鋁土礦綜采工作面刮板輸送機(jī)磨損情況實測分析

卜侃侃，劉金有，張 鵬，胡萬飛

寧夏天地奔牛實業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏銀川 750001

鋁 土礦山井工開采主要以壁式崩落法、房柱法 開采工藝為主，與煤礦相比，缺少大型現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備。落后的開采工藝導(dǎo)致礦石回采率低、貧化率高，資源浪費嚴(yán)重，而且安全性差、生產(chǎn)效率低。將煤礦井工綜合機(jī)械化開采工藝與設(shè)備引進(jìn)到鋁土礦井工開采，對提高鋁土礦床開采的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益、安全程度和機(jī)械化水平，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)鋁土礦山開始嘗試采用煤礦綜采工藝。國家電投集團(tuán)貴州遵義產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司于 2019 年在瓦廠坪鋁土礦投產(chǎn)試運行了第 1 個鋁土礦綜采工作面，驗證了綜采工藝在鋁土礦山井工開采中應(yīng)用的可行性[1]。根據(jù)實際應(yīng)用效果，工作面采礦機(jī)和液壓支架基本可滿足使用要求，但工作面刮板輸送機(jī)由于運輸物料的變化，設(shè)備磨損嚴(yán)重，且故障率較高，備品備件成本較高。首采工作面使用的國內(nèi)某廠家的刮板輸送機(jī)整機(jī)壽命約為 30 萬 t 過礦量，無法滿足礦方的使用要求。寧夏天地奔牛實業(yè)集團(tuán)有限公司針對鋁土礦工作面特殊工況及設(shè)備運輸物料特性的變化，采取了多種措施提高設(shè)備的耐磨性，并應(yīng)用于瓦廠坪礦 1101 工作面，取得較好效果。

1 工作面概況及綜采配套設(shè)備

1.1 工作面概況

瓦廠坪鋁土礦位于貴州省務(wù)川縣浞水鎮(zhèn)北部，礦床類型屬一水硬鋁石沉積型鋁土礦，賦存較穩(wěn)定，累計探獲鋁土礦石各級資源儲量約為 3 890 萬 t，為一大型地下鋁土礦床。礦山采用平硐、上山開拓方式，走向長壁后退式采礦方法，綜合機(jī)械化開采工藝，設(shè)計生產(chǎn)能力為 100 萬 t/a[2-3]。

1101 工作面為瓦廠坪礦第 2 個綜采工作面，平均埋深為 300 m，走向長度約為 500 m，工作面投影長度為 135 m，傾角平均約為 20°，局部可達(dá) 25°。地質(zhì)較為簡單，礦體厚度變化不大，為單一層狀構(gòu)造，平均厚度約為 2.3 m。鋁土礦呈土狀、半土狀、碎屑狀、致密狀，礦質(zhì)優(yōu)良。礦石密度為 2.76 t/m3，松散系數(shù)為 1.56，普氏硬度系數(shù)f=4～ 6，無瓦斯粉塵爆炸危險[4]。

1.2 綜采工作面配套設(shè)備

與煤礦綜采工作面配套設(shè)備一致，瓦廠坪鋁土礦綜采工作面配套設(shè)備有采礦機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架，具體型號及設(shè)備生產(chǎn)廠家如表 1 所列。

表1 綜采工作面配套設(shè)備Tab.1 Matching equipments on fully-mechanized work face

2 工作面刮板輸送機(jī)提高耐磨性的改進(jìn)措施

2.1 磨損原因分析

原先選用的工作面刮板輸送機(jī)在瓦廠坪礦首采工作面試驗中暴露出的最主要問題是設(shè)備磨損嚴(yán)重，無法滿足礦方的使用要求。刮板輸送機(jī)磨損情況主要表現(xiàn)在刮板輸送機(jī)鏈輪軸組、刮板、鏈條及中部槽中板磨損嚴(yán)重，主要原因是運輸物料特性發(fā)生了根本性改變。在運輸煤炭時，由于煤炭自身具有“潤滑”作用，物料與設(shè)備間的摩擦較小。鋁土礦石主要成分為 Al2O3，含量高達(dá) 65% 以上。鋁土礦石硬度高，其普氏硬度系數(shù)f=4～ 6，且多以土狀、半土狀、碎屑狀為主。刮板輸送機(jī)工作時，受鏈輪驅(qū)動的刮板和鏈條在中部槽上循環(huán)往復(fù)，帶動中部槽上的鋁土礦物料向前輸送，產(chǎn)生磨粒磨損。物料散料在輸送過程中由刮板鏈推動前進(jìn)，僅由物料散料作用于中板造成的磨損為兩體磨粒磨損；當(dāng)土狀顆粒鋁土礦物料作為磨粒介質(zhì)進(jìn)入刮板、鏈條與中部槽等相對運動的零部件之間，產(chǎn)生三體磨粒磨損。由于運動表面接觸壓力大，磨粒介質(zhì)硬度高，產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損現(xiàn)象，加速了刮板輸送設(shè)備中部槽、鏈輪軸組、刮板鏈等部件的磨損。

2.2 提高耐磨性的改進(jìn)措施

刮板輸送機(jī)在鋁土礦井下工況實際的磨損過程是一個復(fù)雜的多種因素綜合作用的摩擦學(xué)系統(tǒng)，其影響因素包括設(shè)備材料特性、磨料特征、工況條件等[5]。通過分析影響設(shè)備耐磨性的主要因素，在刮板輸送機(jī)改進(jìn)設(shè)計時主要通過以下措施提高設(shè)備的耐磨性。

2.2.1 提升關(guān)鍵零部件材料性能

(1) 改進(jìn)鏈輪材質(zhì)。以現(xiàn)有鏈輪材質(zhì)為基礎(chǔ)，適當(dāng)增加 C 含量，降低 Ni 含量，適當(dāng)添加 V 元素。

(2) 改進(jìn)熱處理工藝，提高鏈窩感應(yīng)淬火硬度及深度，提高鏈輪的耐磨性。

(3) 提升中部槽槽幫材質(zhì)。以現(xiàn)有中部槽鑄造材料為基礎(chǔ)，進(jìn)行微合金化處理，提高槽幫耐磨性。

(4) 提升中部槽中板材質(zhì)。選用進(jìn)口高強(qiáng)度耐磨板替代國產(chǎn)耐磨板，提高中部槽的耐磨性。

2.2.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)

(1) 改進(jìn)刮板輸送機(jī)中部槽斷面結(jié)構(gòu)，增大刮板與中部槽中板、槽幫接觸面積，降低接觸比壓，減緩磨損。

(2) 增大鏈條與中板配合間隙。鏈條不直接接觸中板，降低鏈條與中板接觸壓力，減緩磨損。

(3) 增加槽幫側(cè)板、上沿等易磨損部位厚度等，提高設(shè)備的耐磨性與使用壽命。

2.2.3 提高易磨損部件的維護(hù)便捷性

(1) 設(shè)計可快速更換鏈輪的鏈輪軸組。鏈輪磨損后可在井下快速更換，不需整體拆除鏈輪軸組，提高設(shè)備維護(hù)便捷性。

(2) 將過渡槽上沿、伸縮機(jī)尾上沿等易磨損部位設(shè)計為可更換結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備維護(hù)便捷性，延長整機(jī)使用壽命。

2.2.4 降低刮板鏈速度

通過采用雙速電動機(jī)和變頻控制等手段，降低刮板鏈鏈速，使相對運動的磨損面滑動速度降低，達(dá)到提高設(shè)備耐磨性的目的。

3 工作面刮板輸送機(jī)磨損情況實測與分析

1101 工作面設(shè)備投入使用 11 個月后，因工作面推進(jìn)至溶洞區(qū)域，頂、底板條件差，而且工作面礦層變化，可采礦體厚度變薄，造成開采的礦石質(zhì)量急劇下降，計劃停采此工作面，進(jìn)行工作面搬家。截至停采，工作面共推進(jìn)約 350 m，生產(chǎn)礦石 32 萬 t。設(shè)備生產(chǎn)廠家在井下工作面對刮板輸送機(jī)關(guān)鍵零部件的磨損情況進(jìn)行了實測，在此重點分析中部槽及刮板的實際磨損情況。

3.1 中部槽磨損量實測分析

中部槽為刮板輸送機(jī)的核心部件，其耐磨性和壽命直接關(guān)系到整機(jī)壽命[6]。為了提高耐磨性，主要對中部槽中板材質(zhì)及厚度，槽幫材質(zhì)、熱處理工藝，以及中部槽鏈道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。中部槽初始中板厚度和內(nèi)槽寬度分別為 50 和 722 mm，通過測量中部槽中板厚度和內(nèi)槽寬度判斷磨損情況。在靠近機(jī)頭處、設(shè)備中間部位和靠近機(jī)尾處各取 3 節(jié) (共 9 節(jié)) 中部槽作為測量樣本，測量部位如圖 1 所示，實測數(shù)據(jù)如表 2 所列。其中中板厚度是擋板側(cè)、中間部位、鏟板側(cè)測量值。

表2 中部槽中板厚度及內(nèi)槽寬度實測數(shù)據(jù)Tab.2 Measurements of middle plate thickness and inner groove width of middle groove mm

圖1 中部槽測量部位示意Fig.1 Measured location of middle groove

中板厚度測量值、平均值及磨損量變化趨勢如圖 2 所示。

圖2 中板厚度測量值及磨損量Fig.2 Thickness measurements and wear loss of middle plate

從中部槽中板厚度磨損量測量數(shù)據(jù)來看，由于受鋁土礦井下惡劣工況、工作面起伏變化等影響，中板磨損并不均勻，磨損量最大為 9.3 mm，最小為 4.9 mm，平均磨損量為 6.7 mm。通過對機(jī)頭處、設(shè)備中間部位和靠近機(jī)尾處 3 組不同位置處中部槽中板的磨損量分析整機(jī)長度方向磨損量變化趨勢?？拷鼨C(jī)頭處 3 節(jié)中部槽中板平均磨損量為 8.1 mm，中間部位 3 節(jié)中部槽中板平均磨損量為 7.1 mm，靠近機(jī)尾處 3 節(jié)中部槽中板平均磨損量為 5.0 mm，總體變化趨勢為從機(jī)頭到機(jī)尾中板磨損量逐漸減小。這是因為在刮板輸送機(jī)整機(jī)長度上，中部槽過礦量從機(jī)頭到機(jī)尾逐漸減少。通過比較鏟板側(cè)中板厚度和擋板側(cè)中板厚度可以看出，鏟板側(cè)磨損量較擋板側(cè)大，這是因為運輸時鏟板側(cè)物料較擋板側(cè)多，加之工作面為俯采狀態(tài)，造成鏟板側(cè)磨損較擋板側(cè)嚴(yán)重。

中部槽內(nèi)槽寬度測量值及磨損量變化趨勢如圖 3 所示。

圖3 內(nèi)槽寬度測量值及磨損量Fig.3 Width measurements and wear loss of inner groove

從中部槽內(nèi)槽寬度磨損量測量情況分析，最大磨損量為 16.0 mm，最小磨損量為 3.0 mm，平均為 10.0 mm。與中板厚度磨損量變化趨勢一致，靠近機(jī)頭處平均磨損量為 14.3 mm，中間部位平均磨損量為 10.3 mm，靠近機(jī)尾處平均磨損量為 5.3 mm。在整機(jī)長度方向上，磨損量也是呈從機(jī)頭到機(jī)尾逐漸減小的趨勢，與中部槽過礦量從機(jī)頭到機(jī)尾逐漸減小的趨勢一致。

根據(jù)中板厚度和內(nèi)槽寬度磨損實測數(shù)據(jù)，結(jié)合 1101 工作面礦石產(chǎn)量分析，中部槽的耐磨性較首采工作面的設(shè)備提升明顯，證明提高耐磨性的改進(jìn)措施是有效的。目前中部槽的磨損量符合設(shè)計預(yù)期，可在下一個工作面繼續(xù)使用，建議礦方在搬家倒面時將中部槽從機(jī)頭到機(jī)尾調(diào)換安裝，使磨損量基本保持一致，以延長整機(jī)壽命。按中板厚度磨損量 25 mm 達(dá)到報廢條件推斷，中部槽整體使用壽命可達(dá)約 120 萬 t 過礦量，滿足 100 萬 t 過礦量的設(shè)計要求。

3.2 刮板磨損量實測分析

刮板是直接運輸物料的關(guān)鍵零部件，是刮板輸送機(jī)最易磨損的零部件，屬于易損件。為了提高耐磨性，鋁土礦用刮板采用了雙金屬分段焊接的結(jié)構(gòu)，并提高了材料的熱處理硬度。刮板主要通過測量長度、厚度、斧頭處寬度、中間段寬度來評價其磨損程度。在刮板輸送機(jī)上隨機(jī)間隔取 3 件刮板進(jìn)行測量，測量部位如圖 4 所示，實測數(shù)據(jù)如表 3 所列。

圖4 刮板測量尺寸簡圖Fig.4 Sketch of measured dimensions of scraper

表3 刮板實測數(shù)據(jù)Tab.3 Measurements of scraper mm

從刮板磨損量測量數(shù)據(jù)分析，刮板長度磨損較為嚴(yán)重，最大磨損量為 44.0 mm，最小磨損量為 39.0 mm，平均磨損量為 41.3 mm；刮板厚度磨損量最大為 5.0 mm，最小為 2.0 mm，平均為 3.7 mm；斧頭處寬度磨損量擋板側(cè)最大為 18.0 mm，最小為 14.0 mm，平均為 15.8 mm，鏟板側(cè)最大為 18.0 mm，最小為 15.0 mm，平均為 17.2 mm；中間寬度基本沒有磨損。從磨損數(shù)據(jù)可以看出，刮板斧頭處寬度磨損量鏟板側(cè)大于擋板側(cè)，可以推斷刮板長度磨損量也是鏟板側(cè)大于擋板側(cè)，這與中部槽中板厚度磨損量鏟板側(cè)大于擋板側(cè)是一致的，是因為鏟板側(cè)物料較擋板側(cè)多，而且工作面為俯采狀態(tài)，刮板鏈運行時偏向鏟板側(cè)槽幫，造成鏟板側(cè)磨損大于擋板側(cè)。

結(jié)合現(xiàn)場刮板鏈運行狀態(tài)，雖然刮板長度磨損嚴(yán)重，但截至 1101 工作面停采還未發(fā)生刮板斷裂、跳出鏈道等事故，其壽命達(dá)到了易損件 30 萬 t 過礦量的設(shè)計要求。建議將刮板長度采用堆焊方式修復(fù)后在下一個工作面繼續(xù)使用。需注意的是，刮板長度磨損至一定程度會使刮板鏈易從鏈道脫出造成事故，需及時更換或修復(fù)。

4 結(jié)語

鋁土礦綜采工作面刮板輸送機(jī)因運輸物料特性發(fā)生變化，磨損嚴(yán)重，壽命無法達(dá)到預(yù)期。針對鋁土礦工作面特殊工況及鋁土礦物料特性，通過提升關(guān)鍵零部件材料性能、改進(jìn)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)、提高易磨損部件的維護(hù)便捷性、降低刮板鏈速度等多種措施，提高了設(shè)備的耐磨性。通過對中部槽和刮板磨損情況進(jìn)行實測分析，中部槽的耐磨性較首采工作面設(shè)備有明顯提高，中部槽的磨損量符合設(shè)計預(yù)期，預(yù)計壽命可滿足 100 萬 t 過礦量的設(shè)計要求；刮板長度磨損較嚴(yán)重，但未發(fā)生刮板斷裂、跳出鏈道等事故。改進(jìn)后的中部槽和刮板壽命均可達(dá)到設(shè)計要求，中部槽可在下一個工作面繼續(xù)使用，刮板可采用堆焊方式修復(fù)后在下一個工作面繼續(xù)使用。