摘要
煤矿井下辅助运输系统是煤矿安全生产和人员高效集散的关键纽带。在早期开采阶段，由于开采深度较浅，井下运送多依赖矿工徒步人行或简易的非限制型矿车运送。然而，随着采掘深度和巷道运距的急剧增加，高强度的人行劳动和低效率的辅助运送严重制约了生产安全与矿工职业健康。本文系统回顾了煤矿辅助运输系统从“老式徒步人行”到“架空乘人装置（猴车）”再到现代“智能单轨吊”与“无轨胶轮车”的百年演变史，详细推导了架空乘人装置传动的欧拉摩擦方程以及牵引钢丝绳悬垂状态的悬垂线数学模型，并结合一线工程实际，建立了常见运行故障处置的标准化作业流程（SOP）和十五项辅助运输安全合规性自查清单。
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1. 煤矿井下辅助运输系统的百年演进历程
在世界及中国煤炭工业的发展史中，井下辅助运输（运送人员、材料、设备及矸石等）占用了井下总劳动力的约 30%~40%，其安全管理水平和技术装备直接影响着矿井的本质安全度。
1.1 徒步人行时代与“非限制型”人行通道
在20世纪中叶以前，由于矿井机械化水平极低，矿工上下井多依赖“徒步人行”。当时巷道底板潮湿多泥、水沟淤积、顶板起伏且防尘洒水设施匮乏，矿工需要在高温潮湿、粉尘弥漫的复杂环境下步行数公里。人行通道多为“非限制型”，即人行道与轨道运输、带式输送机等交叉重合，缺乏有效的物理隔离设施，频频发生由于矿车掉道、行车跑车、皮带挂卷伤人等运输安全事故。
1.2 机械人行时代与架空乘人装置（猴车）的兴起
为减轻矿工在斜井和长距离平巷中的体力消耗，20世纪七八十年代，斜井“人行车”（俗称“红色专列”）和“架空乘人装置（猴车）”逐步推广。架空乘人装置是一种利用摩擦轮牵引循环钢丝绳、在其上挂设乘人吊椅运送人员的架空索道设备。因其占地空间小、可跨越局部起伏、安全系数相对较高且能够实现连续不断运送人员，成为了大中型斜井与平巷人员运输的绝对骨干。由于其吊挂方式灵活且乘人时双腿悬空，井下矿工形象地称之为“猴车”。
1.3 现代多元化辅助运输：单轨吊与无轨胶轮车
进入21世纪，随着综采装备重型化（单体液压支架重量可达数十吨）和矿井规模的扩大，辅助运输系统向多元化、重型化与防爆化演进：
- 单轨吊系统：悬挂于巷道顶板工字钢轨道上运行的特种运输工具，彻底解决了底板起伏、水沟积水对轨道运输的干扰，防滑防溜安全等级高。
- 无轨胶轮车系统：依靠防爆柴油机或锂电池驱动，橡胶轮胎在硬化底板上行驶，可实现从地面至采掘工作面的一站式直达运送，是大型现代化矿井的标配。
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2. 架空乘人装置（猴车）的经典技术原理与力学建模
架空乘人装置本质上是一种摩擦力牵引的闭合循环钢丝绳索道系统。其结构设计和运行稳定性基于摩擦传动学与索道悬垂线动力学。
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┌─────────────── 承载索 (牵引钢丝绳) ───────────────┐
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[驱动轮 T1] ───摩擦弧度 θ───► [重锤/液压张紧装置] ◄─── [尾轮 T2]
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└─────────────── 吊椅 (挂设乘人载荷) ───────────────┘
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2.1 牵引摩擦传动的欧拉方程推导
架空乘人装置依靠驱动滚筒与钢丝绳之间的摩擦力传递动力。要防止钢丝绳在滚筒上发生致命的“打滑”现象，必须满足欧拉摩擦传动极限条件。
设钢丝绳绕过驱动轮的摩擦弧度（围包角）为 $θ$（弧度），钢丝绳进入驱动轮紧边张力为 $T_1$，离开驱动轮松边张力为 $T_2$。在极限打滑状态下，沿驱动轮表面的微段 $dθ$ 进行力学平衡分析：
$$\Sigma F_x = (T + dT) \cos≤ft(\frac{dθ}{2}\right) - T \cos≤ft(\frac{dθ}{2}\right) - dF_f = 0$$
$$\Sigma F_y = dF_N - (T + dT) \sin≤ft(\frac{dθ}{2}\right) - T \sin≤ft(\frac{dθ}{2}\right) = 0$$
由于 $dθ$ 极小，可作近似：$\cos≤ft(\frac{dθ}{2}\right) \approx 1$，$\sin≤ft(\frac{dθ}{2}\right) \approx \frac{dθ}{2}$，同时忽略高阶二阶微分项 $dT \cdot dθ$。简化后可得：
$$dT = dF_f$$
$$dF_N = T \cdot dθ$$
根据库伦摩擦定律，微段摩擦力 $dF_f$ 与法向力 $dF_N$ 的关系为：
$$dF_f = \mu \cdot dF_N$$
将上述公式联立代入：
$$dT = \mu \cdot dF_N \implies dT = \mu \cdot T \cdot dθ \implies \frac{dT}{T} = \mu \cdot dθ$$
对驱动轮围包角区间 $[0, θ]$ 进行定积分：
$$\int_{T_2}^{T_1} \frac{dT}{T} = \int_{0}^{θ} \mu \cdot dθ \implies \ln≤ft(\frac{T_1}{T_2}\right) = \mu θ$$
取指数化简，即可得到著名的欧拉摩擦传动极限方程：
$$T_1 ≤ T_2 \cdot e^{\mu θ}$$
在工程实际设计中，为确保不打滑，防滑安全系数 $K_{slip}$ 必须满足：
$$K_{slip} = \frac{T_2 (e^{\mu θ} - 1)}{T_1 - T_2} ≥ 1.5$$
其中，$\mu$ 为驱动轮衬垫与钢丝绳之间的摩擦系数（在井下潮湿多煤尘环境下，$\mu$ 通常取 0.20~0.25）；$θ$ 通常通过设置压绳轮提升至 $190^\circ \sim 210^\circ$（即 3.32 ~ 3.66 rad）。
2.2 钢丝绳绳路悬垂线数学模型及挠度求解
架空乘人装置的牵引钢丝绳悬挂在沿途的托压绳轮上，由于钢丝绳自身重力及乘人吊椅的集中载荷作用，在相邻托绳轮托轮间距 $L$ 内会形成悬垂弯曲。
在张紧力 $T_0$ 作用下，将牵引绳视为只受张力和重力的柔性绳。在直角坐标系中，设绳路单位长度重力为 $q$（N/m），其微元力学平衡微分方程为：
$$\frac{d}{ds} ≤ft( T \frac{dx}{ds} \right) = 0 \implies T \frac{dx}{ds} = T_0 \quad (\text{水平张力常数})$$
$$\frac{d}{ds} ≤ft( T \frac{dy}{ds} \right) = q \implies \frac{d}{dx} ≤ft( T_0 \frac{dy}{dx} \right) = q \sqrt{1 + ≤ft(\frac{dy}{dx}\right)^2}$$
两边关于 $x$ 进行一阶求导并整理：
$$T_0 \frac{d^2 y}{dx^2} = q \sqrt{1 + ≤ft(\frac{dy}{dx}\right)^2}$$
解此非线性常微分方程，可得经典的悬垂线（Catenary）方程：
$$y(x) = \frac{T_0}{q} ≤ft[ \cosh≤ft(\frac{q x}{T_0}\right) - 1 \right]$$
在相邻托轮跨距 $L$ 较小且张紧力 $T_0$ 较大（水平投影近似为直线，$\frac{qx}{T_0} \ll 1$）的常规条件下，通过泰勒级数展开 $\cosh(z) \approx 1 + \frac{z^2}{2} + \frac{z^4}{24}$，可将悬垂线近似简化为抛物线方程：
$$y(x) \approx \frac{q x^2}{2 T_0}$$
由此，相邻两托轮中点处由自重引起的绳路最大下挠度 $f_{self}$ 表达式为：
$$f_{self} = \frac{q L^2}{8 T_0}$$
当托轮间悬挂有乘人吊椅（集中重力载荷为 $P$）时，利用静力学力矩平衡及抛物线叠加原理，求得集中载荷作用下的最大综合挠度 $f_{total}$ 为：
$$f_{total} = \frac{q L^2}{8 T_0} + \frac{P \cdot L}{4 T_0}$$
若钢丝绳张紧力 $T_0$ 不足或托轮跨距 $L$ 跨径设计过大，下挠度 $f_{total}$ 会急剧增大，导致乘人吊椅离地间隙低于规程限值（要求大于 300mm），发生人员腿部拖地或吊椅剧烈晃动撞击托轮梁的严重恶性事故。因此，必须配备精准的液压自适应张紧系统。
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3. 辅助运输效能定量对账表
为了多维度对比不同井下辅助运输工具的性能，以下建立了工艺参数定量对账表：
| 运输方式 | 运行速度 (m/s) | 单向运量 (人/h) | 体力消耗指数 (1-10) | 巷道空间占用率 (%) | 坡度适应能力 (°) | 建设与运营成本 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 徒步人行 | 0.8 ~ 1.2 | 150 | 10 | 0 (无需专用道) | $≤ 25$ | 极低 | 采区平巷、极短运距起伏巷道 |
| 非限制矿车 | 2.0 ~ 3.5 | 300 | 2 | 45 | $≤ 9$ (受粘着限制) | 中等 | 中小矿井主平巷轨道运送 |
| 架空乘人装置 | 1.0 ~ 1.4 | 400 ~ 720 | 1 | 25 | $≤ 28$ (坡度自锁) | 中等偏低 | 采区上下山、主副斜井人行通道 |
| 无轨胶轮车 | 3.0 ~ 7.0 | 900 | 1 | 65 | $≤ 14$ (橡胶轮胎粘着) | 高 | 硬化底板的平缓主干道及直达 |
| 防爆单轨吊 | 2.0 ~ 4.0 | 600 | 1 | 35 | $≤ 25$ (齿轨辅助驱动) | 高 | 顶板坚硬的重载综采面顺槽 |
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4. 架空乘人装置（猴车）常见运行故障应急处置流程（SOP）
为指导井下架空乘人装置突发故障时的快速安全处置，特制定以下标准化作业流程：
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[架空乘人装置突发异常/沿线急停触发]
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[步骤 01：停机挂牌与声光警示]
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[步骤 02：沿线乘人安全撤离指引]
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[步骤 03：故障区域判定与力学隔离]
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[步骤 04：故障修复与部件微调]
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[步骤 05：空载试运行与安全复位复检]
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步骤 01：停机挂牌与声光警示
- 动作：中控操作员或值班司机在听到沿线拉线急停报警或发现电流、张力异常后，必须立即按下控制台上的“紧急制动”按钮。
- 要求：将控制钥匙拔出锁死，在启停开关处悬挂“有人工作，严禁合闸”红底白字警示牌。同时开启全线广播，发出停机检查的声光警示信号。
步骤 02：沿线乘人安全撤离指引
- 动作：沿线巡检工和安检员立即通过对讲机和扩音喇叭，指引滞留在吊椅上的乘人。
- 要求：如果停机时间预计超过15分钟，乘人需在低变坡点和安全平台上顺钢丝绳运行方向双脚落地，双手扶稳，沿两侧人行道步行至安全避灾硐室，严禁攀爬托轮架或在钢丝绳下方长时间逗留。
步骤 03：故障区域判定与力学隔离
- 动作：巡检技术员使用便携式红外测温仪及钢丝绳探伤复检仪，对沿线变坡点、驱动轮、尾轮及自动张紧油缸进行点检。
- 要求：如发生绳路滑脱，需在脱落段托轮梁处架设专用“手拉葫芦”进行二次临时力学挂吊锁死，确保钢丝绳不因重力失衡进一步滑落。
步骤 04：故障修复与部件微调
- 动作：维检人员对变形的抱索器、脱落的托轮或者磨损超标的衬垫进行更换。
- 要求：使用液压千斤顶进行托轮支架水平矫正，使用专用扭矩扳手将抱索器销轴紧固至设计力矩（一般为 120 N·m ~ 140 N·m），保证锁紧力。
步骤 05：空载试运行与安全复位复检
- 动作：排除故障后，维修负责人确认全线人员已撤离至安全区域。人工恢复所有动作过的保护传感器，合闸开启空载慢速试运转。
- 要求：慢速空载运转不少于2个循环周期，观察钢丝绳是否有跳动、偏摆及异响。各项参数（张力、油温、抱闸行程）正常后方可恢复载人运行。
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5. 井下辅助运输架空乘人装置十五项合规性自查清单（红线指标）
以下为矿井架空乘人装置日常管理与国家监察强检的十五项硬性自查清单：
[ ]超速保护：运行速度超过额定速度 1.2 倍时，装置能否在 2 秒内实现安全制动并断电。[ ]打滑保护：驱动轮与钢丝绳发生相对位移打滑超过 3 秒时，系统是否可靠停机并报警。[ ]脱绳保护：在托压绳轮外侧装设的防脱绳传感器，是否灵敏有效（脱轨距离 $≥ 15\text{mm}$ 即触发动作）。[ ]全程急停：沿线各拉线急停按钮完好，钢丝绳拉线拉力在 40~80N 之间时能否全线瞬时停机。[ ]制动双保险：工作制动与安全制动（直接作用于驱动轮）是否各自独立，制动闸瓦磨损厚度是否小于设计极限（闸瓦磨损残余厚度 $≥ 10\text{mm}$）。[ ]张紧力检测：自动液压张紧装置的压力传感器上限、下限报警是否联动停机，油缸防爆阀是否完好。[ ]越位保护：上下人站终点前越位传感器完好，乘人越过卸载点距离 $≤ 1.0\text{m}$ 时能否自动实施紧急制动。[ ]断轴防护：驱动轮主轴及减速箱输入输出轴是否安装防飞出断轴托架或安全闭锁挡板。[ ]吊椅间距：固定抱索器吊椅间距在运行速度下，牵引绳运行距离是否满足 $≥ 5\text{s}$ 的时间间隔（且绝对间距 $≥ 6.0\text{m}$）。[ ]通道净空：乘人平台处钢丝绳距巷道壁净距离是否 $≥ 1.0\text{m}$，乘人悬空高度在托挂状态下，吊椅底端距底板高度是否在 300mm~500mm 之间。[ ]电气闭锁：当架空乘人装置与井下轨道提升系统同巷布置时，是否实现了严格的“行车不乘人，乘人不行车”电气联锁。[ ]避载隔离：同巷道布置带式输送机时，钢丝绳运行通道与皮带架之间是否设置了高强度钢丝隔离防护网。[ ]衬垫磨损：驱动轮衬垫摩擦槽深是否超标（槽深 $≥ 15\text{mm}$ 或出现严重龟裂必须更换）。[ ]钢丝绳寿命：钢丝绳在一个捻距内断丝面积是否未超过钢丝总面积的 5%，且无局部锈蚀凹坑或绳径缩水。[ ]强检标贴：在用架空乘人装置减速机、主电机及抱索器销轴等关键防爆电气及承载部件，是否均贴有有效的“矿用产品安全标志”（MA）。
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6. 本文插图配置说明与生图提示词文档
6.1 配图位置与版面嵌入规划
- 图 1：地面矿区宏观实景头图 (Hero Banner)
- 嵌入位置：网页正文最上方流式 Banner。
- 图注说明：图1：中国西北黄褐色矿区宏观实景与地面重型立井钢结构井架全景。
- 图 2：学术级力学结构/原理工艺图 (Process)
- 嵌入位置：第 2.2 节钢丝绳悬垂线计算推导之后。
- 图注说明：图2：矿井架空乘人装置钢丝绳沿线受力与托绳轮受力力学平衡抛物线模型。
- 图 3：井下作业面/高频监测现场 (Site/Monitoring)
- 嵌入位置：第 4 节应急处置步骤 03 之后。
- 图注说明：图3：榆林神府矿区井下斜井人行道内正在运行的架空乘人装置与沿线钢丝绳监控设备。
- 图 4：重型地面/井下制浆与输送设备特写 (Equipment)
- 嵌入位置：第 2.1 节防滑安全系数计算公式旁。
- 图注说明：图4：地面自动化注压液压张紧控制箱与重型油泵阀组精密特写。
- 图 5：实验室核心力学测试或总工决策图纸会审 (Lab/Decision)
- 嵌入位置：第 5 节自查清单开始之前。
- 图注说明：图5：中国煤矿总工程师与技术顾问在木桌前审定架空乘人装置线路防越位断电保护改造工程蓝图。
6.2 16:9 极致真实摄影质感配图提示词
以下为 5 张插图的 AI 生图正向提示词。所有生图提示词中均包含简体中文标注，不含冗余前缀：
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