清水营煤矿是宁夏回族自治区宁东能源化工基地配套大型矿井之一，设计生产能力5.00 Mt/a。矿井划分为2个采区，其中11采区为主斜井-副斜井开拓方式，斜井运输大巷坡度25°～28°，设计辅助运输方式采用轨道运输。12采区为主斜井-副立井开拓方式，立井以下运输大巷坡度7°～10°，辅助运输方式采用无轨胶轮车运输。清水营煤矿井巷围岩和可采煤层顶、底板岩性均以粉砂质泥岩、粗砂岩为主，局部成岩度较差，层理较发育，属典型的“三软”煤层。矿井投产后，11采区运输斜井及水平车场底鼓变形，轨道倾斜，运输系统无法保证安全运行。12采区井底环形车场及掘进巷道混凝土地坪底鼓开裂，地面起伏不平，严重影响防爆胶轮车安全运行。“三软”煤层导致的支护失效、运输效率低下严重制约矿井发展。

2012年，清水营煤矿开始复杂地质条件下的单轨吊运输系统的应用研究，在宁夏地区率先引进单轨吊运输系统，将“地轨”运输系统变为“天轨”运输系统。截至2020年10月，累计投入资金8 000万元，购置防爆柴油机轻重型单轨吊7套、防爆蓄电池电动单轨吊5套，敷设单轨吊轨道12 000 m。构建了覆盖井下各水平车场及采掘工作面的单轨吊运输网络，较好地解决了“三软”煤层地质条件下的辅助运输难题，为矿井高产高效安全生产创造了条件。

1、单轨吊运输系统应用技术研究

1.1 单轨吊运输系统的基本构成

单轨吊运输系统由单轨吊机车、工字型轨道线路、起吊梁和装载车辆等组成，由于轨道固定在巷道顶板上，俗称“天轨”运输系统。

1.1.1 单轨吊机车

单轨吊机车根据驱动方式的不同分为自驱动单轨吊机车和外部牵引单轨吊机车。自驱动单轨吊机车根据驱动能源的不同又分为柴油机单轨吊机车、电动单轨吊机车、气动单轨吊机车。其在工字钢轨道上的动力传动方式又分为摩擦轮式传动方式、齿轨轮传动方式和摩擦轮-齿轨轮混合传动方式。不同条件的煤矿根据需求选用不同种类、不同载重能力的单轨吊机车。

目前，国内常用的防爆柴油机单轨吊机车主要有石家庄煤机公司的DC型、捷克芬瑞特（Ferrit）公司的DZL型、德国沙尔夫（scharf）公司的DZ型、德国贝克（becker）公司的KP型防爆柴油机单轨吊，防爆柴油机装机功率达到160 kW，最大牵引力达到280 kN，爬坡能力达到±30°，最大载重能力达到50 t，能够满足液压支架等设备大件的运输需求。

为减少燃油尾气排放对空气的污染，防爆蓄电池电动单轨吊在煤矿得到了大量应用。目前，国内生产的防爆蓄电池容量达到560 Ah，其牵引力达到120 kN，最大运输距离达到10 km，应用日益广泛。

1.1.2 单轨吊轨道线路组成

单轨吊轨道线路由工字型轨道、悬吊装置、道岔及阻车器组成。

工字型轨道目前国内主要仿制欧标产品，主要有I140和I155型号，其中常用的I140型轨道按照载重分为轻轨I140 E和重轨I140 V。轨道分为直轨、弯轨、过渡轨，其中直轨和弯轨标准轨长度为1.5 m、2 m、2.4 m、3 m，可以根据需要进行选用，也可以定制。

悬挂装置由悬挂固定装置、连接装置组成。悬挂固定方式须根据巷道坡度情况、顶板支护情况及单轨吊荷载情况合理选择。悬挂固定方式分为吊链方式和架棚方式，如图1所示。其中，吊链方式可分为单链吊挂、双链吊挂、三链吊挂、双链双吊挂等方式。架棚悬挂方式又分为U形钢棚悬挂、梯形棚悬挂等方式。为防止轨道偏摆，在直线段一定距离、弯轨及坡度轨道处均需增设斜拉链配合调节螺栓进行固定。

图1 不同悬挂方式   

道岔用于轨道分道、变道，分为双开对称道岔和单开非对称道岔，可以安装在最大坡度为±10°的情况下，开闭有手动、电动、液动、气动等方式。

阻车器用于单轨吊轨道上机车的限位，阻止机车行进，有手动阻车器、尾端阻车器、活动阻车器等。阻车器固定方式多样，可以固定在巷道顶板上、巷帮上，也可以固定在轨道上，其操作可以用手动方式或气动、液动方式。

单轨吊起吊梁分为轻型起吊梁（起重量≤8 t）、中型起吊梁（8 t≤起重量≤16 t）、重型起吊梁（16 t≤起重量≤50 t）。根据运输需要，1台单轨吊机车可以配置多组起吊梁。起吊梁为柔性连接的高强钢结构梁（内置提升液压缸或液压马达），用承载小车悬挂在工字钢轨道上。随着载重量增加，起吊梁上的承载小车数量偶数倍增加。

单轨吊装载车辆根据运输需要，可以配备不同装载车辆。一般单轨吊机车运人时需选配6座、8座、10座、16座、20座专用人车（配套安全保障制动车），可以多组人车同时运行。装载其他物料时可以使用集装箱或带吊耳的矿车。

1.2“三软”煤层条件下，单轨吊运输系统设计

1.2.1 清水营煤矿110206综采工作面单轨吊运输系统设计

清水营煤矿110206工作面回风巷、运输巷顶板岩性以粉砂质泥岩、细粒砂岩为主，f=1～2，底板岩性以粉砂质泥岩、泥岩为主，f=0.8～1.8。巷道顶底板岩石均为软岩，底鼓、帮鼓严重，无法实现“地轨”安全运输，故选用单轨吊运输系统以解决运输难题。

清水营煤矿110206大采高综采工作面选用ZY10000-22/45型掩护式液压支架，最大运输重量为42.5 t，单轨吊轨道选用I140 V重轨，自水平车场沿风、机两巷敷设至切眼上下口。单轨吊机车为捷克芬瑞特（Ferrit）公司的DZL210型防爆柴油机单轨吊，配套44 t起吊梁，8组承载小车。

(1）单轨吊运行巷道设计断面，如图2所示。

图2 单轨吊运行巷道设计断面   

巷道设计高度H=h1+h2+h3+h4=0.65+1.0+2.2+0.3=4.15 m，取巷道高度4.2 m。

式中：H为单轨吊运输巷道设计高度，m;h1为单轨吊梁底距顶板最小距离，吊挂轻轨时取h1=0.5 m，吊挂重轨时取h1=0.65 m，设计取0.65 m;h2为单轨吊车起吊梁高度；不同生产厂家、不同吨位起吊梁高度不同，捷克芬瑞特（Ferrit)210柴油机单轨吊44 t起吊梁高度为1.0 m,16 t起吊梁为0.5 m;h3为运输设备高度；运输设备最大高度根据运输最大件高度确定，110206工作面ZY10000-22/45型掩护式液压支架高度为2.2 m;h4为运输设备与底板安全间隙，取0.30 m。

单轨巷道设计宽度B=b1+b2+b3=0.85+1.75+1=3.6m，取巷道宽度3.6 m。

式中：B为巷道断面宽度，m;b1为巷道不行人侧单轨吊设备与巷道侧壁或支护的间隙，根据《煤矿安全规程》第九十条规定，不小于0.85 m;b2为单轨吊车载物运行的最大宽度，根据最大件设备宽度确定，一般按照液压支架宽度或40 t平板车宽度确定，液压支架取1.75 m;b3为巷道行人侧单轨吊车设备与巷道侧壁或支护的间隙，不小于1.0 m，行人取0.85 m;b4为对开行驶的单轨吊车或运输设备最突出部分之间的安全间隙，根据《煤矿安全规程》第九十二条规定，不小于0.8 m。

双轨巷道宽度B=b1+2b2+b3+b4=0.85+3.5+0.85+0.8=6 m，其设计宽度不得小于6 m。

(2）单轨吊轨道选型计算。

根据欧盟设计标准，I140E轨道每个吊挂点的最大静拉力为50 kN,I140 V型轨道每个吊挂点的最大静拉力为100 kN。清水营煤矿配套2组MHZZ22-DUO型起吊梁，每组起吊能力22 t，配4组承载小车，承载小车距离为1 200 mm，承载42.5 t液压支架时，每个承载小车的受力为42.5 t。支架+4 t起吊梁=46.5/8=5.813 t，其最大负荷为58 kN。

分别对I140 V型2 m、2.4 m、3 m标准轨道进行受力计算，可知3 m轨道上每个承载小车最大载荷50 kN,2.4 m轨道上每个承载小车最大载荷60 kN,2 m轨道上每个承载小车最大载荷67 kN，选用I140 V型2 m和2.4 m轨道均满足要求。清水营煤矿统一安装2 m I140 V型重型标准轨道，每个吊点选用4根锚杆（锚索）进行固定，满足悬挂点的最大静拉力要求，如图3所示。

图3 轨道悬挂安装方式   

(3）悬吊锚杆锚固力计算。

由于起吊梁是运动的，因此轨道悬挂点的受力也是非均匀的，利用极限的方法来计算，根据起吊梁承载小车数量、承载轮间距、起吊点间距等绘制受力分析，如图4所示。

图4 受力分析   

已知：F1=F2=F3=F4=F5=F6=F7=F8=5.813 t=58 130 N。由图4可知，B点承受来自1、2、3、4个承载车的部分重量，受力最大，因此只需要分析B点的受力分析，就可以得知最大锚杆受力。

首先，分析AB段，以A点为支点：

其次，分析BC段，以C点为支点：

当x=0时，首先，分析AB段，以A点为支点：

其次，分析BC段，以C点为支点：

TB略大于I140 V型轨道每个吊挂点的最大静拉力为100 kN的要求。选用4根M22 mm×2.5 m的全螺纹等强锚杆吊挂承重，每根锚杆的极限受力为TB/4=2.7 t。矿井实际锚杆支护锚固力要求不低于150 kN，故其安全系数约为5.5倍，远大于设计需要。

(4）机车的选型计算。

根据110206工作面巷道最大坡度及运输最大重量计算所需牵引力为：

式中：α为线路最大坡度0°～12°，设计取α=12°；W1为载运重量，取W1=42 500 kg;W2为机车自重，防爆柴油单轨吊机车取W2=9 000 kg;W3为液压管线等重量，取W3=500 kg;W4为起吊装置重量，取W4=8 000 kg;f为机车运行阻力系数，取f=0.055;g为重力加速度值，取g=9.80665。将各数据代入上式，经计算F=154042N。

所需最大牵引力为154kN。设计选用2辆DLZ210F-8/192型防爆柴油机单轨吊机车（6+2驱动），见表1  

表1 DLZ210F-8/192型防爆柴油机单轨吊机车主要技术参数  

经计算，单轨吊最大运行质量为60 000 kg，机车速度曲线如图5所示。

图5 防爆柴油单轨吊机车（6驱+2驱）运行倾角/荷载/速度   

2、单轨吊运输系统设计要点

根据清水营煤矿单轨吊运输系统的使用经验，为提高单轨吊运输系统的运行效率，在系统设计上应注意[2]：①构建单轨吊轨道网络，使得各水平车场、上下山巷道、掘进巷道的单轨吊轨道无缝连接，减少换装点，缩短换装影响时间；②合理设置错车、换装方式，使单轨吊运输系统有足够的存车空间及错车空间，减少中转影响，实现快速换装、安全错车；③合理设计换装硐室、错车硐室、检修硐室、加油硐室及充电硐室位置及尺寸。

2.1 单轨吊轨道系统网络化设计

根据单轨吊运输系统的特点及单轨吊机车的性能，巷道设计主要参数：①巷道最大设计坡度为柴油单轨吊25°，蓄电池单轨吊机车15°。②倾斜巷道最大长度为柴油单轨吊25°坡度、蓄电池单轨吊机车15°坡度时，倾斜巷道长度不超过300 m，如超过，则坡度为12°时，机车所需要的牵引力为180 kN，小于选用机车的192 kN牵引力，机车速度为2 km/h。机车能力满足42.5 t液压支架运输要求，坡度为5°时，重载运输速度达到3.6 km/h，空载速度为5.4 km/h。③运输大件时间因110206工作面巷道局部起伏，坡度为12°的长度为300 m，其他均为5°左右坡度，长度为2 200 m，运输时间计算结果见表2。可知单轨吊运一台液压支架往返时间为134 min,8 h/班可以吊运3台支架，为加快运输速度，可以安装2辆DLZ210F-8/192型防爆柴油机单轨吊机车（6+2驱动）接力运输，可将运输能力增加到每班5台，以满足安装需要，设置错车点或换装点。其他坡度需结合单轨吊机车性能，合理确定倾斜巷道长度。④巷道最小弯曲半径受单轨吊机车承载轮距限制，一般水平弯曲半径不得小于4.5 m，垂直弯曲半径不小于8 m。⑤交叉巷道的角度大于90°，单轨吊轨道转弯角度应大于90°。⑥在巷道宽度满足的情况下，在水平车场、运输大巷等永久巷道设置双轨，实现单轨吊双向自由行驶，大幅提升运输效率，在回采巷道设置单轨，单向运输，满足局部辅助运输需要。

表2 单轨吊运输大件计算时间  

2.2 配套硐室设计[3]

(1）换装站设计。在不同运输方式转换处，应设置换装站及调车、错车线路。换装站长度应至少满足2辆车辆的存放长度，宽度应满足换装车辆距两侧行人1 m以上安全距离的要求。

(2）调车、错车方式设计。根据现场情况，可选用水平方式或垂直方式。水平错车时，巷道宽度应能满足并列两列车存放的安全距离，或者利用分叉巷道错车。垂直错车要求巷道高度必须满足单轨吊轨道安装后的高度大于两辆车（运输最高件）的高度并有一定安全距离。

(3）加油检修硐室（巷道）设计。矿井多水平或分区开采时，每一水平或各采区可设加油检修硐室，不得储存燃料油，且设置位置满足通风要求。硐室内机车最底部距底板间距不小于1 m，硐室宜采用混凝土铺底，硐室内不得设检修集油坑。硐室应设置专用于扑灭燃油火灾的消防器材及火灾自动监测装置，遇有50℃以上的高温时自动报警。

(4）充电硐室（巷道）设计。充电硐室或检修间单轨吊车与巷壁或其他设备的间距，行人侧不得小于1.0 m，其他设备与巷壁距离不得小于0.5 m，起吊梁与硐室底板距离不得小于3 m，单轨铺设长度不小于机车长度的1.5倍。

(5）加油检修或充电硐室（巷道）内通风，消防器材、照明及视频监控符合要求。

2.3 运行方式的选择

单轨吊运行方式决定运输效率，常见的运行方式有多机同时运行、单机运行、双机接力运行3种方式：①多机同时运行。在运输任务重且巷道空间容许的条件下，多台单轨吊在轨道网络系统内运行，相互不受影响，各台单轨吊均可完成点对点运输任务，此时运输效率最高。②单机运行。在运输量小、单轨布置的巷道内可以采用单机运行方式。其缺点是巷道长，单机运输时间长，效率低。③双机运行。在一些长度超过1 000 m的巷道内承担大量安装回撤任务时，2台单轨吊可以接力同时运输，大大提高运输效率。

3、“三软”煤层条件下，单轨吊运输系统的优缺点

3.1 不同辅助运输对比分析

“三软”煤层条件下，单轨吊运输系统与有轨运输系统及无轨胶轮车运输系统对比分析，见表3。

表3 不同辅助运输系统对比  

3.2 单轨吊运输系统的优缺点

(1）单轨吊运输系统适用于巷道顶板相对稳定、底板变形严重的软岩巷道，其车体宽度小，运输路线固定，对运输巷道空间的要求较低。

(2）单轨吊运输网络形成后，能够实现平巷—斜巷、多弯道、多岔道、多坡度的连续直达运输，可以一次运输多辆车，自带装卸功能，用人少、运输效率高。

(3）单轨吊运输系统安全制动系统可靠，较无轨胶轮运输及轨道运输安全事故率低。

(4）单轨吊适用坡度大，换装环节少，可以有效减少矿建工程量，节约大量建设投资。

(5）防爆柴油机单轨吊尾气排放量大，散热量大，空气污染严重，易导致监测系统报警。防爆蓄电池单轨吊受蓄电池容量限制，续航里程不长，影响使用效率。

3.3 软岩条件下使用单轨吊系统需注意的问题

软岩巷道自身强度低，易变形导致支护失效。必须采取相应工程措施以保证单轨吊轨道悬挂点的长期可靠性。清水营煤矿通过注浆对巷道顶板进行改性加固，对悬吊锚杆或锚索进行二次注浆，保证全长锚固质量，实现了“天轨”固定的可靠性。

4、结语

研究表明，在“三软”煤岩条件下，通过优化巷道硐室设计参数，合理选择轨道悬挂方式，加强软岩锚固支护质量，构建覆盖矿井的单轨吊辅助运输网络，合理调配单轨吊设备运行方式，减少换装环节，单轨吊运输方式比其他辅助运输方式有着更好的适应性和安全性，能够满足高产高效现代化矿井对辅助运输的各项需求。

参考文献:

[1]庄严.煤矿井下单轨吊车的选型计算[J].矿山机械,2010,38(5):44-46.

[2]彭天府.煤矿井下单轨吊车辅助运输系统设计应用[J].机械研究与应用,2020,33(3):214-216.

[3]张荣立.煤矿工程设计手册[M].北京.煤炭工业出版社,2002.

文章来源:张国宁.“三软”煤层单轨吊运输系统设计与应用研究[J].能源科技,2023,21(05):35-40.