DQD20 型氣動單軌吊車在曉南礦N1-1502沿空留巷區段的應用

張朋 畢紅 許德軒

［1.鐵法煤業（集團）有限責任公司曉南礦；2.鐵嶺市應急事務服務中心；3.中國煤炭工業協會生產力促進中心］

一、引言

隨著煤炭資源的不斷開采，礦井的煤炭儲量越來越少。為提高回收效率，避免煤柱的留設，減少資源浪費，曉南礦在二水平N1-1502 工作面應用了“110 工法”、沿空留巷技術及架后擋板等技術。即“1 個回采工作面，1 條巷道，0 個煤柱”，切頂卸壓落下后自動形成一條巷道，在開采該工作面的過程中，保留了工作面的順槽，作為將來鄰近工作面N1-1506 的順槽，留巷后的巷道處于工作面運順三角點后方，設計留巷長度830m，傾角3°～7°，斷面為寬5600mm，高3000mm 的矩形巷道，采用錨桿、鋼筋梯、錨網聯合支護，錨桿間距850mm，排距900mm。該區段頂板為中砂巖，堅硬致密，堅固性較好，底板為泥質砂巖，遇水易膨脹底鼓，無法得到有效控制。

根據現場監測數據，將留巷區段劃分為三個區：超前支護區、架后臨時支護區（液壓支架后0～150m）和成巷穩定區（150m 之后），其中架后臨時支護區設計為150m，采用單體支柱配合π 鋼進行頂板支護，可伸縮的U 型鋼配合鋼筋網進行擋矸支護。隨著回采工作面的前移，最后端的最接近成巷穩定區的單體支柱、π 鋼、U 型鋼、雙卡拉板等支護材料要拆除，運至最前端，最接近超前支護區，進行安裝，如此往復、依次向前推進。

二、提出問題

留巷區段的材料、設備，若采用傳統的軌道運輸，不利因素主要有二點：1.空間受限。留巷段處于工作面采空區，前端有轉載機、替棚支架、變電列車等阻礙，空間十分有限，加之鐵道延展性較差，需加接軌道及搬運絞車，使用過程中存在一定的危險性，在運輸過程中需清凈運行區域其他作業人員，不利于平行作業；2.后期維護量大。因底板變化量大，鼓起嚴重，處理時投入人力多，工程量大。若采用人工搬運，由于運輸距離長而巷道高度低，人員需彎腰扛運，姿勢不佳，難度較高。這種情況會導致運輸效率低，且極易發生人身傷害，面對留巷區域自然條件所帶來的生產難題，需要一種新的運輸方式來解決。

三、分析問題

經過研究與分析，選擇氣動單軌吊車作為沿空留巷區段的運輸設備。它的優勢在于如下四點：一是車身窄小、狹長，運行靈活，能夠在單體支柱與π 鋼形成的狹長空間內運行；二是起重負荷大，可一次性吊起較大噸位的支護材料、施工機具等物料，不必因起重量小，而多頻次地往返運料；三是安全高效，維護方便，單軌吊車的行進速度適中，載重物料距底板較近，對操作人員和其他人員是較安全的，相比于電氣設備的嚴格防爆要求，氣動設備無需顧及該方面的問題，相比于人工扛運的頻次與勞動強度，鐵道運輸拉底維護的工程量，它的運輸效率是很高的；四是較好的適應巷道環境，氣動單軌吊車的導軌固定于頂板上，可隨巷道起伏彎曲的變化。

1.設備選型

根據沿空留巷區域的空間實際，起吊物體的重量，搬運效率等參數進行綜合分析：軌道采用I140E 型工字鋼軌道；設備的工作壓力介于0.4-0.6MPa 之間，井下的壓風能夠產生此區間的壓力；牽引力17.5—24kN，能夠滿足運輸的動力；最大運行速度0.4 m/s，滿足運輸作業中，對速度和效率的要求；最大爬坡能力20°，并且坡度越大，載重量越低，0°時可以載重 6 噸，4°時可以載重 3.5 噸，8°時可以載重 2.5 噸，12°時可以載重1.9 噸，20°時僅可以載重1.3 噸，對于順槽的實際最大坡度來說，可以載重3 噸左右，滿足單體、π 鋼等材料的運輸要求；控制方式點動操作，符合作業人員的操作習慣；整備質量kg 650，外形尺寸長、寬、高分別為5000×860×790 mm，滿足了留巷空間對設備的限制；單個行走馬達耗氣量為4500 L/min，單個起吊馬達耗氣量3400L/min，井下的壓風可以提供該耗氣量的消耗，使其正常工作。遂決定采用DQD20型氣動單軌吊車，用于1502 留巷段的運輸。

2.結構組成

DQD20 型氣動單軌吊車是利用懸空軌道，以氣動馬達經減速箱減速后帶動滾輪沿軌道立板摩擦驅動的設備。由主機裝置、起吊梁、拉桿、氣動控制系統、軌道、物料箱等主要部件組成。

其中細分各部結構如圖1 所示，1 為驅動部，2 為制動部，3 為吊重部，4 為氣動葫蘆，5 為連接桿。其中，主機裝置是由承載小車、制動裝置、驅動裝置、摩擦盤、消聲器、防護外殼等組成；驅動裝置由氣動馬達、減速箱、軸承座組成；制動裝置由制動塊、制動氣缸、壓力彈簧、制動臂等組成；起吊梁由行走小車、氣動葫蘆、拉桿等組成。每節軌道由140 工字鋼及拖鏈托板組成，用銷軸連接。減速箱的輸出端與驅動輪連接，行走輪與軌道立板貼合，靠摩擦來傳遞動力。整機用高度可調節的單軌吊裝置吊掛于巷道頂板的錨桿上。

圖1 氣動單軌吊組成圖

單軌吊的軌道每節長度為3m，共65 節，軌道全長195m，滿足了工作面架后臨時支護區150m 的使用要求。軌道由工字鋼、連接耳板、中心吊掛板、防錯位固定塊4 部分組成，都是由12mm 厚鋼板加工而成。兩端連接耳板將多節軌道首尾相連，耳板孔徑Φ22mm，用于配合M20 螺栓，在配合4 噸卸扣使用時也可用作起吊點。中心吊掛板孔徑Φ22mm，用于配合4 噸卸扣起吊軌道。底端防錯位固定塊首尾鑲嵌，卡緊后可保證在使用過程中，單軌吊不會因軌道接頭錯位卡死或掉道。

單軌吊的行走部分采用被彈簧夾緊在軌道上的驅動輪，驅動產生牽引力，采用二輪驅動。驅動輪轉動的同時，制動裝置圖2 所示，上的彈簧氣缸被壓縮，離開軌道面，可以行車。停止時，驅動輪和彈簧氣缸斷氣，彈簧缸動作抱緊軌道，機車制動。

圖2 制動裝置示意圖

起吊部分采用氣動葫蘆，氣動葫蘆提升裝置由葉片式氣動馬達和氣動釋放彈簧復位制動器組成。馬達的軸扭矩通過行星齒輪傳遞到鏈輪的起重中心，來實現重物的提升和下放，重物定位則是通過內置于氣馬達中的常閉式制動器實現。可以在壓縮空氣中斷供應的情況下穩住重物，保證了作業過程中的安全，提升是通過高強度起重鏈來實現重物的起吊。

驅動部，它是與制動裝置是同時動作的。制動裝置采用彈簧加氣缸的方式，實現失效制動。這種方式兼備工作制動和緊急制動，有效保證機車的運行安全。

氣動葫蘆是單軌吊的起吊動力裝置，由V6 葉片式氣動馬達、導輪、起重鏈、鏈輪、吊鉤、行星減速機構，安全離合器及氣動釋放彈簧復位制動器等組成，通過高強度起重鏈來實現提升。HQ10-（3～16）型氣動葫蘆的工作壓力0.5MPa，額定載荷10 噸，滿足留巷區域物料運輸的重量需求；提升速度可達到0.3m/min，滿足作業時對提升效率的需求；下放速度1m/min，滿足作業時對落下重物的安全需求，提升高度介于0 至16 米之間，符合留巷空間的高度限制。

四、解決問題

1.使單軌吊的安裝

首先是吊掛附件的安裝，單軌吊的吊掛主要有三類，曉南礦根據留巷區域實際，選擇了頂板——錨桿吊掛形式，吊掛附件主要由專用礦用開口式連接環、連接調節鐵鏈、卸扣等組成。通過吊掛調節裝置盡量將導軌調整為平直狀態。之后是導軌的安裝，導軌采用了弧形快接頭的連接方式。安裝時首先將上部連接單耳插入雙耳中，退緊后落下，再穿入錐銷，即可完成。

接下來是主機的安裝，作業人員將制動車和驅動部依次裝入軌道，再裝入承載小車。制動車裝入軌道前必須提前打開制動閘塊，通過氣壓的方式將制動彈簧氣缸壓縮，制動塊脫離軌道，再推入制動車。驅動部裝入過道前，要將驅動輪分離，推入軌道后，再用螺栓張緊。最后，使用連桿連接各個部件，連接各部件管路，全部完成后方可進行空載運行試驗。

2.單軌吊的調試

在調試之前，作業人員對各部進行了檢查，包括各操作手柄及擋位等處在停車位置；各小車車輪轉動靈活、小車相對導軌沒有出現跑偏；各導軌的接頭連接部位鏈接牢靠、沒有出現明顯的變形或錯位、各滑輪能夠輕松滑過接頭部位；氣管在來回折返時沒有出現交錯打扭等現象；氣動系統的各接頭連接牢靠、無破皮及硬性劃傷、各元件與軌道等無干涉。

接下來進行試運轉，調節各個部位車輪的位置，使所有車輪都能很好接觸導軌，盡可能讓小車左右受力相當，前后拉動小車在3m 范圍內沒有跑偏，可以投入使用。在出現跑偏情況時，作業人員調節了偏車輪，向哪邊偏就將那邊車輪向軌道端調節直至不再跑偏為止。車輪調好后，調節氣動總成內的油霧流量，雖然廠家在出廠時已經對油霧器做了調節，但如果在地面及運輸、安裝過程中可能被動了位置，通氣后將調節旋轉鈕用一字頭螺絲刀調整到每分鐘40 滴左右的通用量。同時油霧器內注入的潤滑油，注入的量在容器內MIN 與MAX 之間位置接近MAX 標識的位置。送氣后首先測試單軌吊的停車是否可靠、葫蘆各動作是否靈敏，并加載重物懸停3 分鐘左右，無異常后再卸載；然后，空載運行主機前后10 米左右，來回3 次無異常后加載來回動10m，無異常后在留巷區域投入使用。

3.出現的故障及解決方法

在氣動單軌吊車投入使用之后，亦發生了幾次故障，現象首先體現為驅動輪打滑，生產、技術人員憑借觀察、經驗進行分析：驅動輪摩擦力不夠時，需要擰緊碟簧預緊螺母，增加驅動輪的正壓力從而增大摩擦力；車輪是否有銹蝕、卡死或軌道上落入異物阻擋了車輪的前進時，如為銹蝕則需要更換車輪，卡死或異物阻擋則需要清理軌道；外部供給壓力過小造成無法解閘，檢查管路是否有堵塞或氣管有無破裂及嚴重折彎，調節外部氣源壓力大于0.5MPa。

當出現了更換閥不起作用時，首先排除了換向閥損壞，檢查氣管有折彎或堵塞，檢查折彎處處理平直或緩慢過渡。檢查氣管內、各氣動元件是否有異物阻擋則需清理軌道。

4.效果

作為曉南礦首個留巷工作面，北一1502 運順受地質條件及巷道支護限制，不適宜鐵道運輸，若采用人工搬運，會增加作業強度及降低工作效率，亦不利于安全生產，使用氣動單軌吊車進行留巷區段材料、設備等運輸工作后。在留巷施工過程中取得了積極效果，為留巷順利實施提供了保障，也為該設備的成功應用積累了成熟經驗。

頂板的穩定性和單軌吊與巷道頂板連接固定，決定了其安全運行及后期維護難度，北一1502 運輸的頂板巖性及支護強度滿足了單軌吊正常運載要求。由于其頂板穩定，對底鼓適應力較強，只要巷道高度不低于1.3m 就可以保證單軌吊車正常通過，在留巷期間，底鼓最多達到1.5m 左右，極個別地點對單軌吊底盤發生過刮卡，進行局部拉底處理，杜絕了鐵道運輸大范圍拉底施工。所以，它在不適合鐵道運輸及人工搬運發揮了積極作用，留巷施工過程中運輸優勢得以彰顯。

五、經濟效益淺析

1.設備成本

氣動單軌吊車在購進時，總成本242440 元。該氣動單軌吊將會在曉南礦長期服役，所以，把它的成本分攤成每年都發生的設備年資產消耗成本，第一年的資產消耗成本約為9000 元。為了保障其正常工作，車間備用了驅動摩擦輪，索引氣馬達，操作手柄，葉片，控制管線，管接頭等易損件，備件費用23480 元。設備共計32480 元。

2.施工成本

在地面車間安裝調試時，人工費用約2400 元。北一1502 留巷工作面施工準備費用27600 元，安裝調試費用13600 元，使用中的拆卸、再組裝費用約44200 元，作業期間的能源、維護消耗約為5400 元。

3.效益淺析

單軌吊在曉南礦投入使用后，提高了沿空留巷區域的運輸效率，節約了人工，每年為礦節約生產成本24.642 萬元。具體計算如下：

若采用傳統鐵道運輸方法時，則敷設鐵道的費用為62600 元，底板出現鼓出，處理的人工費用預計至少為162300 元，直至留巷區域施工結束，日常運輸單體等材料費用為147200 元。共約372100 元，即37.21 萬元。

年節約成本=37.21-12.568=24.642 萬元。為曉南礦帶來了巨大的經濟效益。

六、優點及不足

1.優點

單軌吊在留巷區段投入使用后，產生了很好的效果，得到了使用人員的好評，總結為如下四點：（1）改變了材料及設備由鐵道運輸的這一傳統模式。（2）采用了無級調速，在啟動時和停機時實現了加減速運行，對設備的固定方式進行改制。特別是針對留巷支護得到了順利實施。（3）氣動葫蘆的使用，使得運輸效率提高。相比于普通葫蘆，它的操控更加便捷，降低了人員的操作強度，提高了工作效率。（4）其制動系統和主機為兩部分組合形式，制動系統的可靠性進一步增加，拉桿連接處用使用了連接頭，這樣可以使角度在±5 度內可以調節。

2.存在的不足

經過幾個月的使用，亦反映出一些問題，主要總結如下四點：

（1）單軌吊的可靠運行是對巷道高度有要求的，當巷道高度低于1.3 米時，將出現運行困難的情況。（2）它的功率不高，運行速度較慢，當遇有上坡巷道時，運載能力將出現不足的情況，亦不適合過長距離的運輸。（3）驅動輪與軌道為橡膠摩擦形式，作為易損件，它要經常檢查、更換，當軌道連接出現錯位情況時，可能發生一次性損壞。（4）曉南礦采用了錨桿吊掛軌道，這種情況對頂板強度是有一定要求的，當頂板壓力顯現，錨桿錨固強度不足時，不適宜單軌吊的使用。

3.應對辦法

對此，總結的經驗及應對辦法為：（1）安裝時，軌道盡量平直，使用過程中做好維護工作，杜絕因操作不當而損壞設備的情況，平時做好日常維護。（2）曉南礦自制裝載筐的使用可以使運載量增加，亦更加平穩，筐的底部距離底板保證200 以上，防止托磨底板增加工作阻力，使設備超負荷運轉及對設備造成損壞。（3）單軌吊的軌道固定方式，要增加耳環密度，對于吊點有更多的選擇，防止出現吊掛鏈傾斜嚴重，影響強度及高度的情況。（4）巷道與軌道起伏盡可能通過吊掛鏈長度調節，使軌道坡度平緩，防止降低運載能力及給安全制動帶來影響。

七、結語

在礦山企業朝著以人為本、減員提效發展趨勢日漸明朗的今天，將先進的科技應用到井下采掘一線，廣泛使用機械氣壓一體化裝置，來解決生產過程中人力、物力高投入問題是我們的當務之急。氣動單軌吊車在曉南礦的成功使用，拓展了巷道運輸設備的選擇，可以對不同的井下環境采取更合理的運輸方式，特別針對頂板穩定，底板巖性松軟易底鼓的巷道及短距離轉場適應性較強，在N1-1502 運順留巷施工中得到了成功應用，降低了工人作業強度，為留巷成功發揮了積極作用，宜向各礦山企業推廣。