一種地下礦山斜井維護作業平臺的設計及應用

韋 黃家政

摘 要：為降低地下礦山斜井井筒維護作業的作業難度，減少作業時危險性，制作一種可調節角度斜井維護作業平臺。

關鍵詞：斜井;平臺;孔距;三角函數

中圖分類號：TV554;TD77 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-5168（2021）27-0037-04

Abstract： In order to reduce the difficulty and risk of inclined shaft maintenance in underground mine，this paper discussed and made an adjustable angle inclined shaft maintenance platform.

Keywords： inclined shaft;platform;hole spacing;trigonometric function

斜井提升是地下礦山的一種主要提升方式;斜井在使用的過程中，井筒會出現片幫、松石、冒頂、滴水等事件，影響斜井設備設施（管道、電纜、軌道、箕斗等）的運行和使用，因此必須對井筒進行經常性的管道線路維護、松石處理、錨網支護、安裝擋雨棚等井筒維護作業。

1 地下礦山傳統的斜井維護作業方式及其存在問題

1.1 傳統的斜井井筒維護作業方式

①傳統的斜井井筒維護作業方式包括在斜井提升箕斗上鋪設木板或錨網，作為作業平臺。

②用鋼管、木板搭建腳手架作為作業平臺。

1.2 存在問題

以上兩種作業方式對井筒的維護作業都存在作業難度和強度大、耗時長、耗材無法回收利用的問題，并存在平臺坍塌、人員滑倒、高處墮落等的安全隱患。

案例一，2017年6月15日，A外包工程公司3名員工在3#盲斜井井筒進行鉆機錨網支護作業，他們在箕斗上鋪設錨網作為作業平臺;由于井筒頂板滴水，錨網面濕滑，其中一名員工腳底打滑，從平臺上落下，身體多處被錨網邊緣鋼筋刺傷，腳關節骨折，醫療費直接損失15 000元。

案例二，2018年9月27日，B外包工程公司5名員工在8#盲斜井安裝猴車架線電纜時，1人從箕斗上跌落，肋骨骨折，醫療費直接損失38 000元。

2 解決方案

針對以上存在的問題，作者發明了一種斜井可調節水平[1-2]維護作業平臺。該作業平臺以礦用平板車作為底座，在底座上安裝由撐桿支架和水平支架及固定橫梁構成的可調節角度三角形機構[3]作為斜井作業平臺，如圖1所示。作業時，斜井卷揚機鋼絲繩牽引平板車，信號工打信號指示平板車到達斜井作業地點，作業人員在作業地點架設隨車運送的平臺支架和錨網（或木板）形成作業平臺進行斜井維護作業。作業結束后，平臺支架和錨網（木板）等物料隨平板車由卷揚機牽引返回作業原始地馬頭門進行回收，重復使用。

該平臺經過設計可根據作業環境需要，在人體平衡穩定極限（Limit of Stability，LOS）前后擺動角度范圍內[4]（≤12.5°[4]，本文設計和計算采用12°，下同）進行上下調節，使人員在斜井中間作業時人體重心保持平衡，防止發生人員滑倒、高處墮落等的安全事故發生，增加作業安全性。

3 作業平臺設計及制作

3.1 平臺設計

3.1.1 設計目的。隨著公司提升任務增加，提升系統的日常維護工作量也隨著增加，作業人員發生安全事故的概率增加，經統計，從2016年1月到2019年12月，4年內公司在斜井維護作業過程中發生了4起安全事故，年均1起;其中3起輕傷，1起重傷，主要原因都是由于搭建的臨時作業平臺傾斜角度大，人體失去平衡穩定性，導致作業人員發生滑倒、墜落事故。因此，需要發明一種能使人體保持平衡的斜井維護作業平臺，確保斜井維護作業人員的人身安全，減少安全事故發生。

3.1.2 設計要求。由于地下礦山斜井掘進時對巷道的規格要求不太嚴格，在后期進行井筒維護時，需要根據斜井的頂底板的變化對作業平臺進行一定角度調節，因此本文所述的作業平臺在斜井中間需可按人體平衡穩定極限前后擺動角度范圍內（≤12°）進行上下調節，以適應巷道變化需要。

3.1.3 設計過程。要實現設計的目的和要求，設計過程需要滿足以下三點，如圖1所示。①平臺撐桿支架和水平支架有多種連接組合方式;②撐桿支架和水平支架組合通過螺孔用螺栓固定;③平臺調節的角度由連接螺孔孔距確定。

3.1.3.1 平臺連接組合方式。平臺連接是設計過程的基礎要素，連接的設計和選擇決定平臺的最終模式。如圖2所示，平臺撐桿支架和水平支架的連接組合方式，本文給出三種連接方式：①撐桿支架單孔和水平支架多孔連接，如圖2（a）所示;②撐桿支架多孔和水平支架單孔連接，如圖2（b）所示;③撐桿支架和水平支架多孔連接，如圖2（c）所示。

三種連接方式的設計計算原理基本相同，可用三角函數正弦定理（Law of Sines）或余弦定理（ Law of Cosine ）計算出連接孔孔距。本文以圖2（a）：撐桿支架單孔和水平支架多孔連接方式進行計算并制作平臺。

3.1.3.2 支架孔距和調節角度關系。根據人體平衡穩定極限（Limit of Stability，LOS），前后方向的最大擺動角度約為12.5°，本文取12°，受斜井巷道頂板影響，平臺無須向上調節，則向前擺動角度為6°;作者所在礦山使用的斜井傾角為30°，下面計算各連接孔孔距。

如圖3，斜井傾角∠A=30°，平板車固定孔2和孔6之間距離為3 000 mm，撐桿支架孔1和孔2之間距離為1 500 mm。平臺傾角[5]向下調節角度為6°，調節2次，每次調節角度為3°，則平臺的水平支架和斜井夾角A分別為30°、27°、24°，以圖3（a）連接方式用三角函數正弦定理（The Law of Sines，a/sinA=b/sinB=c/sinC）分別計算孔3、4、5到孔6之間的距離S，如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示。

結果如表1所示。

說明，表1中S3-6表示孔3到孔6之間距離，依此類推。

3.1.3.3 平臺材料選擇和支架連接的受力分析

①平臺作業時的外在承重和本身自重總和m=3人×80（kg）+鉆機（50 kg）+平臺自重（150 kg）+其他工具（20 kg）≈500 kg，G=mg=4 900 N;平臺撐桿支架和水平支架采用L70×70×5角鋼，其最大承載力為117 700 N>4 900 N，完全可以滿足作業中的承重需要。

②平臺的受力點主要集中在各連接孔的螺栓上，平臺連接采用M20螺栓，下面以承重力F=mg=500×9.8=4 900 N計算螺栓所受最大剪切力。以調節角度為24°為例進行計算和驗證，如圖3（c），其力學模型如圖4所示。

a.受力計算

如圖4，A點的承重力F分解為撐桿支架方向力F1和水平支架方向力F2，F=4 900 N，根據平行四邊形法則，計算得F1=5 991 N，F2=2 972 N;且F1是整個平臺各受力點最大的剪切力，因此，如果A點螺栓受的剪切力F1符合設計要求，則其他點也符合，下面驗證F1。

b.驗證

螺栓需用剪切應力為60 MPa，M20螺栓應力截面積為2.45 cm2，代入公式[6]

Q=τ·A? ? ? ? （1）

式中，Q為剪切力，N;τ為剪切應力，MPa，0.1 MPa=1 kg/cm2;A為剪切面面積，cm2。

計算得Q=14 406 N>F1=5 991 N，因此，平臺連接選用M20螺栓規格符合設計要求。

3.2 平臺制作

3.2.1 平板車加工。

3.2.1.1 固定孔及收納托架布置。根據圖5分析如下。

①在平板車兩側主梁前后分別鉆孔徑22 mm的固定孔，孔距為3 000 mm。

②在平板車兩側主梁前后分別焊接平臺收納托架，使平臺支架收納時和平板車融為一體，方便隨時使用。

3.2.1.2 支架部件。支架部件分別為：①撐桿支架;②水平支架;③固定橫梁。

材料選擇和制作：

①材料：支架選用L70×70×5角鋼;連接螺栓，M20規格。

②制作：2根同樣規格的撐桿支架和水平支架，鉆Φ22 mm的螺孔;撐桿支架設置1固定孔和1連接孔，水平支架設置1固定孔和3調節孔。

③固定橫梁一根，兩個Φ22 mm螺孔固定水平支架。

4 可調節平臺的應用

2020年9月17日凌晨3時左右，公司專用于提升人員和物料的6#盲斜井頂板局部發生冒頂事件，人車無法運行，需要立即對頂板進行錨網處理。經從豎井地面（海拔標高723 m）、4#盲斜井下放材料到6#盲斜井（海拔標高-60 m），利用作業平臺進行施工到完工，一共用時1.5 h左右，如果搭建臨時作業平臺作業，耗時8 h左右，該作業平臺大大縮減了作業時間。

公司井下各條斜井（8條）位置分散，且各條斜井的規格（巷道斷面、傾角、軌距等）不盡相同，為使作業平臺作業效率最大化，公司為每條斜井配備相應的作業平臺。從2020年公司通過使用該平臺，減少了井筒維護作業時間和作業強度，降低人力、物力成本，增加作業人員安全系數，效果良好。

5 結語

該平臺的設計和制作，是為了解決我們公司在斜井維護作業中遇到的實際問題：高強度作業，大量的物料浪費，以及作業人員安全事故的頻繁發生。該作業平臺結構簡單，材料充足，制作容易，安裝方便，使用靈活，造價低;其設計理念和依據，可應用于其他行業，有一定拓展性。

參考文獻：

[1] 柯炯.高空作業平臺自主調平系統研究[D].武漢：華中科技大學，2015.

[2] 張先鋒，趙金虎，丁世英，等.自調平斜坡升降作業平臺的研制[J].建筑機械，2016（2）：49-51.

[3] 賀佳，李長春.用于隧道病害治理的高空作業平臺設計[J].機械，2017，44（11）：38-43.

[4] 游永豪，溫愛玲.人體平衡能力測評方法[J].中國康復醫學，2014，29（11）：1103.

[5] 劉沖，龐靖，于光輝，等.自調平作業平臺設計[J].中國高新區，2017：102-103.

[6] 朱天龍.自移設備列車牽引裝置頂蓋改進設計[J].煤礦機械，2019，40（8）：125.