劉 亮

(中投咨詢有限公司，北京 100034)

隨著煤炭工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的大型礦井輔助運(yùn)輸方式采用無軌膠輪車，并已成為礦井輔助運(yùn)輸方式的發(fā)展趨向之一[1]。采用無軌膠輪車運(yùn)輸方式，具備運(yùn)輸靈活、連續(xù)直達(dá)等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)為無軌膠輪車的長、寬尺寸相對(duì)較大，需要井筒、巷道凈斷面具有足夠的寬度和高度以滿足通行需要。為了降低井筒基建投資通常采用單車道雙向通行方式，但井巷通行能力也受到一定的制約。為了解決長距離緩坡斜井單車道雙向通行面臨的運(yùn)輸能力不足的問題，通常在井筒中間設(shè)置會(huì)車硐室，以提升井筒通行能力。

目前除了《煤礦斜井井筒設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50415—2017)對(duì)緩坡斜井會(huì)車硐室的寬度、長度參數(shù)提出相應(yīng)要求外，其他煤礦相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)于緩坡斜井通行能力計(jì)算方法、會(huì)車硐室設(shè)置間距等并未作出明確規(guī)定，故如何合理確定會(huì)車硐室的間距，也需要進(jìn)行深入的思考和研究。本文結(jié)合國投哈密一礦的具體工程實(shí)例，對(duì)會(huì)車硐室設(shè)置間距、斷面參數(shù)等進(jìn)行探討，以尋求緩坡斜井會(huì)車硐室設(shè)置方案的合理解決途徑，供煤礦設(shè)計(jì)單位和建設(shè)單位等進(jìn)行借鑒和參考。

1 工程概況

國投哈密一礦礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1200萬t/a，礦井采用斜井開拓方式，投產(chǎn)時(shí)布置主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井。其中，副斜井采用緩坡斜井，井筒最大傾角5.5°，井筒全長2470m，凈寬5.6m，凈高4.2m，凈斷面積20.2m2，擔(dān)負(fù)礦井全部輔助提升任務(wù)，兼作進(jìn)風(fēng)井和安全出口。當(dāng)?shù)V井達(dá)到1200萬t/a生產(chǎn)能力時(shí)，設(shè)計(jì)布置2個(gè)回采工作面、2個(gè)普掘工作面和4個(gè)綜掘工作面，最大班輔助運(yùn)輸量為43車[2-4]。

副斜井井筒內(nèi)采用無軌膠輪車單車道雙向行駛。井口標(biāo)高+546m，落底標(biāo)高+310m。在井筒+400m、+350m標(biāo)高設(shè)置兩個(gè)交岔點(diǎn)，分別與3煤、5煤北翼輔運(yùn)大巷貫通；井筒落底+310m標(biāo)高后，布置交岔點(diǎn)與7煤北翼輔運(yùn)大巷貫通。各交岔點(diǎn)與井口、井底的間距詳見表1。除兩個(gè)中部交岔點(diǎn)外，井筒中部未設(shè)會(huì)車硐室。

表1 副斜井交岔點(diǎn)設(shè)置情況

2 副斜井會(huì)車硐室設(shè)置間距

對(duì)于緩坡斜井通行能力的計(jì)算，規(guī)程、規(guī)范及以往設(shè)計(jì)中尚未有成熟、定型的計(jì)算公式，而緩坡斜井運(yùn)輸系統(tǒng)也不同于地面公路運(yùn)輸中雙車道通行能力計(jì)算，需結(jié)合煤礦緩坡斜井運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)進(jìn)行確定。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式一

2.1.1 原理及使用條件

根據(jù)《梅花井煤礦2號(hào)副斜井通行能力論證》[5]，采用式(1)計(jì)算井筒通行能力。文獻(xiàn)[5]中原公式車輛會(huì)讓時(shí)間a取0.5min，經(jīng)過調(diào)研現(xiàn)有煤礦使用無軌膠輪車的實(shí)際情況，本次調(diào)整為a=2min。

式中，Q單為車輛在井筒第i個(gè)區(qū)間運(yùn)行時(shí)通過次數(shù)，次；T為車輛運(yùn)行總時(shí)間，取4.5h/班；Li為第i個(gè)區(qū)間井筒長度，m；Vi為車輛在第i個(gè)區(qū)間的運(yùn)行速度，取250m/min；k為車輛運(yùn)行不均衡系數(shù)，取1.3；a為車輛在井口或井底的會(huì)讓時(shí)間，min。

經(jīng)驗(yàn)公式一原理為：車輛的一次完整通行包括無軌膠輪車在井筒內(nèi)往返運(yùn)行和會(huì)車組成，以車輛運(yùn)行時(shí)間內(nèi)所能通過的車輛總次數(shù)，作為井筒的通行能力。該公式適用于包括支架搬運(yùn)車之內(nèi)的各類無軌膠輪車的通行計(jì)算，不受車輛種類的限制。局限性為：設(shè)定井筒內(nèi)只通行一輛車，忽略了實(shí)際生產(chǎn)中可以幾輛車同向同時(shí)運(yùn)行的情況，因此計(jì)算結(jié)果偏小。

2.1.2 計(jì)算過程及結(jié)果

當(dāng)?shù)V井達(dá)到井下最大班運(yùn)量43車時(shí)，根據(jù)式(1)進(jìn)行反推計(jì)算得出：Li=353m，即副斜井會(huì)車硐室設(shè)置間距為353m。需要在副斜井設(shè)置5個(gè)會(huì)車硐室，其中，在井口至+400m交岔點(diǎn)區(qū)間內(nèi)設(shè)置4個(gè)會(huì)車硐室，每個(gè)會(huì)車硐室的間距在320m左右。在+400m交岔點(diǎn)至+350m交岔點(diǎn)區(qū)間內(nèi)設(shè)置1個(gè)會(huì)車硐室，位于區(qū)間中點(diǎn)附近，全井筒劃分為8個(gè)區(qū)間。

2.2 經(jīng)驗(yàn)公式二

2.2.1 原理及使用條件

經(jīng)驗(yàn)公式二根據(jù)《緩坡副斜井錯(cuò)車硐室設(shè)置方式及間距研究》及物體加速、減速、勻速運(yùn)動(dòng)的物理學(xué)基本公式等[6-8]推導(dǎo)而成，采用化繁為簡的方式，對(duì)每一步驟、參數(shù)單獨(dú)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，以便于理解和優(yōu)化調(diào)整。

經(jīng)驗(yàn)公式二原理為：從無軌膠輪車單車道運(yùn)行的基本特征出發(fā)，根據(jù)每班的輔助運(yùn)輸量確定由地面往井下發(fā)車的頻率，在此期間所有下行運(yùn)料(人)車輛均按預(yù)定頻率進(jìn)行發(fā)車，車輛沿井筒勻速魚貫而行，不受對(duì)向車輛會(huì)讓影響，以保障井下所需物料全部到位。與此同時(shí)，從井下采掘工作面等地點(diǎn)返回的車輛在井底車場等候，選擇下行車輛駛出井筒的空檔時(shí)間上行，在與下一輛下行車輛相遇時(shí)駛?cè)霑?huì)車硐室，待會(huì)車過后駛出硐室繼續(xù)上行，直至駛出井筒到達(dá)地面。

該經(jīng)驗(yàn)公式需推算出上行車輛與下行兩輛膠輪車相遇的時(shí)間間隔，結(jié)合車輛運(yùn)行的速度計(jì)算出上行車輛在該時(shí)間段內(nèi)所能行駛的距離，以此作為會(huì)車硐室的設(shè)置間距[6-8]。

經(jīng)驗(yàn)公式二適用于普通材料車、人車的通行能力計(jì)算，局限性為：不適用于支架搬運(yùn)車的通行計(jì)算，因?yàn)橹Ъ馨徇\(yùn)車運(yùn)行時(shí)一般不允許進(jìn)行會(huì)車，且下行車輛必須按照均勻的頻率下井，運(yùn)行速度需保持不變，否則會(huì)車位置與硐室的位置不一致，造成無法會(huì)車。

2.2.2 計(jì)算過程及結(jié)果

1)無軌膠輪車運(yùn)行密度：

Qd=K1K2Q/T

(2)

式中，Qd為單向最大小時(shí)流量，輛/h；K1為無軌膠輪車臨時(shí)加開系數(shù)，取1.15；K2為車輛運(yùn)行不均衡系數(shù)，取1.20；Q為井下最大班運(yùn)輸量，取43車/班；T為輔助提升時(shí)間，取4.5h/班。

經(jīng)式(2)計(jì)算得：Qd=13.2輛/h，取13輛/h。

2)會(huì)車硐室間距：在確定會(huì)車硐室間距時(shí)，假設(shè)井筒內(nèi)無軌膠輪車服從均勻分布，兩個(gè)會(huì)車硐室之間車輛會(huì)讓場景模型為：無軌膠輪車A位于第一個(gè)會(huì)車硐室內(nèi)等待對(duì)向無軌膠輪車B駛過后加速行駛出會(huì)車硐室，正常平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間，遇到對(duì)向另一無軌膠輪車C后進(jìn)行第二次會(huì)車，減速駛?cè)氲诙€(gè)會(huì)車硐室。井筒會(huì)車模型如圖1所示。兩個(gè)會(huì)車硐室之間的距離即為會(huì)車硐室的最大間距[9-12]。

圖1 會(huì)車模型

由圖1可知，會(huì)車硐室間距為無軌膠輪車加速運(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(3)、式(4)計(jì)算[13，14]：

工況一：加速運(yùn)行距離。

式中，L加為車輛(A車)加速運(yùn)行的距離，m；a0為車輛平均行駛加速度，取2.5m/s2；t0為車輛加速時(shí)間，t0=V0/a0=1.67s，其中，V0為車輛正常行駛速度，取4.17m/s。

經(jīng)式(3)計(jì)算[9-11]：L加=3.49m。

工況二：減速運(yùn)行距離。

式中，L減為車輛(A車)減速運(yùn)行距離，m；t1為駕駛員的感知反映時(shí)間，取2.5s；t2為發(fā)動(dòng)機(jī)減速時(shí)間，取2.0s；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；t3為制動(dòng)時(shí)間，即車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)減速后的速度，再次減速為0所需要的時(shí)間，取t3=0.228s。

經(jīng)式(4)計(jì)算得：L減=15.23m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，無軌膠輪車加速運(yùn)行距離為3.49m，減速運(yùn)行距離為15.23m。

工況三：平穩(wěn)運(yùn)行距離。若要計(jì)算無軌膠輪車平穩(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)間可通過車輛與對(duì)向兩個(gè)車輛相遇的時(shí)間間隔，減去加、減速時(shí)間得出。而車輛相遇的時(shí)間間隔取決于對(duì)向兩輛車之間的間距、對(duì)向車輛運(yùn)行速度和本車運(yùn)行速度。可按下式推導(dǎo)計(jì)算：

本車輛(A車)加速、減速的時(shí)間和t為：t=6.40s。

對(duì)向兩輛車的間距為發(fā)車時(shí)間乘以車輛速度，即：L間=1571m。

由于在本車輛加速、減速的期間內(nèi)，對(duì)向車輛仍在平穩(wěn)運(yùn)行，因此，在本車輛加速、減速的同時(shí)，對(duì)向車輛平穩(wěn)運(yùn)行的距離為：L對(duì)平1=V0×t=25.02m。式中，L對(duì)平1為在本車輛(A車)加速、減速時(shí)對(duì)向車輛(C車)平穩(wěn)運(yùn)行的距離，m。

另外，在實(shí)際情況中，不可能做到兩輛相向運(yùn)行的車輛之間實(shí)現(xiàn)行駛期間的無縫銜接會(huì)車，本車輛到達(dá)會(huì)車硐室后，一般都會(huì)等候?qū)ο蜍囕v一段時(shí)間，在此取1min，在此之后本車輛啟動(dòng)并行駛出會(huì)車硐室。在等候期間，對(duì)向車輛行駛的距離為：L對(duì)平2=V0×t4=250.2m。式中，L對(duì)平2為本車輛(A車)等候時(shí)對(duì)向車輛(C車)平穩(wěn)運(yùn)行的距離，m；t4為本車輛(A車)等候時(shí)間，s。

則兩輛車輛同時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行的總距離為：

L平=L間-L加-L減-L對(duì)平1-L對(duì)平2

(5)

式中，L平為兩對(duì)向行駛的車輛同時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行的總距離，m；L間為在設(shè)定條件下，兩同向行駛車輛的間距，m。

會(huì)車硐室之間的最大距離為：

L會(huì)硐=L加+L減+L本平

(6)

式中，L會(huì)硐為兩個(gè)會(huì)車硐室之間的距離，m；L本平為本車輛(A車)平穩(wěn)運(yùn)行的距離，m。

經(jīng)計(jì)算，L會(huì)硐=L加+L減+L本平=657.23m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，會(huì)車硐室的設(shè)置間距為657m，需要在副斜井設(shè)置2個(gè)會(huì)車硐室，會(huì)車硐室設(shè)置間距為535m，均設(shè)置在井口至+400m交岔點(diǎn)區(qū)間之內(nèi)，全井筒劃分為5個(gè)區(qū)間。

2.3 分析比較

通過計(jì)算可知，采用公式一計(jì)算的會(huì)車硐室間距為353m，設(shè)置5個(gè)會(huì)車硐室；而采用公式二計(jì)算的會(huì)車硐室間距為657m，僅需設(shè)置2個(gè)會(huì)車硐室。經(jīng)分析，無論是公式一還是公式二均設(shè)定為同一區(qū)間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行的車輛只有1輛。

公式一以車輛運(yùn)行時(shí)間為計(jì)算依據(jù)，考慮了全部車輛返程所需要的時(shí)間，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算過程簡單易懂，對(duì)井筒運(yùn)輸調(diào)度要求較低；缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果偏保守，結(jié)果數(shù)據(jù)僅為井筒最小通行能力，所設(shè)置的會(huì)車硐室數(shù)量較多。

公式二以路程和速度為計(jì)算依據(jù)，優(yōu)點(diǎn)是充分考慮了車輛會(huì)讓導(dǎo)致的加速、減速、等候等因素，充分發(fā)揮了井筒的通行能力，會(huì)車硐室設(shè)置數(shù)量較少，計(jì)算結(jié)果更加貼近煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況；缺點(diǎn)是計(jì)算過程較復(fù)雜，對(duì)井筒運(yùn)輸調(diào)度、車輛駕駛等要求較高。

3 會(huì)車硐室規(guī)格參數(shù)

3.1 硐室寬度

會(huì)車硐室的尺寸根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》《煤礦巷道斷面和交岔點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范》《煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》《煤礦斜井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》等確定[2，3，14-16]。按式(7)計(jì)算：

B硐=b1+b1+b3+b4+b5

(7)

式中，B硐為會(huì)車硐室斷面寬度，m；b1為雙向運(yùn)行的車輛寬度，按WC8E型車輛寬度取2.34m；b3為人行道寬度，取1.3m；b4為兩輛車之間的距離，取0.5m；b5為車輛與巷道側(cè)幫的最小間距，取0.5m。

經(jīng)計(jì)算，會(huì)車硐室寬度為7m。

考慮到支架搬運(yùn)車的寬度一般為3.5m，鑒于支架搬運(yùn)車的運(yùn)行頻率較低，故搬運(yùn)支架時(shí)不再考慮行人需要，且在礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中一般不允許兩輛支架搬運(yùn)車進(jìn)行會(huì)車，故按一輛材料車和一輛支架搬運(yùn)車進(jìn)行會(huì)車考慮硐室的寬度，其中材料車在硐室內(nèi)停靠，支架搬運(yùn)車正常行駛。車輛與井筒側(cè)幫的間距按0.5m考慮，此時(shí)需要的硐室寬度為：

B硐=b1+b2+b4+b5+b5=7.34m

式中，b2為支架搬運(yùn)車的寬度，取3.5m。

經(jīng)計(jì)算，會(huì)車硐室側(cè)幫之間的最小寬度為7.34m，考慮到硐室拱部與運(yùn)輸設(shè)備之間也需保證0.5m的安全間隙，硐室寬度需取值7.5m，在井筒正常段基礎(chǔ)上加寬1.9m。

3.2 硐室長度

根據(jù)《煤礦斜井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 20415—2017)要求[14]，會(huì)車硐室的長度等于或大于車長的2倍，材料運(yùn)輸車輛的長度一般在5.7～7.6m之間，故硐室總長度取值15.2m。由于車輛的轉(zhuǎn)向運(yùn)行近似于圓周形運(yùn)動(dòng)，若漸變段采用曲線漸變將會(huì)大大增加施工難度，且不利于與井筒連接處的支護(hù)。因此會(huì)車硐室漸變段采用直線漸變，為便于支護(hù)施工和減少漸變段的工程量，漸變段與正常段夾角取45°，故單側(cè)漸變段長度為1.9m，由此確定硐室直線段長度為11.4m。

3.3 硐室斷面及支護(hù)

設(shè)計(jì)會(huì)車硐室同樣采用半圓拱形斷面，其凈寬7500mm，凈高5150mm，凈斷面積約32.58m2，參考副斜井的支護(hù)方式，表土段及基巖破碎段的會(huì)車硐室采用鋼筋混凝土支護(hù)方式，鋼筋規(guī)格、間排距同井筒一致，澆筑混凝土厚度為600mm，強(qiáng)度等級(jí)為C35，基巖段會(huì)車硐室采用“錨索+錨桿+混凝土”聯(lián)合支護(hù)方式。錨索采用?15.24mm×10000mm，間排距為2400mm×3200mm，錨桿采用與井筒相同的規(guī)格、間排距，澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，厚度為600mm，鋪底混凝土強(qiáng)度、厚度與井筒正常段一致[16，17]。會(huì)車硐室布置如圖2所示。

圖2 會(huì)車硐室布置(mm)

4 結(jié) 論

對(duì)于緩坡斜井無軌運(yùn)輸會(huì)車硐室的長度、斷面尺寸，規(guī)程、規(guī)范均作出明確的規(guī)定，比較容易確定，但硐室設(shè)置間距尚未進(jìn)行明確規(guī)定。本文在總結(jié)以往專家、工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)優(yōu)化后提出兩種計(jì)算公式。

1)公式一考慮了車輛下井和上井的運(yùn)行時(shí)間，以往返一次所需要的時(shí)間為基礎(chǔ)計(jì)算工作時(shí)間內(nèi)的通行車次，作為井筒的通行能力，再以井下運(yùn)輸量反推區(qū)間的最大長度，以此確定會(huì)車硐室的間距。該公式具有計(jì)算過程簡單、易于理解的特點(diǎn)；但按同一時(shí)間段內(nèi)同一區(qū)間只運(yùn)行一輛車考慮，計(jì)算結(jié)果偏小，導(dǎo)致會(huì)車硐室的數(shù)量偏多，基建工程量和投資偏大。

2)公式二在確定井筒通行能力時(shí)僅考慮下井車輛，由井下采掘地點(diǎn)返回的車輛利用下行車輛之間的距離擇機(jī)上行，在相遇地點(diǎn)設(shè)置會(huì)車硐室，上行車輛駛?cè)腠鲜疫M(jìn)行會(huì)車。該公式從運(yùn)行距離、速度等方面進(jìn)行考慮，需要計(jì)算出上行車輛加速距離、減速距離等各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算步驟較多，過程較為復(fù)雜。但是依此模型計(jì)算得出的會(huì)車硐室數(shù)量比公式一少。

3)以國投哈密一礦為例，按公式一的計(jì)算結(jié)果需要布置5個(gè)會(huì)車硐室；而按公式二的計(jì)算結(jié)果僅需布置2個(gè)會(huì)車硐室，基建工程量和投資均大幅降低。但是對(duì)運(yùn)行調(diào)度提出了更高的要求，即下行車輛必須按照預(yù)定的頻次、速度均勻行車，上行車輛也需按預(yù)定的速度行進(jìn)，否則相遇地點(diǎn)可能錯(cuò)過會(huì)車硐室所在的位置。

4)無軌運(yùn)輸作為未來煤礦輔助運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向之一，在運(yùn)輸設(shè)備朝著智能化、自動(dòng)化發(fā)展的同時(shí)，也會(huì)面臨長距離緩坡斜井通行能力不足帶來的制約。而會(huì)車硐室可以有效提升緩坡斜井通行能力，防止運(yùn)輸事故發(fā)生。合理確定會(huì)車硐室的設(shè)置間距、硐室長度和斷面尺寸，對(duì)于提升井筒通行能力，保障礦井輔助運(yùn)輸安全，降低基建工程量和建設(shè)投資均具有重要的實(shí)際意義。