一种评估单车道斜坡道通过能力及确定错车道间距的方法

摘要

本发明涉及一种评估单车道斜坡道通过能力的方法，包括：得到空重车对向行驶的安全行车距离S

说明书

技术领域

本发明涉及采矿技术领域，特别是涉及一种评估单车道斜坡道通过能力 及确定错车道间距的方法。

背景技术

井下斜坡道，简称斜坡道，是用于通行无轨设备、运输矿石和无轨设备 出入井下的倾斜通道。运输矿石直通地表的主要斜坡道，构成斜坡道开拓， 或与其他井巷联合使用，构成联合开拓。斜坡道开拓是随着无轨设备技术的 发展而发展起来的，坑下无轨技术的发展，使大型的无轨设备应用于坑下矿 山的开采，提高了矿床的开采强度，同时降低了工人的劳动强度。国外发达 国家由于无轨设备发展较早，斜坡道开拓应用较广。

中国于20世纪70年代在矿山开始建设斜坡道，限于国内应用于矿山的 无轨机械化设备发展较慢，满足不了坑下矿山作业条件的需要，采用进口设 备，造价高，成本也较高等因素，斜坡道应用仅限于个别装备化水平较高的 矿山，如：程潮铁矿、凡口铅锌矿、金川镍矿等。近年来，尤其是进入二十 一世纪，国内大型坑内矿广泛采用了无轨自行设备，斜坡道在国内矿山应用 越来越广泛，新建的大型、超大型矿山普遍设有斜坡道。斜坡道在矿山生产 中已占有举足轻重的地位。斜坡道运输中不必经过转载，直达目的地，节省 时间，灵活性大，能提高作业效率。

运输矿石的斜坡道的为主斜坡道，运输人员、材料及设备的为辅助斜坡 道。由于斜坡道在国内发展较晚，多数矿山还主要作为辅助斜坡道应用，除 基建阶段运输废石以外，生产期间不运输矿（废）石，主要作为无轨采掘设 备、人员、材料出入井下的通道，所以一直没有一种较为科学的计算方法， 来评估斜坡道的通过能力以及错车道设置的原则，尤其是单道行驶的斜坡 道，更没有一种科学方法来进行计算。给技术人员在设计和验算斜坡道的通 过能力、以及错车道如何设置带来一定的困难，通常只能通过类比法来进行 设计。

但在矿山开采的特殊时期，如主、副井提升系统遭受重创不能用于提升 矿石或原有提升系统不能满足生产需求的情况下，借助斜坡道解决运输矿石 却属于常用措施，因此，解决斜坡道通过能力的评估问题、合理确定错车道 布置问题，是矿山领域中急需解决的问题。

本发明在借鉴地表露天汽车运输计算方法的基础上，结合坑下单车道斜 坡道行驶的特点，提出了一种较为实用的计算方法，该方法可根据单道斜坡 道设计的相关参数，由已知的矿山斜坡道参数（包括错车道间距），来验算 建成的单车道斜坡道通过能力（本发明中单车道斜坡道通过能力即是年运输 能力），或由矿山设计的单车道斜坡道通过能力，确定出错车道的合理间距， 为矿山的科学决策提供依据。

发明内容

本发明提出了一种评估单车道斜坡道通过能力及设置错车道间距的方 法，用于解决验算斜坡道的通过能力以及确定错车道间距的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种评估单车道斜坡道通过 能力的方法，基于已知的错车道间距L，包括，具体步骤包括：

步骤1，分别得到下行空车之间的安全行车距离S_T空和上行重车之间的 安全行车距离S_T重，并将S_T空和S_T重的和作为空车和重车对向行驶时的安全行 车距离S_T；

步骤2，根据已知的错车道间距L和确定的空车下行速度V_空，并以L 除以V_空的商作为空车在两个错车道之间的的运行时间t₁；

步骤3，确定空车和重车的会车时间t₂以及重车上行速度V_重，按以下 公式计算出同向行驶的重车间的平均间距I_重：I_重=L+((t₁+t₂）×V_重)+S_T；

步骤4，将I_重除以V_重的商作为单车重车上行时两重车之间的平均间隔 时间，取该平均间隔时间的倒数得到小时行车密度N_重；

步骤5，确定年作业时间t₃、车有效载重G和运输不均衡系数K,按以下 公式计算出单车道斜坡道通过能力Q:Q=N_重×G×t₃/K。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1中下行空车之间的安全行车距离S_T空和上行重车之 间的安全行车距离S_T重均为其对应的制动安全距离、司机反映行驶距离和停 车安全距离之和，且其中的制动安全距离根据汽车停车制动原理确定。

进一步，执行所述步骤2和所述步骤3之前，需提前设定车辆经过错车 道时的避让原则：上行的重车是连续行驶，下行空车避让重车；重车的间距 要能满足空车有时间向下行驶，并能在不影响重车行驶的情况和重车会车； 重车每通过一个错车道都有一辆空车与之会车；相向运行的重车和空车在交 汇期间必须有足够的安全距离；同向行驶的重车或空车必须保持足够的安全 距离。

进一步，所述步骤5中年作业时间t₃的确定方法为：分别确定班工作时 数、日工作班数和年工作日，再用三者之和乘以时间利用系数，获得年作业 时间T。

本发明的技术方案还包括一种设置错车道间距的方法，已知矿山设计需 要的斜坡道通过能力，并基于该已知的单车道斜坡道通过能力，计算合理的 错车道间距，包括如下步骤：

步骤A，确定单车道斜坡道通过能力Q、年作业时间t₃、车有效载重G 以及运输不均衡系数K,按以下公式计算出单车重车上行的小时行车密度N_重: N_重=(Q×K)/(G×t₃);

步骤B，确定重车上行速度V_重，将V_重除以N_重的商作为同向行驶的重车 间的平均间距I_重；

步骤C,分别得到下行空车之间的安全行车距离S_T空和上行重车之间的 安全行车距离S_T重，并将S_T空和S_T重的和作为空车和重车对向行驶时的安全行 车距离S_T；

步骤D,确定空车和重车的会车时间t₂以及空车下行速度V_空,采用以下 公式计算错车道间距L：L=[I_重-S_T-（V_重×t₂）]×V_空/(V_空+V_重)。

进一步，所述步骤A中年作业时间t₃的确定方法为：分别确定班工作时 数、日工作班数和年工作日，再用三者之和乘以时间利用系数，获得年作业 时间T。

进一步，所述步骤A中取小时行车密度N_重的倒数，得到两重车之间的 平均间隔时间。

进一步，所述步骤C中下行空车之间的安全行车距离S_T空和上行重车之 间的安全行车距离S_T重均为其对应的制动安全距离、司机反映行驶距离和停 车安全距离之和，且其中的制动安全距离根据汽车停车制动原理确定。

本发明的有益效果是：本发明综合考虑了坡道的坡度、错车道间距、汽 车制动参数、汽车行驶速度等，实现了斜坡道通过能力的验算，同时还可以 根据以上计算原理，根据设计的年运输能力优化设计的重要参数，如错车道 间距，最大限度地发挥出其运输潜力。

附图说明

图1为本发明所述一种评估单车道斜坡道通过能力的方法的流程示意 图；

图2为本发明所述一种评估单车道斜坡道通过能力的方法的实施流程 图；

图3为反映错车道间距和年运输能力的相互关系的坐标示意图；

图4为本发明所述确定合理错车道间距的方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

在实际中，斜坡道建好后，其真实的斜坡道通过能力未必能满足矿山需 要。因此，如图1所示，在已知错车道间距、坡度等参数的前提下，本实施 例提供了一种评估单车道斜坡道通过能力的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，分别得到下行空车之间的安全行车距离S_T空和上行重车之间的 安全行车距离S_T重，并将S_T空和S_T重的和作为空车和重车对向行驶时的安全行 车距离S_T；

步骤2，根据已知的错车道间距L和确定的空车下行速度V_空，并以L 除以V_空的商作为空车在两个错车道之间的的运行时间t₁；

步骤3，确定空车和重车的会车时间t₂以及重车上行速度V_重，按以下 公式计算出同向行驶的重车间的平均间距I_重：I_重=L+((t₁+t₂）×V_重)+S_T；

步骤4，将I_重除以V_重的商作为单车重车上行时两重车之间的平均间隔 时间，取该平均间隔时间的倒数得到小时行车密度N_重；

步骤5，确定年作业时间t₃、车有效载重G和运输不均衡系数K,按以下 公式计算出单车道斜坡道通过能力Q:Q=N_重×G×t₃/K。

其中，所述步骤1中下行空车之间的安全行车距离S_T空和上行重车之间 的安全行车距离S_T重均为其对应的制动安全距离、司机反映行驶距离和停车 安全距离之和，且其中的制动安全距离根据汽车停车制动原理确定。

另外，执行所述步骤2和所述步骤3之前，需提前设定车辆经过错车道 时的避让原则：上行的重车是连续行驶，下行空车避让重车；重车的间距要 能满足空车有时间向下行驶，并能在不影响重车行驶的情况和重车会车；重 车每通过一个错车道都有一辆空车与之会车；相向运行的重车和空车在交汇 期间必须有足够的安全距离；同向行驶的重（空）车必须保持足够的安全距 离。所述步骤5中年作业时间t₃的确定方法为：分别确定班工作时数、日工 作班数和年工作日，再用三者之和乘以时间利用系数，获得年作业时间。

基于上述五个基本步骤以及相应注意事项，如图2所示，本实施例计算 单车道斜坡道通过能力的具体流程为：

（一）下行空车粘着系数计算

                 ￠_b=K_￠￠    （1）

式（1）中：￠_b——计算粘着系数；

K_￠——计算粘着系数与理论粘着系数之间的系数，取为0.55；

￠——粘着系数,取为0.4；

则计算可得：￠_b=0.22。

这里，粘着系数是机动车动轮和地面接触点上的静摩擦系数，即相对速 度趋于零时的滑动摩擦系数。它同许多因素有关，先选定采用的路面或路面 状况，再根据实际情况按技术规范来确定粘着系数。本实施例的适用情况是 采用固定线，其计算粘着系数与理论粘着系数之间的系数,一般取0.5～0.6， 这里取0.55。

（二）按式（1），取K_￠为0.55，￠为0.3，计算上行重车粘着系数￠_b1=0.165。

（三）计算上行重车的制动安全距离（即是上行重车开始制动到完全停 住所行使的距离）。采用公式如下：

          I₂=K₁×v²/254(￠_b1+￠₀+i)    （2）

式（2）中：I₂——汽车开始制动到完全停住所行使的距离，m；

K₁——制动使用系数,按技术手册一般取为1.3～1.4，这里取1.4；

v——汽车平均运行速度,取10Km/h；

￠_b1——计算出的上行重车粘着系数，0.165；

￠₀——滚动阻力系数，其按技术手册确定，这里取0.03；

i——道路纵坡，取8%，上坡为正，下坡为负。

计算可得上行重车的制动安全距离I₂=2.0m。

（四）上行重车的司机反应行驶距离（即司机观察反应时间内所行使的 距离）。采用公式如下：

             I₁=vt        （3）

式（3）中：I₁——司机观察反应时间内所行使的距离，m；

v——汽车平均运行速度，取10Km/h；

t——司机观察反应时间,一般取1.5～2s；

计算得I₁=5.6m。

这里，反应好的驾驶员一般的反应时间在0.4—0.6s之间。驾驶员受危急 惊吓时反应时间大多会大于1s，甚至产生把油门当刹车踩的错误。反应在 1.5s以内属正常，当超过2s时被认为不正常。

（五）同一方向上重车之间安全行车距离S_T重

            S_T重=I₁+I₂+I₀     （4）

式中：S_T重——同一方向上重车汽车之间安全行车距离，m。

I₁——司机观察反应时间内所行使的距离,已计算出为5.6m。

I₂——汽车开始制动到完全停住所行使的距离,已计算出为2.0m。

I₀——停车安全距离,一般取汽车全长，12m。

因此，计算出S_T重=19.6m。

（六）、第（一）部分中已计算出下行空车的粘着系数￠b=0.22，取下行 空车的滚动阻力系数￠₀为0.05，其余参数的取值与（三）至（五）中相同， 按公式（2）计算下行空车的制动安全距离I₂’=6.5m，并按公式（3）计算出 下行空车的司机反应行驶距离I₁’=8.3m，再按步骤（4）计算出同一方向上 下行空车之间安全行车距离S_T空=I₁’+I₂’+I₀=26.8m。

（七）、将下行空车的安全行车距离S_T空和上行重车的安全行车距离S_T重的和作为空车和重车对向行驶时的安全行车距离S_T，即

         S_T=S_T重+S_T空   （5）

计算得S_T=46.4m。

（八）、空车在两个错车道之间的运行时间t₁：

             t₁=L/V_空    （6）

式中：t₁——空车在两个错车道之间的运行时间，s；

L——错车道间距,取210m；

V_空——空车下行速度,取15Km/h。

计算得t₁=50.4s。

在实际中：矿用汽车运输的单车道巷道内，每隔150-200m，左右设置一 个错车道（也称会让站或停车安全硐室）。辅助运输的单线巷道内，每隔 300-500m设置一个错车道；经过错车道时，需事先约定避让原则，避让原 则如上描述。

（九）计算同向行驶的重车间的平均间距I_重:

       I_重=L+(t₁+t₂)×V_重+S_T    (7)

式(7)中：I_重——重车平均间距，m;

L——错车道间距,取210m；

t₁——空车在两个错车道之间的运行时间,已计算出为50.4s；

t₂——空重车会车时间,取15s；

V_重——重车上行速度,取10Km/h；

S_T——同一方向上汽车之间安全行车距离,46.4m。

计算出I_重=438m。

（十）两重车之间的平均间隔时间T

        T=I_重/V_重    （8）

式中：T——两重车之间的平均间隔时间，min;

I_重——重车平均间距，由上步计算出为438m；

V_重——重车上行速度，取为10Km/h。

计算出T=2.63min。

（十一）重车的小时行车密度N_重：

      N_重=1/T   （9）

式中：N_重——小时行车密度（单行）,辆/h；

T——两重车之间的平均间隔时间，由上步计算出为2.63min。

计算出N_重=22.8辆/h。

（十二）单车道斜坡道通过能力Q（也即是斜坡道矿石年运输量，或称年 运输能力）：

    Q=N_重×G×S×C×H×K₂/K  （10）

式（10）中：Q——斜坡道年运输量，万t；

N_重——小时行车密度（单行）,22.8辆/h；

G——汽车有效载重，t；

S——班工作时数,8h；

C——日工作班数,3班；

H——年工作日,330d/a；

K₂——时间利用系数，取0.75；

K——运输不均衡系数，取1.1。

式（10）中S×C×H×K₂表示年作业时间。

时间利用系数与电铲、汽车的完好状况及工作制度有关，一般按下表采 用。矿山一般采用三班制，所以取0.75。

运输不均衡系数应根据矿山具体情况确定，一般取1.05～1.15，生产规模 越大，装运条件好取小值，反之取大值，这里取为1.1。

经计算，单车道斜坡道通过能力Q=246万t。

对于上述计算过程，需说明三点：

1）关于涉及的各运行速度的取值，这是汽车在坡度为8%的固定道路上 的平均速度取值，需根据施工的实际情况（如运距、运矿、运岩、汽车类型 等）确定。

2）本实施例对参数取值未做特别说明的，一般按技术规范或实际经验 进行取值。

3）进行各公式的运算时，要注意单位的换算。

结合上述方案，下面以一个具体例子来说明，已知：某斜坡道长度为 3180m，断面尺寸为：4×3.33，斜坡道的平均坡度为8%，错车道间距为230m， 行车路面为水泥土路面，路面清洁干燥。有效载重量为：20t，汽车有效长度 为10m，重车上行的平均速度为4km/h，空车下行的平均速度为：6km/h。

工作方式：实现三八工作制，年工作日为330天。

根据路面情况、路面类型和路面状况确定系数，相关系数取值如下表1 所示：

表1、系数取值表

1、计算安全距离，如表2所示

表2、安全距离计算表

2、计算重车上行小时行车密度

表3、小时行车密度计算表

3、计算斜坡道年运输量，即单车道斜坡道通过能力，如表4所示。

表4、单车道斜坡道通过能力计算表

根据上述计算结果，可得出以下结论：

（1）通过以上能力验算，最终得该斜坡道的年运量为101.19万吨/年。 基本能满足该矿年生产矿量100万吨/年的要求。

（2）提供一种验算原有矿山设计生产能力的方法。由以上计算过程可知， 影响年运输能力的因素有很多，如与行驶路面条件密切相关的各种系数取 值，汽车性能参数如汽车制动性能、运行速度、载重量、时间利用系数等， 针对斜坡道的设计参数：错车道间距设置、斜坡道坡度，分析以上两个重要 参数对斜坡道年运输能力的影响，即进行单因素敏感性分析。

1）以错车道间距为不确定因素，分析年运输能力变化

根据设计手册，矿用汽车运输的单车道巷道，一般每隔150-200m左右设 置一个错车道（停车安全硐室、会让站）。按50米间隔取值，其它参数取值 不变，计算年运输能力，结果如表5所示。

表5错车道间距与斜坡道运输能力的相互关系

错车道间距（m） 150 175 200 225 250 275 300 年运输能力（万t/年） 147.5 128.86 114.16 103.2 93.8 86.7 79.47

根据表5的数据绘制坐标图，如图3所示，可明显看出变化趋势，由此 可知，错车道间距是影响斜坡道运输能力的敏感性因素。

2）以斜坡道坡度为不确定因素，分析年运输能力变化

按照设计规程，斜坡道主要用途为运输矿岩时，最大坡度不能超过12%， 一般为10%.设置斜坡道坡度变化范围8%～12%，按1%间距递增，分析年运 输能力的变化情况，如表6所示。

表6斜坡道坡度与斜坡道运输能力的相互关系

坡度（%） 8% 9% 10% 11% 12% 年运输能力（万t） 101.19 101.18 101.17 101.15 101.13

由此可知，坡度的变化对年运输能力的影响很小，为非敏感性因素。

由以上分析可知，设计参数中，错车道间距是制约斜坡道发挥其最大运 输能力的重要因素。因此，在按上述分析后，已知矿山设计的或矿山需要达 到的斜坡道通过能力，并基于该单车道斜坡道通过能力，本实施例还给出了 一种确定合理错车道间距的方法，如图4所示，包括如下步骤：

步骤A，确定单车道斜坡道通过能力Q、年作业时间t₃、车有效载重G 以及运输不均衡系数K,按以下公式计算出单车重车上行的小时行车密度N_重: N_重=(Q×K)/(G×t₃);

步骤B，确定重车上行速度V_重，将V_重除以N_重的商作为同向行驶的重车 间的平均间距I_重；

步骤C,分别得到下行空车之间的安全行车距离S_T空和上行重车之间的 安全行车距离S_T重，并将S_T空和S_T重的和作为空车和重车对向行驶时的安全行 车距离S_T；

步骤D,确定空车和重车的会车时间t₂以及空车下行速度V_空,采用以下 公式计算错车道间距L：L=[I_重-S_T-（V_重×t₂）]×V_空/(V_空+V_重)。

各步骤中参数，如年作业时间、两重车之间的平均间隔时间以及安全行 车距离等，其具体的计算过程与单车道斜坡道通过能力中的计算过程相同， 可参考上述相应公式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。