刮板運(yùn)輸系統(tǒng)煤流通道堵塞防控技術(shù)

崔 衛(wèi) 秀

(中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 張家口 076250)

0 引 言

煤炭開采技術(shù)的發(fā)展以采煤技術(shù)和高新技術(shù)的結(jié)合為依托，同時(shí)煤炭開采裝備技術(shù)的發(fā)展是促進(jìn)煤炭開采效率提高的重要措施。現(xiàn)階段高產(chǎn)、高效、高安全性、高集約化是現(xiàn)代化煤礦開采的主要發(fā)展方式[1]，而刮板輸送機(jī)作為煤礦主要運(yùn)輸設(shè)備之一，其運(yùn)輸效率直接決定著煤炭開采的生產(chǎn)效率和煤礦的經(jīng)濟(jì)效益，因此現(xiàn)代化智慧礦井的發(fā)展對(duì)刮板成套運(yùn)輸裝備的效率和可靠性均提出了更高的要求。在這種情況下就需要提高設(shè)備的運(yùn)輸效率以提升礦井的生產(chǎn)能力，提升設(shè)備的可靠性來提高礦井的生產(chǎn)效率[2]，因此，高鏈速刮板輸送系統(tǒng)必將成為未來行業(yè)發(fā)展的方向。

刮板鏈運(yùn)行速度是刮板輸送機(jī)運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，為研究刮板輸送系統(tǒng)鏈速提升的可行性，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量的分析研究，取得了重要研究成果。王兆峻等[5]基于散煤的離散元模型，利用刮板輸送機(jī)不同運(yùn)行速度下的等效面積，得出刮板輸送機(jī)的運(yùn)量是等效截面積和鏈速的函數(shù)，而等效截面積的大小和鏈速相關(guān)。蔡柳等[6]進(jìn)行了刮板輸送機(jī)中部槽運(yùn)輸效率及其運(yùn)輸過程中的應(yīng)力和變形的研究，結(jié)果表明鏈速和煤顆粒與中部槽之間的靜摩擦因數(shù)對(duì)運(yùn)輸效率的影響較為顯著。張國新[7]對(duì)鏈嚙合傳動(dòng)與刮板輸送機(jī)速度特性關(guān)系進(jìn)行了研究，最終得到了不同嚙合狀態(tài)下的刮板輸送機(jī)速度變化曲線圖，通過對(duì)曲線圖的分析，可以了解嚙合鏈輪的齒數(shù)變化對(duì)刮板鏈速的影響。毛君等[8]研究了刮板輸送機(jī)在運(yùn)行輸送物料時(shí)的刮板輸送機(jī)運(yùn)行規(guī)律以及動(dòng)態(tài)特性，系統(tǒng)地提出了刮板輸送機(jī)輸送物料的過程中各個(gè)關(guān)鍵部件的受力以及運(yùn)動(dòng)特性。

基于以上已有的研究成果，筆者以中厚煤層開采為研究背景，闡述了刮板鏈速全面提升的可行性。為保障刮板運(yùn)輸系統(tǒng)的連續(xù)、順暢、高速運(yùn)輸，防止煤流在運(yùn)輸通道內(nèi)堵塞，以大塊煤對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)造成的危害為主線，提出了確保煤流順暢運(yùn)輸?shù)木C合煤流堵塞防控技術(shù)與方案，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)證明：該系統(tǒng)可改善工作面設(shè)備配套的合理性，最大限度發(fā)揮工作面設(shè)備潛在的生產(chǎn)能力，提高工作面產(chǎn)能。

1 刮板運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外刮板輸送機(jī)鏈速比較

對(duì)比國外同類產(chǎn)品，刮板輸送系統(tǒng)鏈速較國內(nèi)均有所提升，美國JOY公司在槽寬1000系列的刮板輸送機(jī)鏈速均能達(dá)到1.78 m/s以上，在槽寬1350系列的橋式轉(zhuǎn)載機(jī)鏈速均達(dá)到2.17 m/s以上。下面為中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司和JOY公司相近產(chǎn)品鏈速、運(yùn)量的比較，見表1、表2。

表1 國內(nèi)外1000系列刮板輸送機(jī)鏈速比較Table 1 Comparison of chain speed of 1000 series scraper conveyor at home and abroad

表2 國內(nèi)外1350系列橋式轉(zhuǎn)載機(jī)鏈速比較Table 2 Comparison of chain speed of 1350 series bridge transfer machine at home and abroad

1.2 鏈速提升的可行性及影響

隨著變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)在刮板輸送系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，自主智能調(diào)速控制技術(shù)已經(jīng)日益成熟，刮板輸送機(jī)提升速度變得簡單快捷。但是當(dāng)刮板鏈速提升后，單位時(shí)間內(nèi)煤流和運(yùn)輸系統(tǒng)相關(guān)部件的摩擦次數(shù)增多，對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的各個(gè)拐點(diǎn)的沖擊也增大，隨之帶來的負(fù)面效應(yīng)，由于缺乏系統(tǒng)性研究及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為各大煤礦用戶帶來了很大的困擾。如何合理地進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，保證鏈速提升之后煤流仍運(yùn)行順暢是本文主要解決的問題。

1.3 大塊煤成因及對(duì)刮板運(yùn)輸系統(tǒng)的危害

刮板運(yùn)輸系統(tǒng)包括工作面刮板輸送機(jī)、巷道橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、巷道錘式破碎機(jī)。中厚煤層開采中工作面刮板運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)的大塊煤主要有：采煤機(jī)割煤后未經(jīng)破碎的大塊煤、后部放頂?shù)拇髩K煤及矸石、來自煤壁的大塊片幫煤。

其成因如下：

1)采煤機(jī)在高速割煤時(shí)，由于采煤機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)來自煤壁的煤未能完全破碎，在推移刮板輸送機(jī)時(shí)，大塊煤會(huì)部分進(jìn)入刮板輸送機(jī)槽內(nèi)，在刮板鏈的帶動(dòng)下，向機(jī)頭方向運(yùn)行。

2)后部放頂煤開采中，受頂板周期來壓的影響，放頂煤時(shí)大塊煤及矸石隨液壓支架尾梁落入到后部刮板輸送機(jī)槽內(nèi)。

3)在中厚煤層開采工作面，受開采擾動(dòng)和礦壓的影響，煤壁發(fā)生大塊片幫脫落頻繁[11]，脫落時(shí)由于未能完全進(jìn)入刮板輸送機(jī)槽，會(huì)導(dǎo)致煤流運(yùn)輸不暢。

散煤在刮板運(yùn)輸通道內(nèi)隨刮板鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)向機(jī)頭方向運(yùn)輸，在輸送機(jī)過渡段爬升一定角度后，在機(jī)頭卸載口煤流轉(zhuǎn)向90°，經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)入料口至轉(zhuǎn)載機(jī)爬坡段，爬升一定角度后卸載到帶式輸送機(jī)上。當(dāng)不規(guī)則的大塊煤在運(yùn)輸過程中經(jīng)過輸送機(jī)過渡段、輸送機(jī)卸載口、轉(zhuǎn)載機(jī)入料口、轉(zhuǎn)載機(jī)起坡段等“拐點(diǎn)”時(shí)，在刮板鏈的帶動(dòng)下呈一定角度爬升或者煤流轉(zhuǎn)向時(shí)，大塊煤的運(yùn)輸狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致其向槽外側(cè)溢出。此種現(xiàn)象不僅會(huì)影響煤流的順暢運(yùn)輸，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成煤流通道的堵塞，甚至壓死刮板輸送機(jī)槽直至停機(jī)。此時(shí)不得不采取人工清煤，費(fèi)時(shí)費(fèi)力的同時(shí)，嚴(yán)重影響了煤炭生產(chǎn)效率。

2 煤流堵塞綜合防控技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，根據(jù)刮板運(yùn)輸通道內(nèi)煤流發(fā)生堵塞現(xiàn)象的不同位置，對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的相關(guān)部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究，采取不同的防控方法與技術(shù)，確保煤流通道的順暢運(yùn)輸。

2.1 輸送機(jī)過渡段

過渡段是過渡槽以及安裝于其上的過渡底擋板、過渡鏟煤板和過渡推移梁的總稱。而過渡槽是聯(lián)接輸送機(jī)機(jī)頭架與刮板輸送機(jī)槽的特殊聯(lián)接槽，它的作用是在工作面“三機(jī)”配套過程中調(diào)整刮板輸送機(jī)配套長度，平滑順利的完成輸送通道地起坡，并與機(jī)頭架相聯(lián)。

2.1.1 端卸式過渡槽

端卸式過渡槽中板爬升角度α是由機(jī)頭架中板角度和抬高槽中板角度相交確定的，如圖1所示。通常α不大于15°(中板與側(cè)板底平面N的夾角)，其不能太大，否則將影響煤流的順利卸載?；诟哝溗俟伟遢斔蜋C(jī)的運(yùn)行特性，需盡可能降低升角α以使刮板運(yùn)行平緩，煤流順暢。調(diào)整α可通過在滿足卸載高度尺寸前提下調(diào)整機(jī)頭架中板角度來實(shí)現(xiàn)，在機(jī)頭架中板位置確定后再根據(jù)機(jī)頭架和特殊槽的中板確定過渡槽中板位置。

1—側(cè)板；2—中板；N—側(cè)板底平面圖1 過渡槽Fig.1 Ramp pan

爬升角度α和過渡圓弧半徑γ的大小直接決定著煤流的順暢與否，采取提前階梯式抬高大圓弧過渡整體方案，增加抬高槽數(shù)量，使爬升角度α呈遞進(jìn)式增加，并加大過渡圓弧半徑γ，以此達(dá)到高鏈速下煤流的順暢運(yùn)行。

圖2中抬高槽數(shù)量為3節(jié)，爬升角度均為1°，過渡圓弧半徑為4 000 mm。圖3中，抬高槽數(shù)量為5節(jié)，爬升角度呈階梯式遞增，過渡圓弧半徑為10 000 mm。與圖2對(duì)比，圖3的過渡段煤流爬升過程明顯放緩，非常有利于高鏈速刮板運(yùn)輸系統(tǒng)煤流的順暢運(yùn)輸和刮板的高速運(yùn)行。

1—中部槽;2—左一抬高槽;3—左二抬高槽;4—左三抬高槽;5—過渡槽圖2 優(yōu)化前的煤流爬升過程示意Fig.2 Coal flow climbing process diagram before optimization

1—左一抬高槽;2—左二抬高槽;3—左三抬高槽;4—左四抬高槽;5—左五抬高槽;6—過渡槽圖3 優(yōu)化后的煤流爬升過程示意Fig.3 Optimized coal flow climbing process

2.1.2 側(cè)卸式過渡槽

側(cè)卸式過渡槽由于機(jī)頭架卸載高度較低，過渡段煤流的爬升角度較小，一般不存在過渡段出現(xiàn)煤流堵塞的情況。但是大塊煤在進(jìn)入機(jī)頭卸載口時(shí)，需轉(zhuǎn)向90°卸載到轉(zhuǎn)載機(jī)上，在轉(zhuǎn)向過程中因其運(yùn)輸狀態(tài)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其卡在卸載口，無法順利完成卸載，來自工作面的高速煤流由于運(yùn)輸通道的堵塞，很快會(huì)堆積如山，直至壓死刮板輸送機(jī)槽。鑒于上述情形，在此過渡段處設(shè)置有大塊煤滾筒式直驅(qū)破碎裝置，如圖4所示，對(duì)來自工作面的大塊煤實(shí)施預(yù)破碎，使其能順利通過卸載口，進(jìn)入轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸通道。

圖4 滾筒式大塊煤破碎裝置安裝示意Fig.4 Installation of drum type large coal crushing plant

2.2 機(jī)頭卸載口

2.2.1 交叉?zhèn)刃妒?/p>

交叉?zhèn)刃妒绞怯捎诠伟遢斔蜋C(jī)的刮板鏈與轉(zhuǎn)載機(jī)的刮板鏈相互交叉而得名，其主要特點(diǎn)在于配套使用了交叉?zhèn)刃妒綑C(jī)頭架，其與端卸機(jī)頭架的主要區(qū)別是：以一定速度從中部槽方向運(yùn)輸而來的物料被交叉?zhèn)刃妒綑C(jī)頭架后物料運(yùn)輸改變90°卸載到轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸槽中，而端卸式則是物料不改變運(yùn)輸方向直接卸載到轉(zhuǎn)載機(jī)的卸料槽中。

如圖5所示，交叉?zhèn)刃妒綑C(jī)頭架是由鏈輪組件、輸送機(jī)上鏈道、輸送機(jī)下鏈道、活中板、轉(zhuǎn)載機(jī)下鏈道、轉(zhuǎn)載機(jī)上鏈道、犁煤板等組成的，其中刮板輸送機(jī)上刮板鏈、轉(zhuǎn)載機(jī)上刮板鏈、刮板輸送機(jī)下刮板鏈、轉(zhuǎn)載機(jī)下刮板鏈相互交叉，經(jīng)過犁煤板和活中板完成90°卸煤[12]。當(dāng)刮板輸送機(jī)上的散煤運(yùn)行至機(jī)頭處，受到犁煤板的阻擋而下落到轉(zhuǎn)載機(jī)上，由轉(zhuǎn)載機(jī)刮板將其向前運(yùn)送。設(shè)計(jì)時(shí)由于犁煤板下底面和活中板的間距必須大于刮板輸送機(jī)刮板厚度，才能保證刮板輸送機(jī)刮板的順利通過，由于間隙的存在，導(dǎo)致少部分散煤會(huì)隨著刮板進(jìn)入到下鏈道，增加了下鏈道刮板的運(yùn)行阻力，有時(shí)會(huì)有矸石擠入到間隙內(nèi)，導(dǎo)致鏈條斷裂，影響了煤流的運(yùn)輸順暢。

1—鏈輪組件;2—刮板輸送機(jī)上鏈道;3—刮板輸送機(jī)下鏈道;4—活中板;5—轉(zhuǎn)載機(jī)下鏈道;6—轉(zhuǎn)載機(jī)上鏈道;7—犁煤板圖5 交叉?zhèn)刃稒C(jī)頭架結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of cross side unloading head frame

在刮板鏈速提升之后，卸煤的順暢與否對(duì)交叉?zhèn)刃妒綑C(jī)頭架式一個(gè)非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)，結(jié)合多年來的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際使用狀況，對(duì)高鏈速刮板輸送機(jī)交叉?zhèn)刃稒C(jī)頭架提出局部改進(jìn)。

1—犁煤板;2—活中板;A—犁煤板前擋板;B—活中板卸載口圖6 犁煤板超前活中板結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structure of plough coal plate leading plate

采取犁煤板超前活中板的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。煤流運(yùn)輸過程中，首先受到犁煤板前擋板A的阻力作用而轉(zhuǎn)向，活中板卸載口B滯后于犁煤板前擋板A，使得煤流在刮板的帶動(dòng)下，粒度大于刮板高度的原煤由于受到犁煤板前擋板的阻擋而完成卸載，只有少量粒度較小的原煤進(jìn)入下鏈道，該結(jié)構(gòu)在減少回煤的同時(shí)，防止了大塊煤及矸石卡在犁煤板下底面和活中板之間，有利于煤流的運(yùn)輸順暢。

2.2.2 端卸式

對(duì)于端卸式刮板輸送機(jī)，由于其卸載高度較高，導(dǎo)致過渡槽煤流爬升角度較大。實(shí)踐中，由于大塊煤運(yùn)行到機(jī)頭架處運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，加之受到機(jī)頭架側(cè)板的阻礙，造成煤流在此處堵塞。結(jié)合全國各大煤礦的使用習(xí)慣及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在此處設(shè)置了滾筒式大塊煤破碎裝置，在大塊煤運(yùn)行不暢時(shí)，對(duì)其施破碎保證煤流的順暢運(yùn)行，如圖7所示，在大塊煤進(jìn)入機(jī)頭架前將其破碎，避免大塊煤堵塞機(jī)頭部位，保證了輸送機(jī)“咽喉”部位的暢通。

圖7 過渡段大塊煤破碎裝置安裝示意Fig.7 Installation of intermediate section bulk coal crushing plant

該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，有效滿足了煤礦綜采工作面高鏈速刮板運(yùn)輸系統(tǒng)煤流順暢運(yùn)輸?shù)男枨?，此外破碎搖臂鉸接點(diǎn)設(shè)置在過渡槽爬坡起始段處，安裝位置較低，方便工人安裝。

2.3 橋式轉(zhuǎn)載機(jī)入料口

橋式轉(zhuǎn)載機(jī)是一種特殊的刮板輸送機(jī)，它布置在工作面的運(yùn)輸巷，與采煤工作面的刮板輸送機(jī)垂直搭接，刮板輸送機(jī)運(yùn)過來的原煤落到橋式轉(zhuǎn)載機(jī)的卸料槽上，橋式轉(zhuǎn)載機(jī)再負(fù)責(zé)把輸送過來的原煤抬高并運(yùn)輸?shù)较锏缼捷斔蜋C(jī)上。

當(dāng)原煤從刮板輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)睫D(zhuǎn)載機(jī)上時(shí)，煤流需要轉(zhuǎn)向90°，不規(guī)則的大塊煤在刮板輸送機(jī)刮板和轉(zhuǎn)載機(jī)刮板的雙重作用下，運(yùn)輸狀態(tài)會(huì)改變，使其在進(jìn)入轉(zhuǎn)載機(jī)通道時(shí)，卡在側(cè)板處，造成煤流的堵塞，這種狀態(tài)下，必須對(duì)其實(shí)施破碎。經(jīng)過實(shí)地考察調(diào)研，對(duì)入料口蓋板進(jìn)行加厚，并在此設(shè)置了可伸縮式四連桿液壓沖擊破碎裝置，如圖8所示。當(dāng)大塊煤在入料口堵塞時(shí)，操縱液壓沖擊破碎錘對(duì)大塊煤實(shí)施沖擊破碎。

1—入料口中部槽;2—卸料槽;3—液壓沖擊破碎錘圖8 四連桿液壓沖擊破碎裝置安裝示意Fig.8 Installation of hydraulic impact crushing hammer with four connecting rods

2.4 橋式轉(zhuǎn)載機(jī)爬坡段

從轉(zhuǎn)載機(jī)凹槽開始，一直到凸槽這部分稱為爬坡段，從凸槽到機(jī)頭卸載口這部分稱為架橋段。為了使架橋段有一定的高度和長度空間，方便橋式轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭能夠與帶式輸送機(jī)或輸送帶自移裝置有效搭接，爬坡段必須有一定的爬升角度α。

傳統(tǒng)的爬坡段槽如圖9a所示，其中鉸接槽和凹槽聯(lián)接，為了使凹槽蓋板和鉸接槽蓋板合理銜接，凹槽前蓋板與側(cè)板呈緩向下式，煤流運(yùn)行到此處，在D處形成拐點(diǎn)，因過煤空間的變小而發(fā)生卡阻，造成煤流的堵塞，并且凹槽的鏈道因位于“拐點(diǎn)”處，較其他中板磨損較為嚴(yán)重，鏈速提升后，會(huì)嚴(yán)重影響整機(jī)的使用壽命。

1—凹槽;2—鉸接槽;D—“拐點(diǎn)”;E—凹槽前蓋板;F—凹槽后蓋板圖9 優(yōu)化前、后轉(zhuǎn)載機(jī)爬坡段對(duì)比示意Fig.9 Optimization before and after transfer machine climbing section comparison diagram

如圖9b所示，優(yōu)化后凹槽前、后蓋板設(shè)計(jì)成一體，并且與鉸接槽蓋板平齊，凹槽側(cè)板呈等高狀態(tài)，煤流運(yùn)行到D處時(shí)，“拐點(diǎn)”明顯放緩，保證了大塊煤流的有效通過。圖10是針對(duì)凹槽中板的特殊設(shè)計(jì)，采用了鏈道退縮式防磨損結(jié)構(gòu)，對(duì)圓弧彎曲段中板采用兩段加厚。該結(jié)構(gòu)增加了鏈條立環(huán)與中底板的間距，并且抬高了刮板，使設(shè)備工作初期鏈條與中、底板無接觸，僅磨損加厚處中、底板，直到加厚處磨損后，全中、底板與刮板才進(jìn)行正常磨損。實(shí)踐證明使用該結(jié)構(gòu)的凸、凹槽中、底板及翼板的壽命，與轉(zhuǎn)載機(jī)其他配套刮板輸送機(jī)槽的壽命基本相等，因此橋式轉(zhuǎn)載機(jī)的整體壽命有了很大的提高。

1—中板；2—鏈道加厚處圖10 優(yōu)化后的凹槽中板結(jié)構(gòu)Fig.10 Optimized groove plate structure

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概況

項(xiàng)目中煤流堵塞防控技術(shù)已在金雞灘煤礦超大采高綜放工作面得到了應(yīng)用，117工作面是該礦第1個(gè)綜放工作面，位于金雞灘煤礦一盤區(qū)東北部，工作面煤層賦存較穩(wěn)定。117工作面埋深約240 m，走向長度5 093 m，傾向長度300 m，為可采的較穩(wěn)定的特厚煤層，煤的硬度f=2.8。

3.2 應(yīng)用效果

提前階梯式抬高大圓弧過渡段設(shè)計(jì)保證了高速煤流在過渡段的順暢運(yùn)輸。采用犁煤板超前活中板技術(shù)的交叉?zhèn)刃稒C(jī)頭架，減少了回煤量。大塊煤滾筒式直驅(qū)破碎裝置在過渡段的使用，使進(jìn)入到機(jī)頭架的大塊煤得以破碎。轉(zhuǎn)載機(jī)入料口液壓沖擊破碎裝置解決了片幫煤在入料口的堵塞問題。等高側(cè)板鏈道退縮式凹槽，增大了煤流通過空間，同時(shí)提高了凹槽的使用壽命。

4 結(jié) 語

刮板運(yùn)輸系統(tǒng)鏈速提升是提高工作面生產(chǎn)效率的有效措施，煤流順暢運(yùn)輸是鏈速提升的前提。通過對(duì)國內(nèi)外同型號(hào)設(shè)備的鏈速比較，結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了全面提升刮板鏈速的可行性。結(jié)合大塊煤成因和高速煤流對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的危害，將煤流通道危險(xiǎn)點(diǎn)逐一研究，提出了防止刮板運(yùn)輸系統(tǒng)煤流通道堵塞的相關(guān)技術(shù)及方案。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，通過相關(guān)防控技術(shù)的應(yīng)用，減小了高速煤流對(duì)設(shè)備的沖擊，保障了刮板運(yùn)輸系統(tǒng)鏈速提升后煤流的順暢運(yùn)輸。