；但是該礦立井井筒直徑8.2 m，罐籠尺寸（6.3 m×4.5 m×3.8 m），不能滿足綜采搬家準備期間的上、下井運輸，無法實現連續化運輸。

4）盛泰礦采用副斜井開拓方式，輔助運輸方式為有軌與無軌混合運輸，井底車場設置起吊裝置，并且將礦車與無軌膠輪車車廂改造成統一形狀，可以實現直接換裝，極大提高了換裝的效率。

5）大通礦采用副平硐開拓方式，井下約有10 處轉彎，在第6 個轉彎處，轉彎角度成銳角，且轉彎半徑較小，原倒圓角半徑2 m，轉彎時一次性過不去，最后計算將轉彎半徑擴到7 m，目前所有的車輛均能一次性順利通行。

6）孫家溝礦采用副斜井開拓方式，井下輔助運輸巷道坡度變化起伏較大，但是變坡點倒圓角半徑都在10 m 及以上，車輛不存在觸碰底盤的現象。

7）馬道頭礦采用副斜井開拓方式，副斜井全長3 200 m，坡度5.5°，平坡段4 處，平均每800 m 一個，錯車硐室14 個，且錯車硐室均安裝了靜壓水管，實現無軌運輸高效運行。