建筑技术丨一种矿山轨道运输系统在特大型泥石流防治中的研究及应用

矿山轨道运输技术在采矿工程中应用广泛，可有效提高运输效率。但矿山轨道运输存在运输间断性的缺点，适用的巷道坡度有局限性（一般为3‰~5‰），线路坡度过大时难以保证运输安全。目前矿山轨道运输技术在泥石流治理中尚较少报道，仅在抗滑桩施工中见有个别论述，泥石流治理中常见的运输方式是修建施工道路，但一般坡度大于15%及岸坡较陡的沟谷不适合修建道路，若大范围修建弯道则易破坏生态环境，还可能造成滑坡等次生地质灾害的发生。将矿山轨道运输技术用于泥石流治理中，需要解决沟道较陡的难题，如何保证运输效率和安全是值得研究的课题。1、工程概况茶园沟泥石流位于四川省安县高川乡境内，茶园沟厂区北临群山，海拔1 800 m，沟向南倾斜，白水河北支流从沟底流过。厂区至高川乡有公路相通，厂区内有硬化水泥路面，工程区交通便利。该沟流域面积3.8 k㎡，沟床平均纵坡比降202‰，主沟长度3.4 km，沟岸斜坡坡度较陡，一般在30°～70°，局部为陡崖地貌。茶园沟流域内威胁较大的支沟主要有邱家沟、天须沟、长坡沟、田家沟、打矛子沟及大槽沟。根据勘查资料，沟域内松散固体物质极丰富且分布较分散，主要是崩塌堆积物、沟道堆积物及坡面侵蚀物源，总储量115.9×104 m³，可能参与泥石流活动的动储量为84.81×104 m³。茶园沟1960年曾发生过一次大规模泥石流灾害，但未造成人员伤亡；“5.12”地震后分别于2009年7月17日（简称“7.17”）、2010年8月13日（简称“8.13”）及2011年7月21日（简称“7.21”）发生过泥石流灾害。2009年和2010年泥石流规模为大型，泥石流频率为100年一遇。茶园沟沟域地势陡峻，主沟25°~35°和不小于35°的坡地面积占流域总面积的85.29%；支沟25°~35°和不小于35°的坡地面积占流域总面积的95.08%，即流域内主要以陡坡为主，沟谷纵坡较大，有利于降雨汇集。据勘查资料，茶园沟沟口20年一遇泥石流流量达270 m³/s，属特大型泥石流。治理工程共在流域中下游布置12座拦挡坝，其中最大有效坝高15 m，单体混凝土约0.6×104 m³。2、轨道运输线路布置因天须沟治理工程最多，共设4座高坝，轨道运输距离最长且难度最大，故以天须沟为例。茶园沟–天须沟海拔480~532 m平均坡度15%（8.5°），可修建施工便道采用汽车运输材料。天须沟内海拔532~715 m平均坡度33%（18.3°），不能直接沿沟谷修建简易公路，故沿沟谷修建窄轨运输线路，采用绞车运输（提升）工程所需设备和材料。由于每级绞车提升轨道线路平面投影须为直线，且受绞车容绳量（提升距离）的限制，海拔532~715 m之间沟谷需划分为3段，故采用三级提升接力运输设备材料（图1）。图1B-B段轨道纵断面示意第一级提升斜坡（+532 m）设下部车场用于材料设备转运，安设两副单开道岔。第一级与第二级提升斜坡间设接力车场，安设单开道岔和对称道岔各1副。第二级与第三级提升斜坡之间设接力车场，安设2副单开道岔。第三级提升设上部车场（+715 m），安设2副单开道岔。3、轨道规格及设备选型根据该工程提升运输量、服务期和山区斜坡运输要求，修建临时窄轨运输线路较合理。根据有关规范，运输线路铺设22 kg/m钢轨，轨距600 mm，使用水泥轨枕，石渣道床。提升斜坡轨道最大坡角不大于25°。选用较易采购的煤矿用轨道运输车辆（矿车）作为主要运输设备。运输粉状、粒状、块状材料采用0.75 m³翻斗式矿车共40辆（KUF0.75-6型）,运输一般材料采用1 t材料车2辆（MC1-6A型）。运输设备采用2 t平板车1辆（MPC2-6型），运输较大型设备采用MPC5-6型平板车1辆。本项目绞车主要用于斜坡搬运施工设备和运输建筑用材料，搬运重型设备时，需绞车低速运行，有较高的静张力；而运输水泥、石粉等材料则需较高的速度，以提高运输效率。项目工期较短，大型绞车难以搬运到陡坡上进行安装，故临时绞车道不选用滚筒直径较大的提升绞车，而选用双速多功能绞车较合适（图2）。图24-4剖面示意初步考虑选用JSDB-19型双速多功能绞车，电机功率45 kW，容绳量400 m。快速运行模式绳速1.5 m/s，外层最大静张力25 kN；慢速运行模式平均绳速0.145 m/s，外层最大静张力190 kN。4、轨道受力计算4.1计算依据轨道提升分三级，各级提升服务范围和时间不同，一级服务整个工程施工期间，二级服务二、三、四号坝施工期间，三级只服务一号坝施工期间。根据各坝体方量计算提升量及参数见表1。表1轨道运输计算主要参数4.2计算一次提升量4.2.1计算提升斜长式中：LD为井底车场内提升长度，取10 m；Lk为井口车场内提升长度，取10 m。4.2.2绞车一次提升循环时间绳速v=1.5 m/s，摘挂钩时间40 s，提升距离为250 m。绞车一次提升循环时：T=374 s。4.2.3绞车一次需要提升量式中：Qr为提升不均衡系数，取1.25；An为日提升量，441 t；T为一次提升循环时间，经计算取374 s；t为日工作时数，取16 h。根据计算，绞车需要一次串车提升4辆车。4.3绳端荷重绳端荷重计算公式：式中：Q0为钢丝绳终端荷重（N）；n为每次提升矿车数目（个）；m1为矿车自重（kg）；m2为每辆矿车装载量（kg）。4.3.1按提升材料计算提升材料时一次提升4个矿车，矿车自重550 kg，载重1 000 kg，Q0=21 248 N。4.3.2按提升设备计算提升设备时采用一个MPC5-6平板车装载，平板车自重900 kg，最大载重8 000 kg，Q0=30 344 N。4.4钢丝绳选择计算钢丝绳单位长度重量的公式为：式中：Ps为钢丝绳单位长度重量（kg/m）；σB为钢丝绳钢丝的极限抗拉强度，取1 570 MPa；ma为安全系数，取6.5；L0为钢丝绳最大斜长（230 m）；γ0为钢丝绳的密度（9 550 kg/m³）；β为提升倾角（19.5°）；f2为钢丝绳移动时阻力系数，取0.25。（1）按提升材料计算，Ps=1.05 kg/m。（2）按提升设备计算，Ps=1.50 kg/m。考虑可能提升重型设备，适当选用较大直径钢丝绳。查钢丝绳规格表选用6×19S+FC-24-1570-I型钢丝绳，d=24 mm,PSB=2.12 kg/m,Qd=298 000 N。4.5钢丝绳安全系数校核（1）按提升材料计算，每次提升4个煤车，钢丝绳安全系数m=12.5>6.5，符合规范规定。（2）按提升设备计算，按提升最大不可拆卸部件质量8 t计算，经计算钢丝绳安全系数m=9.0>6.5，符合规范规定。4.6绞车上的最大静张力4.6.1按提升材料计算提升一般材料时绞车采用快速运行模式，此时绞车卷筒外层最大静张力为25 kN。经计算，每次提升4车，作用在绞车上的最大静张力F′m=23 881 N<25 000 N，满足绞车强度要求。4.6.2按提升设备计算提升设备或钢材等采用慢速运行模式，此时绞车卷筒外层最大静张力为190 kN。按提升最大不可拆卸部件质量8 t计算，作用在绞车上的最大静张力F′m=30 387 N<190 000 N，满足绞车强度要求。4.7电机功率计算JSDB-19型双速多功能绞车配电机功率45 kW，以下分2种运行情况进行验算。式中：N为电机功率（kW）；KB为电动机的备用系数（1.1）；F′cm为作用在绞车上的最大静张力（23 953 N）；VmB为绞车提升速度（1.5 m/s）；ηc为传动效率（0.95）。4.7.1按提升材料计算提升材料时绞车采用快速运行模式，绳速1.5 m/s，经计算，N=41.5 kW<45 kW，符合要求。4.7.2按提升设备计算提升设备或钢材等采用慢速运行模式，绳速0.145 m/s，经计算，N=5.1 kW<45 kW，符合要求。JSDB-19型双速多功能绞车配电动机功率为45 kW，电压380 kV，满足运输材料和设备的要求。5、轨道安全装置5.1信号装置（1）各车场和绞车操作处设信号，信号应声光俱备（车场信号装置设在变坡点处）。（2）每个提升装置须装有上、下车场之间双向信号装置。各车场之间、摘挂钩工与绞车司机之间，除有信号装置外，还须装设直通电话。5.2斜坡防跑车装置所有提升斜坡均安设“一坡三挡”装置。（1）在提升坡道安设能阻止运行中断绳、脱钩车辆住跑车防护装置。（2）在上部平车场接近变坡点处安设能阻止未连挂的车辆滑入斜坡的阻车器。（3）在变坡点下方略大于1列车长度的地点设置能防止未连挂的车辆继续往下跑车的挡车栏。5.3其他安全措施（1）在提升斜坡上端留13 m的过卷距离。（2）提升斜坡轨型应大于22 kg/m，轨距600 mm。（3）提升道坡口设坡口地滚，斜坡每隔20 m设一个托绳地滚；在每个甩车场入口钢绳变向地点每隔5 m设置一个立滚。（4）提升时严禁蹬钩和行人；以防断绳跑车、脱轨掉道和翻车事故伤人；运送物料时，开车前把钩工须检查牵引车数、各车的连接和装载情况；发现牵引车数超过规定，连接不良或装载物料超重、超高、超宽或偏载严重有翻车危险时，严禁发出开车信号。（5）使用中的绞车钢丝绳须每天检查。注意钢丝绳的磨损、断丝及锈蚀情况，钢丝绳在一个捻距内的断丝面积达到总断面积10%时必须更换。（6）钢丝绳锈蚀严重或点蚀麻坑形成沟纹或外层钢丝绳松动时，不论断丝数多少或绳径是否变化均须立即更换，严禁使用有接头的钢丝绳。（7）在绞车道的上、下车场设信号及长1.5 m，宽1.5 m，高2.0 m的躲避洞，以保护绞车工和摘挂钩工等作业人员不受跑车伤害（图3）。图311-11剖面示意（8）绞车道设“行