于新鋒
(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430064)
無(wú)軌膠輪車作為礦井先進(jìn)的輔助運(yùn)輸方式,具有機(jī)動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)單、裝卸方便、運(yùn)輸速度快、運(yùn)輸工作量大、效率高等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)新建大型礦井中得到廣泛應(yīng)用[1,2]。近年來(lái),我國(guó)建設(shè)了一批采用緩坡副斜井進(jìn)行輔助運(yùn)輸?shù)牡V井,緩坡副斜井傾角一般在6°以內(nèi),井筒長(zhǎng)度可達(dá)到4000m及以上[3]。雖然無(wú)軌膠輪車為礦井輔助運(yùn)輸提供了有力保障,但受井下條件限制,為減少井筒斷面尺寸、降低井巷工程量和投資,緩坡副斜井一般采用單道雙向行駛,為有效解決車輛通行問(wèn)題,錯(cuò)車硐室的設(shè)置尤為重要。
目前國(guó)內(nèi)斜井井筒及井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范規(guī)定在無(wú)軌膠輪車運(yùn)輸?shù)男本?,?dāng)不滿足雙向車道運(yùn)行時(shí),應(yīng)設(shè)置會(huì)讓硐室[4,5],對(duì)于如何設(shè)置、硐室間距如何確定等并沒(méi)有相關(guān)規(guī)定,為緩坡副斜井設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。因而,緩坡副斜井錯(cuò)車硐室設(shè)置方式及間距研究工作對(duì)于井筒設(shè)計(jì)、提高井筒通行能力、確保運(yùn)輸安全具有重要意義。
雙馬煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0Mt/a,煤層為近水平煤層,采用斜井開(kāi)拓方式,布置主、副、回風(fēng)斜井。其中副斜井采用緩坡斜井,井口標(biāo)高+1373.5m,井筒落底標(biāo)高+1046m,落差327.5m,井筒傾角最大5.5°,井筒長(zhǎng)度4151m。井筒內(nèi)無(wú)軌膠輪車采用單道雙向行駛,井筒正常段斷面采用半圓拱形斷面,凈寬5.4m,凈高4.6m,凈斷面積21.6m2,如圖1所示。
圖1 緩坡副斜井正常段斷面圖(mm)
雙馬煤礦緩坡副斜井僅服務(wù)于礦井輔助運(yùn)輸,根據(jù)雙馬煤礦采、掘工作面輔助運(yùn)輸人員、設(shè)備、材料等情況,設(shè)計(jì)確定礦井最大班輔助運(yùn)輸總量為103車/班。
目前,煤礦井下錯(cuò)車硐室有盡頭式硐室和井筒加寬式布置2種方式[5]。硐室式巷道斷面小,利于支護(hù),但受擴(kuò)散通風(fēng)影響,硐室深度一般小于6m;而加寬式則不受擴(kuò)散通風(fēng)距離影響,布置長(zhǎng)度相對(duì)靈活,也利于車輛錯(cuò)車會(huì)讓,因此,雙馬煤礦緩坡副斜井井筒內(nèi)的錯(cuò)車硐室采用加寬式布置方式,如圖2所示。
圖2 加寬式錯(cuò)車硐室布置平面圖
錯(cuò)車硐室的寬度應(yīng)按雙向車道的寬度進(jìn)行考慮,根據(jù)《煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》,雙向車道運(yùn)行時(shí)巷道斷面寬度可按式(1)計(jì)算[4]:
B錯(cuò)=b1+b2+b3+b4+b5
(1)
式中,B錯(cuò)為錯(cuò)車硐室斷面寬度,m;b1、b2為雙向車道內(nèi)車輛寬度,取2.4m;b3為人行道寬度,取1.2m;b4為車輛與巷道側(cè)壁最小間距,取0.5m;b5為對(duì)向車輛間距離,取0.5m。
經(jīng)計(jì)算,錯(cuò)車硐室斷面寬度為7m;礦井無(wú)軌膠輪車一般車輛寬度小于2.4m,但井下支架搬運(yùn)車寬度卻為3.5m,考慮到其運(yùn)行頻率較低,在不考慮人行道寬度的情況下,對(duì)支架搬運(yùn)車與一般車輛錯(cuò)車會(huì)讓進(jìn)行驗(yàn)算即可,可采用式(2)驗(yàn)算:
B錯(cuò)=b1+b2+2b4+b5
(2)
經(jīng)驗(yàn)算,錯(cuò)車硐室斷面寬度為7.4m時(shí),才能滿足支架搬運(yùn)車與一般車輛錯(cuò)車要求,因此,錯(cuò)車硐室斷面寬度取7.4m,該礦井井筒正常段凈寬B為5.4m,因此錯(cuò)車硐室斷面加寬值B1為2.0m,錯(cuò)車硐室斷面如圖3所示。
圖3 加寬式錯(cuò)車硐室斷面圖(mm)
根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》,四級(jí)公路設(shè)置錯(cuò)車道的有效長(zhǎng)度應(yīng)不小于20m[6];而相關(guān)研究[7-9]認(rèn)為考慮到相會(huì)時(shí)車輛不停車錯(cuò)車,從第一輛車進(jìn)入錯(cuò)車道直線段到兩輛車完成錯(cuò)車需要2倍的車輛長(zhǎng)度,因此建議錯(cuò)車道直線段距離應(yīng)不小于2倍的車長(zhǎng)。《煤礦斜井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 20415—2017)規(guī)定無(wú)軌膠輪車會(huì)讓硐室長(zhǎng)度應(yīng)大于或等于車長(zhǎng)的2倍,此規(guī)范實(shí)施之前,煤炭行業(yè)相關(guān)規(guī)范對(duì)加寬式錯(cuò)車硐室長(zhǎng)度并無(wú)具體要求。
根據(jù)礦井規(guī)范要求及礦井實(shí)際情況,當(dāng)有無(wú)軌膠輪車進(jìn)入兩個(gè)錯(cuò)車硐室之間后,會(huì)有語(yǔ)音及燈光提示信號(hào),提示相向其他車輛停車等候錯(cuò)車。該礦井井筒設(shè)計(jì)時(shí),煤炭行業(yè)相關(guān)規(guī)范對(duì)加寬式錯(cuò)車硐室長(zhǎng)度并無(wú)具體要求,因此考慮到硐室工程量及支護(hù)原因,設(shè)計(jì)錯(cuò)車硐室直線段長(zhǎng)度按滿足車輛停車會(huì)讓要求即可。雙馬煤礦配置的無(wú)軌膠輪車長(zhǎng)度一般在6~7.5m之間,因此錯(cuò)車硐室直線段L1長(zhǎng)度取10m。
錯(cuò)車硐室漸變段采用直線漸變,為充分減少錯(cuò)車硐室工程量,漸變段與正常段夾角按45°考慮,漸變段長(zhǎng)度L2取2m。
錯(cuò)車硐室的間距與緩坡副斜井的通行能力有著直接的關(guān)系,在相同條件下,錯(cuò)車硐室間距越長(zhǎng),則錯(cuò)車時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加,井筒通行能力就會(huì)下降;錯(cuò)車硐室間距過(guò)小,雖提高了井筒通行能力,但會(huì)增加錯(cuò)車硐室工程量和建設(shè)投資。
要合理確定錯(cuò)車硐室間距,首先要確定無(wú)軌膠輪車在井筒內(nèi)的通行能力,緩坡副斜井井筒內(nèi)單向最大小時(shí)流量可按式(3)計(jì)算:
Qd=K1K2Q/T
(3)
式中,Qd為單向最大小時(shí)流量,輛/h;K1為無(wú)軌膠輪車臨時(shí)加開(kāi)系數(shù),取1.15;K2為車輛運(yùn)行不平衡系數(shù),取1.20;Q為井下最大班運(yùn)輸總量,取103車/班;T為凈輔助提升時(shí)間,每班取4.5h。
經(jīng)計(jì)算,井筒內(nèi)單向最大流量為32 輛/h。
在確定錯(cuò)車硐室間距時(shí),假設(shè)井筒內(nèi)無(wú)軌膠輪車服從均勻分布,兩個(gè)錯(cuò)車硐室之間車輛錯(cuò)讓場(chǎng)景模型為:無(wú)軌膠輪車A位于第一個(gè)錯(cuò)車硐室內(nèi)等待對(duì)向無(wú)軌膠輪車B駛過(guò)后加速駛出錯(cuò)車硐室,回到正常段平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間,遇到對(duì)向另一無(wú)軌膠輪車C,需要第2次錯(cuò)車,從而減速駛?cè)氲诙€(gè)錯(cuò)車硐室。兩個(gè)錯(cuò)車硐室之間的距離為設(shè)置錯(cuò)車硐室所需確定的最大間距。井筒內(nèi)錯(cuò)車模型如圖4所示。
圖4 井筒內(nèi)錯(cuò)車模型示意圖
由圖4可知,錯(cuò)車硐室間距為無(wú)軌膠輪車加速運(yùn)行距離、平穩(wěn)運(yùn)行距離、減速運(yùn)行距離之和,車輛加、減速運(yùn)行距離可按式(4)、式(5)計(jì)算[7,8]:
式中,L加為車輛加速運(yùn)行距離,m;L減為車輛減速運(yùn)行距離,m;V0為車輛運(yùn)行速度,取20km/h;a0為車輛平均行駛加速度,取2.5m/s2;V1為車輛減速后的速度,取10km/h;t0為駕駛員的感知反應(yīng)時(shí)間,取2.5s;t1為發(fā)動(dòng)機(jī)減速時(shí)間,取3.0s;a1為發(fā)動(dòng)機(jī)減速度,取1.8m/s2;a2為制動(dòng)器減速度,取2.5m/s2。
經(jīng)計(jì)算[9-11],無(wú)軌膠輪車輛加速運(yùn)行距離為6.2m;無(wú)軌膠輪車輛減速運(yùn)行距離為24.0m。
要想計(jì)算無(wú)軌膠輪車輛平穩(wěn)運(yùn)行距離,首先要確定其平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間,車輛平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間可通過(guò)單向兩輛無(wú)軌膠輪車經(jīng)過(guò)同一錯(cuò)車硐室的時(shí)間間隔減去加、減速時(shí)間得出,因此無(wú)軌膠輪車平穩(wěn)運(yùn)行距離可按式(6)計(jì)算[7,8]:
式中,L平為車輛平穩(wěn)運(yùn)行距離,m;t平為車輛平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間,s;t2為制動(dòng)器減速時(shí)間,s。
經(jīng)計(jì)算,車輛平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間為103.7s,車輛平穩(wěn)運(yùn)行距離為576.1m。錯(cuò)車硐室之間的最大間距(L加+L平+L減)=606.3m。
雙馬煤礦緩坡副斜井井筒長(zhǎng)度4151m,井筒內(nèi)共設(shè)置了6個(gè)加寬式錯(cuò)車硐室,錯(cuò)車硐室平均間距約593m,礦井于2015年12月預(yù)驗(yàn)收投入生產(chǎn),目前,礦井生產(chǎn)能力可達(dá)4.5Mt/a,經(jīng)統(tǒng)計(jì),礦井生產(chǎn)過(guò)程中,正常情況下每班下井車輛約為80車/班,下井車輛最多約為98車/班,從實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看,無(wú)軌膠輪車在井筒內(nèi)運(yùn)行順暢,未發(fā)生過(guò)對(duì)向車輛之間的刮蹭等運(yùn)輸安全事故,提高了井筒內(nèi)無(wú)軌膠輪車的通行能力,為礦井穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保障。
錯(cuò)車硐室的設(shè)置可以有效提高單道雙向行駛緩坡副斜井井筒的通行能力,防止運(yùn)輸安全事故的發(fā)生;通過(guò)理論分析計(jì)算,合理確定錯(cuò)車硐室的斷面寬度、長(zhǎng)度及設(shè)置間距,在降低井巷工程量及建設(shè)投資的同時(shí),有效發(fā)揮了錯(cuò)車硐室在緩坡副斜井井筒內(nèi)的錯(cuò)讓交會(huì)功能。雙馬煤礦緩坡副斜井錯(cuò)車硐室的成功應(yīng)用,也為其他類似條件下的緩坡副斜井井筒仍至井下輔助運(yùn)輸大巷內(nèi)錯(cuò)車硐室的設(shè)置提供了參考、應(yīng)用價(jià)值。