姚志功

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

煤礦輔助運(yùn)輸泛指煤礦生產(chǎn)中除煤炭運(yùn)輸之外的各種運(yùn)輸?shù)目偤?，主要包括材料、設(shè)備、人員和矸石等的運(yùn)輸，它是整個(gè)煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分。目前，煤礦輔助運(yùn)輸方式主要包括軌道運(yùn)輸、無軌運(yùn)輸、架空運(yùn)輸?shù)?。輔助運(yùn)輸方式的選擇與煤礦具體的地質(zhì)條件以及井巷開拓方式密切相關(guān)。近年來，隨著煤礦開采力度加大，井下工作面距離井口的距離越來越遠(yuǎn)，巷道不斷延伸，煤礦輔助運(yùn)輸線路越來越復(fù)雜，煤礦輔助運(yùn)輸方式也隨之發(fā)生變化。在新井設(shè)計(jì)和老井改擴(kuò)建時(shí)，要充分考慮各類輔助運(yùn)輸設(shè)備的性能特點(diǎn)和適用條件，使其與采掘機(jī)械化相協(xié)調(diào)并適用于礦井的開拓布置系統(tǒng)，促進(jìn)高效、安全、綠色型現(xiàn)代化礦井的發(fā)展。

1 軌道運(yùn)輸方式現(xiàn)狀

軌道運(yùn)輸是我國大多數(shù)煤礦井下采用的主要輔助運(yùn)輸方式，一般在大巷及盤區(qū)平巷采用防爆特殊型蓄電池機(jī)車或防爆柴油機(jī)車牽引軌道礦車或平板車實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸，在盤區(qū)斜巷則通過配套提升絞車或調(diào)度絞車來完成運(yùn)輸任務(wù)。隨著開采力度的加大，一個(gè)礦井同一水平近距離煤層逐步開采，大傾角工作面不斷建立，井下長距離大坡度斜巷數(shù)量也隨之增加。

對于軌道運(yùn)輸煤礦長距離大坡度斜巷，往往需要設(shè)置多部調(diào)度絞車，接力牽引串車，才能完成運(yùn)輸任務(wù)[1]，若調(diào)度絞車數(shù)量不足時(shí)，單臺絞車滾筒上纏繞的鋼絲繩層數(shù)務(wù)必增加，超過5層后，則極易產(chǎn)生爬繩、咬繩現(xiàn)象，同時(shí)，絞車鋼絲繩長度增加后，繩子與地面、軌道甚至巷道幫發(fā)生摩擦的次數(shù)也增加，加之使用不合理，如超載、沖擊載荷、拉掉道、卡繩等原因[2]，較易發(fā)生斷繩、跑車等事故，給斜巷提升工作帶來不安全因素。

針對長距離、大坡度、多變坡、大噸位工況條件下的軌道運(yùn)輸，部分煤礦采用柴油機(jī)車+無極繩連續(xù)牽引車運(yùn)輸系統(tǒng)[3]，和傳統(tǒng)調(diào)度絞車運(yùn)輸模式相比，大大減少了操作工序和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，從而減少絞車司機(jī)、信號工、把鉤工、機(jī)電維修工等人員投入，有效避免了安全隱患。但無極繩連續(xù)牽引車只能在某一巷道實(shí)現(xiàn)往返運(yùn)輸，不能同時(shí)服務(wù)多個(gè)巷道，機(jī)動(dòng)靈活性較差，對于目前煤礦井下錯(cuò)綜復(fù)雜的輔助運(yùn)輸線路，這種輔助運(yùn)輸方式的運(yùn)輸效率不高?；谶@種現(xiàn)狀，亟需研究一種新型復(fù)合式輔助運(yùn)輸方式。

2 有軌無軌復(fù)合式輔助運(yùn)輸

無軌輔助運(yùn)輸是基于防爆無軌膠輪車的一種新型輔助運(yùn)輸方式，這種運(yùn)輸方式具備點(diǎn)對點(diǎn)的工作特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)裝載后無中間轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)，將物料從井口運(yùn)至工作面或從工作面運(yùn)至井口，簡化了煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，由于其機(jī)動(dòng)靈活、操作簡單、安全性好，可廣泛應(yīng)用于目前沿煤層開采的長距離大坡度多分支巷道輔助運(yùn)輸系統(tǒng)[4]。

有軌礦車與無軌膠輪車相結(jié)合，如圖1所示，通過1臺無軌膠輪車牽引若干臺軌道礦車，完全可以替代目前軌道運(yùn)輸防爆柴油機(jī)車+軌道礦車+斜巷調(diào)度絞車的運(yùn)輸方式，克服了防爆柴油機(jī)車動(dòng)力不足、爬坡困難等缺陷，解決了大長坡條件下調(diào)度絞車易斷繩、跑車等系列問題，有效避免了煤礦輔助運(yùn)輸?shù)陌踩[患，提高了運(yùn)輸效率。

圖1 有軌無軌復(fù)合式輔助運(yùn)輸方式

3 有軌無軌并存關(guān)鍵因素

3.1 無軌膠輪車驅(qū)動(dòng)制動(dòng)特性

無軌膠輪車牽引軌道礦車，屬于無軌與有軌并存運(yùn)行輔助運(yùn)輸范疇，無軌膠輪車牽引若干礦車爬坡運(yùn)行時(shí)，膠輪車需提供足夠的驅(qū)動(dòng)力。區(qū)別于膠輪式拖車，軌道礦車對地附著能力較小(鋼對鋼)，整個(gè)列車的坡道驅(qū)動(dòng)、坡道制動(dòng)所需的附著力均需通過膠輪車提供，這就對膠輪車的整車重量及車輛重心的合理性提出了要求。膠輪車整車重量的計(jì)算公式為：

F≤G×cosα×φ

(1)

式中：F為車輛最大驅(qū)動(dòng)力；G為車輛自身重力；α為車輛最大爬坡能力；φ為車輛對地附著系數(shù)，取0.6。

按車輛最大爬坡能力為12°、車輛最大驅(qū)動(dòng)力為50 kN計(jì)算，則車輛自重G≥8.5 t。具體設(shè)計(jì)時(shí)，車輛前后結(jié)構(gòu)需對稱設(shè)計(jì)，車輛各系統(tǒng)需合理布置，并在車體前后驅(qū)動(dòng)橋位置設(shè)計(jì)足夠配重，滿足整車自重要求的前提下，盡量提高車身重量的對稱分布特性，以滿足井下盲巷、窄巷條件下車輛的雙向牽引特性。

無軌膠輪車牽引軌道串車坡道制動(dòng)時(shí)，膠輪車需具有足夠的制動(dòng)力[5]。由于對地附著能力較小，軌道礦車在坡道駐車制動(dòng)時(shí)只能產(chǎn)生微小的下滑摩擦阻力，其駐車制動(dòng)力需全部由無軌膠輪車提供，為此，膠輪車應(yīng)配備制動(dòng)力矩足夠大的制動(dòng)裝置，以及設(shè)計(jì)足夠大的車輛自重，保證膠輪車牽引軌道礦車爬坡時(shí)能夠發(fā)揮所需的坡道制動(dòng)力。

3.2 軌道礦車脫軌特性

不同于軌道牽引機(jī)車，無軌膠輪車牽引礦車在井下沿軌道行駛時(shí)，行駛軌跡時(shí)刻發(fā)生變化，軌道礦車時(shí)刻承受側(cè)向力，尤其是牽引串車轉(zhuǎn)彎時(shí)，軌道礦車將承受較大側(cè)向力，當(dāng)無軌膠輪車行駛軌跡偏離程度較大時(shí)導(dǎo)致礦車發(fā)生脫軌。如圖2所示，單節(jié)滿載礦車總重約3 t，牽引串車轉(zhuǎn)彎時(shí)，無軌膠輪車尾部將發(fā)生側(cè)向位移，此時(shí)礦車連接銷軸處受到側(cè)向力F1，當(dāng)側(cè)向力F1足夠大，大于礦車脫軌力F時(shí)，軌道礦車將脫離軌道。

圖2 軌道礦車脫軌受力分析

F=0.5×G×f

(2)

其中：f為鋼對鋼滑動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.2。

由上式得出滿載礦車最小脫軌力F=3 kN。如果車輛運(yùn)行過程中，側(cè)向力F1>3 kN，則礦車將容易脫離軌道凹槽，發(fā)生脫軌事故。對于能夠提供50 kN驅(qū)動(dòng)力的牽引車來說，轉(zhuǎn)彎過程中很容易對礦車連接銷軸產(chǎn)生大于3 kN的側(cè)向力。因此無軌與有軌設(shè)備并存運(yùn)行時(shí)，礦車極易發(fā)生脫軌事故。

4 有軌無軌并存運(yùn)行防脫軌方法

為解決礦車脫軌問題，無軌膠輪車與礦車之間需增加專用礦車牽引機(jī)構(gòu)，如圖3所示。牽引機(jī)構(gòu)由牽引機(jī)構(gòu)凹槽和偏移補(bǔ)償小車組成。牽引機(jī)構(gòu)通過鏈環(huán)連接礦車后，無軌膠輪車與軌道礦車之間具備橫向交錯(cuò)擺動(dòng)自由，當(dāng)牽引串車轉(zhuǎn)彎，無軌膠輪車尾部擺幅嚴(yán)重時(shí)，偏移補(bǔ)償小車將在牽引機(jī)構(gòu)凹槽內(nèi)滑動(dòng)，對無軌膠輪車行駛軌跡偏離量進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而避免礦車承受較大的側(cè)向力，保證了軌道礦車的正常運(yùn)行。

圖3 專用礦車牽引機(jī)構(gòu)

礦車牽引機(jī)構(gòu)應(yīng)具備足夠的橫向補(bǔ)償距離，參照某礦有軌無軌并存運(yùn)行案例，如圖4所示，其井下巷道寬度為5 m，除去巷道左右兩側(cè)水管、氣管、風(fēng)筒、電纜及水槽的設(shè)施，車輛運(yùn)行寬度為4 m，除主大巷外，其余巷道軌道鋪設(shè)位置基本位于巷道中心，串車直線行駛時(shí)，無軌膠輪車的最大偏移距離為1.48 m，而牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)偏移補(bǔ)償距離為1.58 m，牽引機(jī)構(gòu)可以對牽引串車的直線行駛偏移進(jìn)行補(bǔ)償，車輛在直線行駛時(shí)不會(huì)脫軌。

圖4 牽引串車直線行駛偏移補(bǔ)償示意圖

如圖5所示，牽引串車在彎道行駛時(shí)，無軌膠輪車的最大偏移距離為1.54 m，而車牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)偏移補(bǔ)償距離為1.58 m，牽引機(jī)構(gòu)可以對牽引串車的彎道行駛偏移進(jìn)行補(bǔ)償，車輛在彎道行駛時(shí)不會(huì)脫軌。

圖5 牽引串車彎道行駛偏移補(bǔ)償示意圖

5 結(jié)論

本文通過分析目前長距離大坡度條件下煤礦巷道軌道運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀，總結(jié)了單一軌道運(yùn)輸方式存在的問題，基于無軌輔助運(yùn)輸方式的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種有軌無軌復(fù)合式輔助運(yùn)輸方式，闡述了有軌無軌并存運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵因素，詳細(xì)分析了無軌膠輪車的驅(qū)動(dòng)制動(dòng)特性及軌道礦車的脫軌特性，提出了有軌無軌并存運(yùn)行防脫軌方法，并結(jié)合實(shí)際案例，驗(yàn)證了其可靠性。