井下单轨吊机车辅助运输系统的应用研究

2022-06-16成绍刚

当代化工研究 2022年10期

＊成绍刚

（汾西矿业集团双柳煤矿山西 033300）

现代煤矿井下开采深度不断加深，各种先进机械化设备也都被应用在了煤矿井下开采中，并且这些设备的种类、单重、材料数量不断增加，运输距离不断扩大，而从大量实践经验来看，采取传统井下辅助运输方式无法满足煤矿井下运输需求，而利用单轨吊机运输辅助系统能够更好完成运输工作。在实际运输时，安全性、运输能力都得到了进一步提高。可见，加强对单轨吊机车辅助运输系统（下文统一简称为单轨运输系统）在煤矿井下应用的意义重大。

1.我国煤矿辅助运输现状

当前我国采用的煤矿辅助运输方式主要有两种，分别是无轨和有轨。我国在煤矿辅助运输方面的研究相比于其他国家而言起步较晚，因此与世界先进采煤国家之间的差距较为明显，而且我国大多数的煤矿中依然在使用小绞车、小蓄电池机车等这些浪费人力的运输方式。从煤矿辅助运输事故占比来看，该类事故发生的概率可以占到总工伤事故的三分之一，也是煤矿生产中面临的第二大事故，从一定程度上来看，煤矿事故的发生影响到煤矿的生产效率以及安全管理。基于此，近年来，我国在煤矿的管理水平上得到了一定的提升，与此同时，随着矿井生产规模不断扩大，采掘设备机械化程度也得到了普及，以此满足对煤炭的需求。因此，采用更加高效的辅助运输系统对于我国煤炭行业的发展有着重要的影响。

2.单轨吊机车与无极绳运输、绞车运输方式的对比

（1）无极绳连续牵引车。无极绳运输属于钢丝绳牵引轨道运输的范畴。这种方式作为我国煤矿运输中较早的运输方式之一，在小煤矿当中被视为主要的运输机械，而在中、大型煤矿中，无极绳连续牵引车则是被当作辅助运输机械。该种运输方式大多数情况下会用于井下材料、设备的运输，尤其适合对大型综采设备的运输，可适应于有一定坡度且起伏变化的轨道运输。从最近几年设备运用的情况来看，虽然逐渐出现了单轨吊车、卡轨车等先进的辅助运输设备，但是从使用情况上来看，无极绳辅助运输依然占据着主要地位。

（2）矿用调度绞车。矿用绞车是在矿井生产中不可缺少的重要生产设备之一，根据煤矿生产特点，常用的绞车有：在倾斜井巷用来提升煤炭、矸石等物料的提升绞车；在采煤工作面用于各类机电设备的搬迁、拆除和回收等。

（3）单轨吊机车。单轨吊机车是将运送人员、设备和材料的各种功能吊车悬吊在巷道顶部单轨上进行运输的系统总称。单轨吊机车爬坡能力的大小主要取决于系统自带驱动部的数量有关（如6个驱动部，其牵引力为120kN），此外还与吊运件的重量大小和坡道坡度有关。单轨吊的制动力是牵引力的1.5～2倍。单轨吊机车的装载方式是通过人工操纵换向阀驱动液压马达或液压缸将重物运输到目的区域，相比于传统的手动葫芦、撬棍、人推肩扛等方式，单轨吊机车大幅降低了起吊作业的劳动强度，提升了整体的工作效率。为了提高东怀煤矿综采工作面搬家效率和解决复杂运输过程中的安全问题，通过以上比较及结合东怀实际情况，决定采用柴油机单轨吊运输系统替代现在用的绞车运输系统。

3.研究单轨吊机车辅助运输系统的意义

随着采煤技术的不断发展，工作面的生产效率不断得到提高，但矿山的整体效率却没有得到大幅提高，究其原因，巷道运输效率低成为制约矿山整体效率的关键因素。煤矿巷道运输效率低主要表现在：大型设备、物料、人员的运输效率低以及井下条件适应性差（如大倾角条件）等方面。因而，如何在坡度较大、条件复杂的巷道中提高运输效率，是我们所面临的重大挑战。

煤炭是我们生活中重要的生活能源，也是我们国民经济的基础和重要组成部分。在煤矿的生产中，井下运输工具的作用是不可忽视的，机车作为最重要的井下运输工具大大方便了井下物料的运输。在一些煤矿中，机车的数量从几百到上千不等，停靠时也没有规律，而且小的机车对于运输大宗的货物能力有限，鉴于以上考虑，单轨吊机车成为我们井下运输工具的不二选择。单轨吊运输，不会占用地面空间，当在大断面巷道使用时，巷道空间能得到最大化的利用。单轨吊机车可以自身起吊重物，便于装卸。机车运行时，为了解决井上工作人员及时了解井下机车运行状况的问题，迫切需要建立一套完整的机车监控系统。本课题正是基于目前机车监控这一系列问题而提出来的。如果该系统能够在单轨吊机车上得到应用，将会使地面上的工作人员能实时地了解井下机车的运行状况，同时也方便机车的安全调度，对提高整个煤矿的生产效率和管理水平有重要的意义。

为了适应煤炭行业发展的需要，解决煤炭开采过程中生产技术落后、机械化水平低等问题，我国在七十年代后期开始着手研制煤矿开采过程中所需要的运输工具。虽然起步比较晚，但是到现在为止，已经研制出一批实用高效的运输设备，并且很多已经在煤矿的生产实践中得到了验证，并产生了巨大的经济效益和社会效益。但总的来看，设备的种类还不算多，产品的质量也有待提高。目前在我国的大部分煤矿中依然在采用耗费大量的人力物力的分段运输方式，尤其是在采区，由于这种运输方式造成的煤矿事故层出不穷，因此需要引进更加先进的运输工具，才能保证煤炭开采更加高效地进行。

4.单轨运输系统的优势

（1）单轨运输系统安装相对简单，并且不会占据大量人员，整体应用效率偏高。固定轨道时，多数状况下要采取锚杆开展，一般情况下，每节管道采用1副悬吊板、1根链条、2根锚杆，整体设备安装起来较为简单，完成安装之后，需要采用的吊轨维护量较少。

（2）单轨吊机运输相对较为灵活，将其应用在煤矿井下，整体应用效果良好，在许多区域都可以采用单轨运输系统。从大量应用实践经验来看，单轨运输系统受巷道条件约束相对较小，即使巷道出现了低鼓、片帮等情况，采用单轨调车机效果良好，适用性强[1]。

（3）从大量实践入手，对单轨运输系统具体应用情况进行探讨，整体应用效果良好。将单轨吊机车轨道安装在巷内，能够将巷道内的道岔、弯道等连接起来，形成健全系统[2]。一般情况下，采用异步单轨调车机能够同时为多个巷道提供服务，满足不同工作需求，也可以利用多个机车在同一时间为一条巷道服务，集中运输，因此，针对运输任务相对较大的巷道来说，采用单轨运输系统能够提高运输的安全性和效率。

5.单轨运输系统的构成及应用

(1)单轨运输系统的构成

①机车。机车液压系统主要包括启动系统和传动系统，其中启动系统在机车中起到的主要作用就是通过对蓄能器进行应用提供动力源，利用液压表对蓄能压力大小进行全面监控，控制启动阀门，完成对机车启动的合理控制[3]。传动系统在运行过程中发挥的关键作用就是通过对变量轴进行应用，发挥其传动功能，利用电磁比例阀完成对系统压力、油量等各项内容的合理控制，合理驱动机车。机车电控系统整体结构十分简单，利用显示屏能够全面、精准显示系统参数，快速排查故障，解决故障。机车组成情况如图1所示。

图1 机车组成示意图

②提升梁。针对单轨运输系统来说，提升梁是整个系统中的一项重要构成部分，对于该部分一般来说要全面结合煤矿井下运输要求，科学配置，确保运输安全、高效、合理。提升梁主要有轻型梁和重型梁两种不同类型，两种梁都利用机车系统液压力传递。通常来说，提升梁主要由控制阀门、马达齿轮箱、梁体、提升链等各项结构共同构成[4]。通过操控控制阀，可以让马达在运行过程中能够双向转动，带动与马达同轴齿轮机，提升链条，让物料可以顺利上升和下降。需要注意的是，调运重设备、物料等都采取重型梁，其在具体应用时，提升能力一般在20～45t之间，而轻型梁的提升能力与重型梁相比，相对较弱，提升能力在5～8t之间，主要被应用在运输相对较轻的物料中[5]。无论是重型梁还是轻型梁，其在具体应用过程中都具有提升速度快、安全性高、操作容易等优点，这也是其得到广泛应用的主要原因。

③轨道。对于单轨运输系统中的轨道，在具体设置时可以全面结合煤矿井下运输的实际需求，在煤矿井下设置重型轨道和轻型轨道两种类型，其中前者主要用于承担运输载重量较大的任务，而后者则主要用于运输普通物料。单轨运输系统建设时要全部结合巷道围岩条件、顶板情况等各项内容，确定轨道的最终悬挂方式。如果地质、煤层松软，可以采取锚索悬挂方式，重型梁一般都采用双链悬挂，轻型梁一般采用单链式悬挂。连接轨道可以可以采取搭扣和法兰板两种方式，前者主要应用在直轨道上，而后者则主要应用在弯道上。轨道的道岔分为左右摆道两种类型，主要用于车场、岔路方面。

(2)单轨运输系统的应用

①单轨运输系统应用在综掘工作面掘进中。单轨吊轨道和单轨吊机车的安装与应用要在综掘面达到一定长度之后开展，通常来说，在布置单轨吊轨道时要全面参考胶带传输机、道壁位置来综合确定，在进行综掘作业面掘进期间，一般利用三驱、两驱单轨吊机车，依据煤矿井下的实际情况，配备可以满足作业需求的起吊梁。完成配比后，逐步运输综掘生产过程中需要应用的支护材料、皮带、掘进机械零部件等各项内容，同时，还可以根据实际情况，完成对工作人员的运输，直到最终综掘工作面完成为止。

②单轨运输系统应用在工作面安装中。通过正常方式完成综采工作面掘进后，要依据荷载的实际需求，采用防爆蓄电池牵引机车或者防爆柴油单轨机车，逐步将作业中采用的综掘零部件、综掘设备撤出，完成撤出后，要采用单轨吊车完成对作业中应用的刮板运输机、综采设备、煤机等进行运输，将其安全、及时运输到工作面，由专业能力过硬的人员完成安装工作。通常来说，综采工作中采用的支架自身重量都在15t以下，巷道坡度则要控制在15°以内，在该情况下，可以直接利用牵引单轨车安装，需要注意的是，如果支架自重超过了15t，巷道坡度超过15°，可以考虑利用六驱防爆柴油单轨机[6]。在综采工作面正常生产之后，煤矿井下单轨运输系统在运行时根据实际生产作业开展需求，对作业开展中的工作人员、零部件、物料等各项内容进行运输。除此之外，单轨运输系统还可以保证小绞车在综掘工作面以及工作中更加安全、高效，也能消除小绞车在运输中存在的跑车、掉道、短绳等各种不同类型安全隐患，而且单轨运输系统运行全程都由司机通过指令控制，在运输过程中，可以依据具体情况，适当调整；单轨运输系统能够使小绞车在运输期间面临的劳动力强度大、过程复杂、运输效率低、设备多等各项问题都能够得到解决，而且在坡度高、重量大情况下，即使在1m巷道中，设备也能够正常运行。同时，煤矿井下单轨运输系统应用时，不需要对采用的巷道进行拓宽以及硬化巷道底板等，整个操作相对简单，安全性高，而且能够取得良好的经济效益。除此之外，煤矿井下单轨运输系统可以提高综采工作上采用的各项设备安装速度，同时，从实际情况来看，利用地轨运输，完成综掘工作面掘进后，需要花费较长时间铺设运输过程中管道辅助设施，而开始综掘作业面后便可以安装单轨吊，完成掘进后，就可以完成单轨吊系统安装，能够满足运输需求。从大量实践经验来看，在我国煤矿开采时，一个长度约为150m作业面，安装综采工作面设备需要一个月左右的时间。

6.提高单轨运输系统运行失效的合理措施

（1）优化设计运输系统。克服传统模式存在的各种弊端，实现连续运输，确保在运输时不会发生中断问题。尤其是在设计巷道时，要确保采用的轨道吊车具有足够运行空间，选择满足要求的单轨吊车。（2）优化生产工序。要统筹考虑井下辅助运输与井田开拓，确保运输与拓井开拓可以同步进行设计与施工，并且要在同一时间进入到应用状态，开拓巷道时，要同步铺设轨道，大幅度降低充分劳动发生几率，缩短具体工作开展所需时间。（3）健全配套设施。依据物流与人员运输的实际需求，将维修硐室、换装站、加油站等都设置在指定位置处，针对应用的乘人车、平板车、物料箱要配套制作，同时，同步建设配套通讯系统，提高运输、调度质量。（4）扩大运行空间。保证单轨吊车具有足够运行空间，这是确保运输安全的关键。一般来说，直线段巷道与巷道两帮突出点距离要超过1.2m，弯道轨道距离弯道内侧巷道帮突出点距离要超过2.0m。

7.轨道辅助运输发展趋势

从上述的轨道辅助运输发展情况来分析，虽然采用卡轨方式有效改善了轨道脱轨的情况，但是在一定程度上还存在着断绳、脱钩等影响使用人员安全或者施工质量的隐患，因此，在国内很多煤矿辅助运输中，将无绳化运输放在了重要的位置上，逐步缩小绳牵引在井工煤矿的应用范围，其主要原因是绳牵引的运输距离有限，所以在煤矿智能化发展视域之下，绳牵引会成为淘汰的主要目标。因为电机车运输系统对于环境的要求较高，环境适应度较差，所以在当前的煤矿工作中，大坡度巷道煤矿不会将电机车运输放到运输规划当中，但是在水平大巷当中，电机车运输系统却是无可替代的运输方式，在后续的智能化发展进程中，无人电机车将会成为这一运输系统中的突出点。早在2018年，从国家煤矿安监局发布的《禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第四批）》当中可以看出，排气标准在国Ⅱ以下的防爆柴油机会在2020年逐步禁止使用。从我国的2025发展规划中可以看出，发展设备自动化、智能化已经成为主流方向，同时，一线人员的安全意识也会影响到这一规划的进程，井下无人开采以及无人运输势必会成为今后的必然趋势。井下轨道运输系统与无轨胶轮系统相比，由于其有轨道导向，在智能化和无人化方向上有着一定的优势。但是从现有的机械发展角度来看，防爆柴油机高压共轨技术等受到国外企业的影响，在推广上受到不同程度上的限制。煤矿企业的工作环境相对来讲更加封闭，如果采用高污染、噪声大的防爆柴油机动力系统，会导致井下工作进展缓慢，甚至会影响到工作人员的身体健康。因此，发展并推进电牵引运输设备、高度电气自动化和信息化的轨道运输系统，可以指明未来煤井辅助运输系统的发展方向。