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      一種地下礦山斜井維護(hù)作業(yè)平臺的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

      2021-11-28 10:57:06黃家政
      河南科技 2021年27期
      關(guān)鍵詞:孔距三角函數(shù)斜井

      韋 黃家政

      摘 要:為降低地下礦山斜井井筒維護(hù)作業(yè)的作業(yè)難度,減少作業(yè)時(shí)危險(xiǎn)性,制作一種可調(diào)節(jié)角度斜井維護(hù)作業(yè)平臺。

      關(guān)鍵詞:斜井;平臺;孔距;三角函數(shù)

      中圖分類號:TV554;TD77 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ?文章編號:1003-5168(2021)27-0037-04

      Abstract: In order to reduce the difficulty and risk of inclined shaft maintenance in underground mine,this paper discussed and made an adjustable angle inclined shaft maintenance platform.

      Keywords: inclined shaft;platform;hole spacing;trigonometric function

      斜井提升是地下礦山的一種主要提升方式;斜井在使用的過程中,井筒會出現(xiàn)片幫、松石、冒頂、滴水等事件,影響斜井設(shè)備設(shè)施(管道、電纜、軌道、箕斗等)的運(yùn)行和使用,因此必須對井筒進(jìn)行經(jīng)常性的管道線路維護(hù)、松石處理、錨網(wǎng)支護(hù)、安裝擋雨棚等井筒維護(hù)作業(yè)。

      1 地下礦山傳統(tǒng)的斜井維護(hù)作業(yè)方式及其存在問題

      1.1 傳統(tǒng)的斜井井筒維護(hù)作業(yè)方式

      ①傳統(tǒng)的斜井井筒維護(hù)作業(yè)方式包括在斜井提升箕斗上鋪設(shè)木板或錨網(wǎng),作為作業(yè)平臺。

      ②用鋼管、木板搭建腳手架作為作業(yè)平臺。

      1.2 存在問題

      以上兩種作業(yè)方式對井筒的維護(hù)作業(yè)都存在作業(yè)難度和強(qiáng)度大、耗時(shí)長、耗材無法回收利用的問題,并存在平臺坍塌、人員滑倒、高處墮落等的安全隱患。

      案例一,2017年6月15日,A外包工程公司3名員工在3#盲斜井井筒進(jìn)行鉆機(jī)錨網(wǎng)支護(hù)作業(yè),他們在箕斗上鋪設(shè)錨網(wǎng)作為作業(yè)平臺;由于井筒頂板滴水,錨網(wǎng)面濕滑,其中一名員工腳底打滑,從平臺上落下,身體多處被錨網(wǎng)邊緣鋼筋刺傷,腳關(guān)節(jié)骨折,醫(yī)療費(fèi)直接損失15 000元。

      案例二,2018年9月27日,B外包工程公司5名員工在8#盲斜井安裝猴車架線電纜時(shí),1人從箕斗上跌落,肋骨骨折,醫(yī)療費(fèi)直接損失38 000元。

      2 解決方案

      針對以上存在的問題,作者發(fā)明了一種斜井可調(diào)節(jié)水平[1-2]維護(hù)作業(yè)平臺。該作業(yè)平臺以礦用平板車作為底座,在底座上安裝由撐桿支架和水平支架及固定橫梁構(gòu)成的可調(diào)節(jié)角度三角形機(jī)構(gòu)[3]作為斜井作業(yè)平臺,如圖1所示。作業(yè)時(shí),斜井卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩牽引平板車,信號工打信號指示平板車到達(dá)斜井作業(yè)地點(diǎn),作業(yè)人員在作業(yè)地點(diǎn)架設(shè)隨車運(yùn)送的平臺支架和錨網(wǎng)(或木板)形成作業(yè)平臺進(jìn)行斜井維護(hù)作業(yè)。作業(yè)結(jié)束后,平臺支架和錨網(wǎng)(木板)等物料隨平板車由卷揚(yáng)機(jī)牽引返回作業(yè)原始地馬頭門進(jìn)行回收,重復(fù)使用。

      該平臺經(jīng)過設(shè)計(jì)可根據(jù)作業(yè)環(huán)境需要,在人體平衡穩(wěn)定極限(Limit of Stability,LOS)前后擺動角度范圍內(nèi)[4](≤12.5°[4],本文設(shè)計(jì)和計(jì)算采用12°,下同)進(jìn)行上下調(diào)節(jié),使人員在斜井中間作業(yè)時(shí)人體重心保持平衡,防止發(fā)生人員滑倒、高處墮落等的安全事故發(fā)生,增加作業(yè)安全性。

      3 作業(yè)平臺設(shè)計(jì)及制作

      3.1 平臺設(shè)計(jì)

      3.1.1 設(shè)計(jì)目的。隨著公司提升任務(wù)增加,提升系統(tǒng)的日常維護(hù)工作量也隨著增加,作業(yè)人員發(fā)生安全事故的概率增加,經(jīng)統(tǒng)計(jì),從2016年1月到2019年12月,4年內(nèi)公司在斜井維護(hù)作業(yè)過程中發(fā)生了4起安全事故,年均1起;其中3起輕傷,1起重傷,主要原因都是由于搭建的臨時(shí)作業(yè)平臺傾斜角度大,人體失去平衡穩(wěn)定性,導(dǎo)致作業(yè)人員發(fā)生滑倒、墜落事故。因此,需要發(fā)明一種能使人體保持平衡的斜井維護(hù)作業(yè)平臺,確保斜井維護(hù)作業(yè)人員的人身安全,減少安全事故發(fā)生。

      3.1.2 設(shè)計(jì)要求。由于地下礦山斜井掘進(jìn)時(shí)對巷道的規(guī)格要求不太嚴(yán)格,在后期進(jìn)行井筒維護(hù)時(shí),需要根據(jù)斜井的頂?shù)装宓淖兓瘜ψ鳂I(yè)平臺進(jìn)行一定角度調(diào)節(jié),因此本文所述的作業(yè)平臺在斜井中間需可按人體平衡穩(wěn)定極限前后擺動角度范圍內(nèi)(≤12°)進(jìn)行上下調(diào)節(jié),以適應(yīng)巷道變化需要。

      3.1.3 設(shè)計(jì)過程。要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目的和要求,設(shè)計(jì)過程需要滿足以下三點(diǎn),如圖1所示。①平臺撐桿支架和水平支架有多種連接組合方式;②撐桿支架和水平支架組合通過螺孔用螺栓固定;③平臺調(diào)節(jié)的角度由連接螺孔孔距確定。

      3.1.3.1 平臺連接組合方式。平臺連接是設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)要素,連接的設(shè)計(jì)和選擇決定平臺的最終模式。如圖2所示,平臺撐桿支架和水平支架的連接組合方式,本文給出三種連接方式:①撐桿支架單孔和水平支架多孔連接,如圖2(a)所示;②撐桿支架多孔和水平支架單孔連接,如圖2(b)所示;③撐桿支架和水平支架多孔連接,如圖2(c)所示。

      三種連接方式的設(shè)計(jì)計(jì)算原理基本相同,可用三角函數(shù)正弦定理(Law of Sines)或余弦定理( Law of Cosine )計(jì)算出連接孔孔距。本文以圖2(a):撐桿支架單孔和水平支架多孔連接方式進(jìn)行計(jì)算并制作平臺。

      3.1.3.2 支架孔距和調(diào)節(jié)角度關(guān)系。根據(jù)人體平衡穩(wěn)定極限(Limit of Stability,LOS),前后方向的最大擺動角度約為12.5°,本文取12°,受斜井巷道頂板影響,平臺無須向上調(diào)節(jié),則向前擺動角度為6°;作者所在礦山使用的斜井傾角為30°,下面計(jì)算各連接孔孔距。

      如圖3,斜井傾角∠A=30°,平板車固定孔2和孔6之間距離為3 000 mm,撐桿支架孔1和孔2之間距離為1 500 mm。平臺傾角[5]向下調(diào)節(jié)角度為6°,調(diào)節(jié)2次,每次調(diào)節(jié)角度為3°,則平臺的水平支架和斜井夾角A分別為30°、27°、24°,以圖3(a)連接方式用三角函數(shù)正弦定理(The Law of Sines,a/sinA=b/sinB=c/sinC)分別計(jì)算孔3、4、5到孔6之間的距離S,如圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)所示。

      結(jié)果如表1所示。

      說明,表1中S3-6表示孔3到孔6之間距離,依此類推。

      3.1.3.3 平臺材料選擇和支架連接的受力分析

      ①平臺作業(yè)時(shí)的外在承重和本身自重總和m=3人×80(kg)+鉆機(jī)(50 kg)+平臺自重(150 kg)+其他工具(20 kg)≈500 kg,G=mg=4 900 N;平臺撐桿支架和水平支架采用L70×70×5角鋼,其最大承載力為117 700 N>4 900 N,完全可以滿足作業(yè)中的承重需要。

      ②平臺的受力點(diǎn)主要集中在各連接孔的螺栓上,平臺連接采用M20螺栓,下面以承重力F=mg=500×9.8=4 900 N計(jì)算螺栓所受最大剪切力。以調(diào)節(jié)角度為24°為例進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證,如圖3(c),其力學(xué)模型如圖4所示。

      a.受力計(jì)算

      如圖4,A點(diǎn)的承重力F分解為撐桿支架方向力F1和水平支架方向力F2,F(xiàn)=4 900 N,根據(jù)平行四邊形法則,計(jì)算得F1=5 991 N,F(xiàn)2=2 972 N;且F1是整個(gè)平臺各受力點(diǎn)最大的剪切力,因此,如果A點(diǎn)螺栓受的剪切力F1符合設(shè)計(jì)要求,則其他點(diǎn)也符合,下面驗(yàn)證F1。

      b.驗(yàn)證

      螺栓需用剪切應(yīng)力為60 MPa,M20螺栓應(yīng)力截面積為2.45 cm2,代入公式[6]

      Q=τ·A? ? ? ? (1)

      式中,Q為剪切力,N;τ為剪切應(yīng)力,MPa,0.1 MPa=1 kg/cm2;A為剪切面面積,cm2。

      計(jì)算得Q=14 406 N>F1=5 991 N,因此,平臺連接選用M20螺栓規(guī)格符合設(shè)計(jì)要求。

      3.2 平臺制作

      3.2.1 平板車加工。

      3.2.1.1 固定孔及收納托架布置。根據(jù)圖5分析如下。

      ①在平板車兩側(cè)主梁前后分別鉆孔徑22 mm的固定孔,孔距為3 000 mm。

      ②在平板車兩側(cè)主梁前后分別焊接平臺收納托架,使平臺支架收納時(shí)和平板車融為一體,方便隨時(shí)使用。

      3.2.1.2 支架部件。支架部件分別為:①撐桿支架;②水平支架;③固定橫梁。

      材料選擇和制作:

      ①材料:支架選用L70×70×5角鋼;連接螺栓,M20規(guī)格。

      ②制作:2根同樣規(guī)格的撐桿支架和水平支架,鉆Φ22 mm的螺孔;撐桿支架設(shè)置1固定孔和1連接孔,水平支架設(shè)置1固定孔和3調(diào)節(jié)孔。

      ③固定橫梁一根,兩個(gè)Φ22 mm螺孔固定水平支架。

      4 可調(diào)節(jié)平臺的應(yīng)用

      2020年9月17日凌晨3時(shí)左右,公司專用于提升人員和物料的6#盲斜井頂板局部發(fā)生冒頂事件,人車無法運(yùn)行,需要立即對頂板進(jìn)行錨網(wǎng)處理。經(jīng)從豎井地面(海拔標(biāo)高723 m)、4#盲斜井下放材料到6#盲斜井(海拔標(biāo)高-60 m),利用作業(yè)平臺進(jìn)行施工到完工,一共用時(shí)1.5 h左右,如果搭建臨時(shí)作業(yè)平臺作業(yè),耗時(shí)8 h左右,該作業(yè)平臺大大縮減了作業(yè)時(shí)間。

      公司井下各條斜井(8條)位置分散,且各條斜井的規(guī)格(巷道斷面、傾角、軌距等)不盡相同,為使作業(yè)平臺作業(yè)效率最大化,公司為每條斜井配備相應(yīng)的作業(yè)平臺。從2020年公司通過使用該平臺,減少了井筒維護(hù)作業(yè)時(shí)間和作業(yè)強(qiáng)度,降低人力、物力成本,增加作業(yè)人員安全系數(shù),效果良好。

      5 結(jié)語

      該平臺的設(shè)計(jì)和制作,是為了解決我們公司在斜井維護(hù)作業(yè)中遇到的實(shí)際問題:高強(qiáng)度作業(yè),大量的物料浪費(fèi),以及作業(yè)人員安全事故的頻繁發(fā)生。該作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)簡單,材料充足,制作容易,安裝方便,使用靈活,造價(jià)低;其設(shè)計(jì)理念和依據(jù),可應(yīng)用于其他行業(yè),有一定拓展性。

      參考文獻(xiàn):

      [1] 柯炯.高空作業(yè)平臺自主調(diào)平系統(tǒng)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2015.

      [2] 張先鋒,趙金虎,丁世英,等.自調(diào)平斜坡升降作業(yè)平臺的研制[J].建筑機(jī)械,2016(2):49-51.

      [3] 賀佳,李長春.用于隧道病害治理的高空作業(yè)平臺設(shè)計(jì)[J].機(jī)械,2017,44(11):38-43.

      [4] 游永豪,溫愛玲.人體平衡能力測評方法[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué),2014,29(11):1103.

      [5] 劉沖,龐靖,于光輝,等.自調(diào)平作業(yè)平臺設(shè)計(jì)[J].中國高新區(qū),2017:102-103.

      [6] 朱天龍.自移設(shè)備列車牽引裝置頂蓋改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2019,40(8):125.

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