傾斜巷道煤礦單軌吊支架運輸技術實踐

馬向衛

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

煤礦井下液壓支架重量大、運輸難度高。主要運輸方式有無軌膠輪車運輸、絞車、柴油單軌吊的機車運輸等[1-2]。陜西某礦因巷道起伏較大、煤層較軟,輔助運輸無軌膠輪車的運輸方式未得到應用[3]。傳統方法仍采用環形繩索配合慢速絞車,電力機車牽引[4],但該方法工作面的安裝及拆除工期較長,傳統慢速絞車輸送方式需采用多個絞車中繼輸送設備,有可能造成脫軌事故,安全事故頻發[5]。為實現礦山輔助運輸的安全、高效,應積極穩妥地推廣煤礦輔助運輸新技術。單軌吊運輸具有可靠、安全和轉彎靈活的優點,其在煤礦輔助運輸系統有著廣泛的發展前景[6]。由于單軌吊系統采用交流電機驅動,可根據需要改變運行速度或變幅高度,并能通過控制電動機轉速來調節臂架升降幅度[7]。主要用來完成井下軌道運輸及地面裝卸工作。其可靠性較強,受到越來越多煤礦的青睞。隨著井下生產系統機械化程度的不斷提高,單軌起重運輸已成為礦井起吊運輸的重要組成部分[8-9],該技術有效地減少了人工搬運時間,降低了工人勞動強度,保證了安全生產[10-12]。在安全、可靠的前提下,相對于傳統的操作方法,操作人員數量及操作效率均提高50%以上。

1 安裝方式改進

1.1 單軌吊車在軌安裝

以陜西某礦為研究對象,改進了單軌吊車在軌安裝的方式。陜西某礦巷道頂板多為砂質泥巖,頂板碎裂、地壓大,傾斜巷道傾角較大。為了保證安全生產,采用雙梁式架線吊機作為主要起吊設備。這種起重機是一種新型的架梁設備,由一臺電動機驅動2根鋼絲繩牽引著2個車輪前進。在其第一次應用的時候,采用德國安裝材料及技術。由于該設備是一種特殊的起重工具,其工作環境十分惡劣。掛重型鋼軌用錨桿受地壓壓縮應力及頂板斷裂雙重影響,造成地點的改變。這種變化使得該類型的錨桿不能承受更大的壓力而發生破壞。經過大量試驗,最終選定了適合該礦條件的國產高強度錨桿,即鋼帶-聚乙烯醇纖維復合錨桿。單軌吊車的軌道用專用索具吊起。錨桿安裝后,用彈性緩沖裝置將錨頭與圍巖連接成一個整體。單軌吊車作業產生剛性剪切力,能極大改善錨桿受力,確保巷道變形過程中錨桿不受剪切。當頂板被壓碎、松脫或者空頂時,用2根錨索吊起開采11#工字鋼,并且將單軌懸掛軌吊入開采11#工字鋼中。當吊鏈過高和過大時,可通過調整鋼絲繩張力使其處于安全位置。同時,每隔30 m安裝一次防擺動鏈條。為了保證安全作業,還需對每根錨索和每個吊鏈帶張緊狀態下的受力情況做詳細記錄。當吊鏈大于0.6 m后加入吊鏈斜撐;采用錨索吊裝處,部分揭露錨索比較短小,索具需上移壓緊。另外,要根據不同情況來調整錨索長度,使其能夠滿足施工要求。同時在全部采用錨索吊裝連接部位要采用第二套索具防護,避免索具掉落。

1.2 軌道型號選取

首先應計算出軌道最大應力。由于軌道承受荷載較大,因此對其結構強度要求也很高。按照整體輸送液壓支架及拆除液壓支架時,裝置、材料及人在軌應力分析,液壓支架運輸過程中,起吊梁上軌道應力值最大。起吊梁(ZZ13000/27/60D型液壓支架45 t,起吊梁約8 t)處的總荷載為56 t。因此在設計過程中應該盡量選用更高的承載級別。SLG16.5起吊梁有16臺行走小車,軌道要求單點承載能力達到35 kN。采用SLG16.5重型起吊梁,對45 t重型液壓支架進行整體輸送,每臺行走小車作用在軌道上的力是35 kN。根據以上分析,該煤礦采用I140V 05/100-600型軌道,每節長度為2.6 m。

1.3 安裝與懸掛

針對安裝所處巷道頂板狀況,兼顧施工方便性及質量要求,決定用U型棚夾。軌道吊掛機具如圖1所示。每條軌道上設置2個懸掛裝置,錨桿間距為0.6～0.9 m,鏈條和中心線的優選角度是30°,如圖2所示。

圖1 軌道吊掛機具

圖2 懸掛裝置

在被壓碎、松脫或空的頂部,采用φ22.5 mm×6 300 mm錨索2根,并對1 m廢舊U型鋼進行切割,通過U型棚夾與鏈條相連掛。同時每30 m設置防擺動鏈1條。當掛載單軌吊軌道的鏈條大于0.6 m,運行于單軌吊軌道的單軌吊機車及重型液壓支架易出現縱、橫向振蕩現象。單軌吊的軌道通過錨鏈與巷道兩側固定連接,以防止吊機擺動。如圖3所示,增設斜鏈,以防止支架擺動。外露錨索長度較小時,索具需上移,壓緊。這樣做的目的是為了確保工字鋼被牢牢地固定在頂板上面。同時為了防止鎖具掉落,在錨索起吊連接地方,使用雙鎖具進行保護。

圖3 斜鏈示意

1.4 巷道斷面規定

開切眼至裝配室巷道高度4.9 m,單軌吊車軌道中心線到兩側寬度均為2 m(最小不小于1.5 m),如圖4所示。

圖4 巷道斷面

2 機車選型與起吊創新

單軌吊車運輸作為一種輔助運輸方式,在國內外煤礦運輸系統中較為先進,牽引力為60～280 kN,最大爬升角30°,最高運行速度為2.15 m/s。不過,運輸液壓支架重量從未超過40 t。為提高重量,就單軌吊機車選型、軌道懸掛方式、懸掛鏈的排列、懸掛地腳螺栓的安裝方法等進行研究。研究設計出適合45 t液壓支架使用的特殊起吊梁。實踐表明:單軌吊車運輸有良好的運輸環境、運輸效率高、需要工人少的優勢。尤其是在地質條件比較復雜的情況下,煤礦巷道彎曲較多。在大傾斜巷道的情況下,可實現重型設備的安裝、物料及人員連續輸送。能夠去掉傾斜巷道“一坡三擋”的安全設施,及常規絞車信號工、鉤工,杜絕傾斜巷道斷繩等危險,實現由井口或者礦區運輸場至工作面的連續運輸。

2.1 液壓支架整體運輸機車的選擇

牽引力的計算式為

F=g(W1+W2+W3+W4)(sinα+fcosα)

(1)

式中,F為支架需要的牽引力,kN;g為牽引轉換系數,9.8;W1為該裝置最大質量,45 t;W2為機車自重,-12.5 t,其余各節分別取其相應重量;W3為吊梁自重的8.0 t;W4為拉桿品質,0.5 t;α為運輸線路最大坡度,15‰;f為運行阻力系數,取0.03。經計算,F=196 kN。另外在起吊重量上可適當增大或減少。

重載/空載時機車性能曲線如圖5所示。從牽引力計算公式及重載/空載時車輛性能曲線中可看出,所選防爆柴油機可滿足大型支架、掘進機等大坡度交通需求。

圖5 重載/空載時機車性能曲線

2.2 吊梁和機車配置

機車的配置方案見表1。針對陜西某礦巷道高度需求,以及采用單軌吊整體運輸ZZ13000/27/60D支架(45 t)的現場實際情況,SLG16.5型起吊梁的效果最佳。

表1 機車的配置方案

通過使用柴油單軌吊機車和SLG16.5型重型起重梁,預防了窄軌運輸時巷道墜落,側翻、傾斜巷道上的斷繩、車輛打滑和其他重大運輸事故,達到由水平巷道向傾斜巷道過渡的目的。實現了多彎道、多岔道連續直送,杜絕繩索斷裂、車輛行駛及其他意外。避免了調度絞車、無接頭繩索絞車、低速絞車在多起轉運中因吊鉤拆卸發生損傷擠壓事故。安全可靠性倍增,實現綜采工作面設備的安全有效拆裝。

3 現場作業管理創新

起吊前先提升液壓支架頂梁至適當高度,在重型起吊梁后部十字中心處,用液壓單體支撐,以配合起吊梁的液壓馬達。接著使液壓支架尾端上升至適當高度,保證液壓支架總高距地面0.1 m左右。確認后對工作面開切眼的全部雜工進行清理。經過斜巷時,單軌吊車的運行速度不應大于0.6 m/s;經過平巷時,車速不得大于1.0 m/s,交叉口及彎道上車速不應超過0.2 m/s。在運送8 t以上重型材料的時候,需用機車專用重型起重梁。8 t以下的小部件,可用機車的輕型吊梁運輸。單軌吊重吊梁自中心線延伸出兩翼,最寬處達1.2 m。運輸途中,不允許存在影響設備運行線路的障礙。按最大裝置外形尺寸進行加工,提前調試加工模型支架。當局部巷道地方存在影響運輸的障礙時,需進行清理,驗收通過后,方可運輸。加強對單軌吊機車運行期間的檢修。以保證各零件完整性及可靠性,包括確保經常更換防凍液、清理冷卻室,確認制動缸、夾緊缸是否完好,要安排專人負責日常巡查和記錄工作。

4 單軌吊運輸效益

當陜西某礦綜采工作面液壓支架運輸方式是“軌道,絞車,鋼絲繩,平板車”時,綜采工作面的回采工期在2個月左右,而且用單軌吊車的運輸方法回采只需45 d左右。當運輸的速度超過2.2 m/s,單軌吊能夠自動閉鎖,規避了車輛滑動帶來的危險,提高了煤礦井下輔助運輸機械化,自動化程度,使得智能輔助運輸得以實現,不管是經濟效益、安全效益或社會效益,都有一個質的飛躍。起吊室、絞車的基礎施工、軌道巷道的恢復等工作量明顯減小。以往在拆工作面投產前,最少要有7支隊伍同時建設。在用單軌吊對工作面進行拆卸的過程中,由于工作面內的所有綜采設備都是通過運輸巷道運輸的,從而無需開挖軌道巷道底部,也無需在開切眼處搭建平臺。在用單軌吊疏散的情況下,生產準備時,隊伍僅需4支,優化了運輸系統,提高了工作效率。

5 結論

(1)為了滿足大型支架、掘進機等大坡度交通需求,所選防爆柴油機需大于液壓支架整體運輸機車所需牽引力;當吊鏈過高、過大時,可通過調整鋼絲繩張力使其處于安全位置;同時,每隔一段距離安裝一次防擺動鏈條。

(2)用單軌吊車的運輸方法回采時間縮短了15 d左右,當運輸的速度超過2.2 m/s,單軌吊能夠自動閉鎖,規避了車輛滑動帶來的危險,提高了煤礦井下輔助運輸自動化程度。

(3)起吊室、絞車的基礎施工,軌道巷道的恢復等工作量明顯減小,既優化了運輸系統,也提高了工作效率。