立井煤矿单轨吊辅助运输系统设计

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  摘要:近年来我国井工煤矿已逐渐大量使用单轨吊等先进辅助运输设备,在全国各地矿井均有成功使用的案例。但立井煤矿大多在采区范围内使用,无法发挥单轨吊设备连续化运输的优势。本文主要针对采用立井开拓、集中布置运输大巷的煤矿使用单轨吊设备的方式、方法及设备选型进行设计,并提出多种辅助运输方案进行比选。
  关键词:辅助运输;单轨吊;换装站;直达运输;立井;
  0 引言
  随着当今矿山机械设备的快速发展和矿井安全要求,以及自动化程度的提高,煤矿辅助运输系统要求达到安全、高效、连续化的目标。单轨吊运输系统可实现地面到井下的直达运输,但一般在斜井中运用较好。国内立井开拓的矿井大部分只在采区范围内使用单轨吊设备,大巷运输仍采用传统的地轨列车运输,并需在采区附近进行一次换装后,由单轨吊运至工作地点。无法发挥单轨吊运输系统连续化运输的优势,矿井地轨与吊轨运输系统共存,即不便于管理,又增加了运营成本。本文推荐立井底进行换装后,整个矿井全部采用单轨吊运输系统实现设备运输。文章以某矿井新水平的辅助运输系统设计方案为例,简要的说明了单轨吊系统在立井矿井中的应用。
  1 礦井概况
  某矿二水平采用副立井(装备矸石箕斗及罐笼)、暗主斜井的延深开拓方式,由于新增设副立井使二水平井下辅助运输系统相对独立于矿井一水平,为整个矿井辅助运输的多样化及新水平采用高效运输方式创造了条件。
  自井底车场分别向两翼布置四条主要水平大巷,即主运输胶带输送机大巷、辅助运输大巷、回风大巷和矸石胶带输送机大巷。
  2 辅助运输系统方案
  2.1 矸石运输系统
  本矿井岩石巷道掘进以综掘为主,掘进出矸从掘进头掘进机经转载机及掘进头后配套的矸石胶带输送机直接与水平大巷矸石胶带输送机搭接,由大巷矸石胶带输送机输送到井底矸石仓,由副井矸石箕斗提升到地面处理。
  2.2材料、设备运输系统方案
  参考国内矿井情况,设备和材料辅助运输系统可提出以下4个方案:
  ①水平大巷采用蓄电池电机车,上山及斜巷采用绞车,顺槽采用无极绳连续牵引车。
  ②大巷和采区内均采用单轨吊运输方式
  ③水平大巷保留蓄电池电机车运输,进入采区采用单轨吊的运输方式
  ④采用卡轨车运输方式
  从以上方案可知,卡轨车运行速度慢,对底板要求高等因素表现出较明显的缺点。方案②和方案③相同点在于采区内均采用单轨吊运输,不同点是:方案②大巷与采区均采用单轨吊,实现连续运输;方案③大巷采用蓄电池机车牵引矿车运输。方案②的主要优点是:可实现从井底到工作面的材料、设备和人员的连续运输,无需中间转载,效率相对较高;仅在井底设集中换装站,换装工程量较小;缺点:单轨吊在大巷内运行速度相对较慢。方案③优点为:大巷水平布置时,适应蓄电池机车运输,机车运行速度较快,能力较大;井底车场调车便利。方案③的主要缺点是:不能实现井下连续运输,各采区均需设换装站。
  比较可见,方案②总投资低,且能实现连续运输,环节少、效率高。因此认为,方案②相对优于方案③。方案二②与方案①相比,主要优点为:运输系统单一化,环节少,设备数量少,用人少、效率高,安全性较好,可实现连续运输。缺点为:初期投资较大,主要增加的设备投资较高。综合比较后,推荐方案②。
  2.3人员运输
  大巷和采区内部均采用单轨吊连续运输方式,人员运输有以下方式可供选:
  方式一:在矸石胶带输送机大巷内,布置架空乘人装置运送人员。目前架空乘人装置有低速和高速两种类型,由于后期运输人员较多、距离较长,根据比选采用低速(1.2m/s)架空乘人装置比较适宜。
  方式二:采用单轨吊运送人员。单轨吊运输人员具有一次运输人员多、可实现连续运输的优点。缺点是运行速度较慢,且由于单轨吊机车本身重量大、运行阻力较大,能耗和运输成本较高。
  以上可见,大巷内人员运输宜采用架空乘人装置,采区内宜采用单轨吊的运输方式。
  综上所述,矸石采用胶带输送机运输,其它材料采用单轨吊运输,人员运输以架空乘人装置运送为主。
  3 井底车场及硐室
  3.1井底车场布置
  井底车场采用卧式环形车场,选用柴油机机车顶推调车,实现地轨车辆在车场及换装站之间的进出。于井底车场出车侧布置单轨吊换装站。换装站巷道采用双线布置,分别布置双地轨和双吊轨,在换装线位置地轨中线与天轨中线重合。
  3.2主要辅助运输系统硐室
  井底车场内设置的辅助运输系统硐室主要有:单轨吊机车加油、检修硐室及柴油机地轨机车维修间,列车存放库等。
  4 大巷布置
  由于采用了单轨吊设备作为大巷运输方式,该大巷可根据煤层开采需要布置成带有一定倾角的倾斜巷道,或起伏巷道。为满足单轨吊运送大型设备,轨道大巷最大倾角按8°考虑。
  5 主要巷道断面布置
  5.1断面形式
  综合考虑井下围岩条件及服务年限等条件,主要巷道多采用半圆拱型断面,轨道大巷受单轨吊运输设备影响,为提高断面利用率,缩小掘进面积等因素,采用三心拱断面形式。回采巷道采用矩形或梯形断面。
  5.2断面尺寸
  根据《煤矿井下辅助运输设计规范》、《煤矿巷道断面和交岔点设计规范》及单轨吊运输设备尺寸,确定巷道断面尺寸。
  (1)巷道断面宽度
  ①单行巷道:B≥b1+b2+b3+0.15+0.4=0.7+1.75+1+0.15+0.4=4.0m
  考虑到通风掘进等因素,取5.2m。
  ②双行巷道:
  B≥b1+2b2+b3+b4+0.3+0.4=0.7+1.75+1+1.48+0.8+0.3+0.4=6.43m,取6.5m。   式中参数详见《煤矿井下辅助运输设计规范》13.3.1;0.15、0.3为附加的单轨吊车侧向的摆动幅度;0.4为管线及敷设装置宽度。
  (2)巷道断面高度
  运送液压支架时,H=h1+h2+h3+0.2=0.655+3.2+0.3+0.2=4.355m
  式中参数详见《煤矿井下辅助运输设计规范》13.3.1
  6 单轨吊及配套设备
  6.1运输容器与起吊梁选型
  选用单轨吊专用自卸式集装箱(材料箱)运送物料,部分设备材料采用整体起吊打运。每个集装箱、每辆人车配用一根GHB60-3400轻型起吊梁与机车相联,自重750kg,最大载重6t。较大设备配用SLG-4.4中型起吊梁,能够满足起吊运输16t有效载荷。整体运输液压支架配用重型起吊梁。
  6.2机车选型
  6.2.1机车类型选择
  单轨吊主要有防爆特殊型蓄电池与防爆柴油机两种不同驱动模式。本矿井倾斜巷道及联络巷道较多,运输距离较长,且后期运送的液压支架等大型设备较重。因此,推荐井下采用防爆柴油机单轨吊机车。
  主要掘进巷道内配合使用压缩空气传动的单轨吊机车和自动化掘进作业线来满足掘进面的作业要求。
  6.2.2机车型号选型
  ①牵引力
  F =(P+Q)(ωgcosθ +g sinθ+γa)
  式中: P—吊车整备質量(含吊梁);
  Q—有效载荷质量;
  ω—运行阻力系数,取0.06;
  θ—单轨坡度(巷道倾角);
  γ—惯性系数;
  a—运行加速度。
  经计算,见表6-2-1和表6-2-2。
  表6-2-1 单轨吊机车运载物料工况参数表
  巷道坡度
  项 目 坡度0° 坡度5° 坡度8° 坡度12° 坡度15° 坡度19°
  吊车整备质量 DZ1500 3+2机车10160kg DZ2200 3+2机车12160kg
  有效吊运载荷 四箱物料 两箱物料
  货物总质量 17280kg 8640kg
  DZ1500 需牵引力 19.4kN 42.8kN 56.7kN 75.0kN 88.5kN 66.6kN
  运行速度 1.6m/s 1.0m/s 0.7m/s 0.51m/s 0.4m/s 0.55m/s
  DZ2200 需牵引力 20.8kN 45.9kN 60.8kN 80.5kN 94.9kN 76.2kN
  运行速度 2.0m/s 1.27m/s 1.03m/s 0.72m/s 0.7m/s 0.75m/s
  表6-2-2 单轨吊机车运载人员工况参数表
  巷道坡度
  项 目 坡度0° 坡度5° 坡度8° 坡度12° 坡度15° 坡度19°
  吊车整备质量 DZ1500 3+2机车10160kg DZ2200 3+2机车12160kg
  有效吊运载荷 三辆满载人车 一辆人车
  货物总质量 11400kg 3800kg
  DZ1500 需牵引力 15.3kN 33.6kN 44.5kN 58.9kN 69.5kN 47.9kN
  运行速度 1.6m/s 1.0m/s 0.83m/s 0.68m/s 0.6m/s 1.2m/s
  DZ2200 需牵引力 16.7kN 36.8kN 448.7kN 64.4kN 76.0kN 57.5kN
  运行速度 2.5m/s 1.76m/s 1.27m/s 1.03m/s 1.0m/s 1.5m/s
  ②单轨吊型号的确定
  DZ1500 3+2防爆柴油机(牵引力100KN)基本能满足坡度15°以下运送货物和人员的要求。DZ2200 3+2型单轨吊(牵引力100KN)虽然运行速度较快,但由于自重大,能耗较高,投资也较大。在最大倾角15°时,DZ1500 3+2型牵引力富裕系数约12%,而DZ2200 3+2型牵引力富裕系数仅约5%。考虑到初期巷道最大倾角为8°,绝大部分巷道倾角均在5°以下,DZ1500 3+2运行速度一般能达1m/s以上。因此,推荐选用配备DZ1500 3+2防爆柴油机单轨吊机车。
  ③后期运输液压支架时,单轨吊机车选型
  按整体运输液压支架要求,对DZ2200(132kW)单轨吊车和DZ1800(84kW)单轨吊车进行计算比较。计算结果见表6-2-3。
  表6-2-3 单轨吊机车运载32t支架工况参数表
  巷道坡度
  项 目 坡度0° 坡度5° 坡度8° 坡度12°
  吊车整备质量 DZ1800 4+4机车15700kg DZ2200 4+4机车16700kg
  有效吊运载荷 一部32t液压支架
  货物总质量 32000kg
  DZ1800 所需牵引力 33.8kN 74.4kN 98.6kN 130.3kN
  运行速度 0.9m/s 0.65m/s 0.4m/s 0.3m/s
  DZ2200 所需牵引力 34.5kN 76.0kN 100.6kN 133.1kN
  运行速度 1.3m/s 1.2m/s 0.9m/s 0.6m/s
  选用DZ2200 4+4防爆柴油机八驱动单轨吊机车,主机功率130kW,额定牵引力192kN,配1根SLG 16.2型起吊梁,每次运送1部液压支架。
  6.2.3机车运行台数计算
  机车运行台数与用料地点距离,用料点数量和机车运行速度有关。本文不再例举。
  6.3单轨吊轨道
  单轨吊轨道按照载重的不同分为轻轨I140E和重轨I140V两种,每个吊挂点的最大静拉力分别为50KN、100KN。井底车场巷道、换装站和轨道大巷直轨采用2m/根的I140V重轨,配合以1m/根的弯轨以及过渡轨、对称道岔。其他巷道及硐室直轨采用2.4m/根的I140E轻轨,配合以2m/根的弯轨以及过渡轨、对称道岔。
  7 投资概况
  矿井采用单轨吊作为辅助运输设备后,本文所例举的设备投资在2900万左右,相比传统的地轨蓄电池机车运输系统增加较大。但从整个矿井来看省去了大量的传统斜巷绞车及大量操作人员。从长远看,利益显注。
  8 结论
  对于立井矿井而言,井筒形式限制了单轨吊的直达式运输。但随着辅助运输设备的多样性和先进性,煤矿井下运输不应停留在传统的运输方式下,应积极采用先进设备改善井下运输环境,提高安全水平。本文通过矿井实例,阐述了单轨吊运输系统在立井煤矿中仍可最大程度的发挥其连续性、系统性的优点,是能够满足立井煤矿井下辅助运输需要的。
  参考文献:
  1.王东 新阳能源单轨吊运输网络建设与实施 《山东煤炭科技》,2012年,03期,
  2.李建升; 单轨吊运输在综采综掘工作面的应用实践; 煤炭工程;2011年09期
  3.王富平;;矿井运输系统优化浅析[J];科技资讯;2011年23期
  作者简介;常亮 男 辽宁省喀左县 1980.03.26 ,单位:山西约翰芬雷华能设计工程有限公司 ,助理工程师 ,采矿工程及设计
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