崔 衛(wèi) 秀

(中煤張家口煤礦機械有限責任公司，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，同時煤炭開采裝備技術(shù)的發(fā)展是促進煤炭開采效率提高的重要措施?，F(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]，而刮板輸送機作為煤礦主要運輸設(shè)備之一，其運輸效率直接決定著煤炭開采的生產(chǎn)效率和煤礦的經(jīng)濟效益，因此現(xiàn)代化智慧礦井的發(fā)展對刮板成套運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。

刮板鏈運行速度是刮板輸送機運行的一個重要參數(shù)，為研究刮板輸送系統(tǒng)鏈速提升的可行性，國內(nèi)外學者對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，利用刮板輸送機不同運行速度下的等效面積，得出刮板輸送機的運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]進行了刮板輸送機中部槽運輸效率及其運輸過程中的應(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)對運輸效率的影響較為顯著。張國新[7]對鏈嚙合傳動與刮板輸送機速度特性關(guān)系進行了研究，最終得到了不同嚙合狀態(tài)下的刮板輸送機速度變化曲線圖，通過對曲線圖的分析，可以了解嚙合鏈輪的齒數(shù)變化對刮板鏈速的影響。毛君等[8]研究了刮板輸送機在運行輸送物料時的刮板輸送機運行規(guī)律以及動態(tài)特性，系統(tǒng)地提出了刮板輸送機輸送物料的過程中各個關(guān)鍵部件的受力以及運動特性。

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。為保障刮板運輸系統(tǒng)的連續(xù)、順暢、高速運輸，防止煤流在運輸通道內(nèi)堵塞，以大塊煤對運輸系統(tǒng)造成的危害為主線，提出了確保煤流順暢運輸?shù)木C合煤流堵塞防控技術(shù)與方案，并在現(xiàn)場進行了試驗。試驗證明：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 刮板運輸系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外刮板輸送機鏈速比較

對比國外同類產(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系列的刮板輸送機鏈速均能達到1.78 m/s以上，在槽寬1350系列的橋式轉(zhuǎn)載機鏈速均達到2.17 m/s以上。下面為中煤張家口煤礦機械有限責任公司和JOY公司相近產(chǎn)品鏈速、運量的比較，見表1、表2。

表1 國內(nèi)外1000系列刮板輸送機鏈速比較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，刮板輸送機提升速度變得簡單快捷。但是當刮板鏈速提升后，單位時間內(nèi)煤流和運輸系統(tǒng)相關(guān)部件的摩擦次數(shù)增多，對運輸系統(tǒng)的各個拐點的沖擊也增大，隨之帶來的負面效應(yīng)，由于缺乏系統(tǒng)性研究及試驗數(shù)據(jù)，為各大煤礦用戶帶來了很大的困擾。如何合理地進行整體設(shè)計，保證鏈速提升之后煤流仍運行順暢是本文主要解決的問題。

1.3 大塊煤成因及對刮板運輸系統(tǒng)的危害

刮板運輸系統(tǒng)包括工作面刮板輸送機、巷道橋式轉(zhuǎn)載機、巷道錘式破碎機。中厚煤層開采中工作面刮板運輸系統(tǒng)內(nèi)的大塊煤主要有：采煤機割煤后未經(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)采煤機在高速割煤時，由于采煤機滾筒旋轉(zhuǎn)時對來自煤壁的煤未能完全破碎，在推移刮板輸送機時，大塊煤會部分進入刮板輸送機槽內(nèi)，在刮板鏈的帶動下，向機頭方向運行。

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

3)在中厚煤層開采工作面，受開采擾動和礦壓的影響，煤壁發(fā)生大塊片幫脫落頻繁[11]，脫落時由于未能完全進入刮板輸送機槽，會導致煤流運輸不暢。

散煤在刮板運輸通道內(nèi)隨刮板鏈的運轉(zhuǎn)向機頭方向運輸，在輸送機過渡段爬升一定角度后，在機頭卸載口煤流轉(zhuǎn)向90°，經(jīng)轉(zhuǎn)載機入料口至轉(zhuǎn)載機爬坡段，爬升一定角度后卸載到帶式輸送機上。當不規(guī)則的大塊煤在運輸過程中經(jīng)過輸送機過渡段、輸送機卸載口、轉(zhuǎn)載機入料口、轉(zhuǎn)載機起坡段等“拐點”時，在刮板鏈的帶動下呈一定角度爬升或者煤流轉(zhuǎn)向時，大塊煤的運輸狀態(tài)發(fā)生改變，導致其向槽外側(cè)溢出。此種現(xiàn)象不僅會影響煤流的順暢運輸，嚴重時會造成煤流通道的堵塞，甚至壓死刮板輸送機槽直至停機。此時不得不采取人工清煤，費時費力的同時，嚴重影響了煤炭生產(chǎn)效率。

2 煤流堵塞綜合防控技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，根據(jù)刮板運輸通道內(nèi)煤流發(fā)生堵塞現(xiàn)象的不同位置，對運輸系統(tǒng)的相關(guān)部件結(jié)構(gòu)特點進行研究，采取不同的防控方法與技術(shù)，確保煤流通道的順暢運輸。

2.1 輸送機過渡段

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)接輸送機機頭架與刮板輸送機槽的特殊聯(lián)接槽，它的作用是在工作面“三機”配套過程中調(diào)整刮板輸送機配套長度，平滑順利的完成輸送通道地起坡，并與機頭架相聯(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。基于高鏈速刮板輸送機的運行特性，需盡可能降低升角α以使刮板運行平緩，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)整機頭架中板角度來實現(xiàn)，在機頭架中板位置確定后再根據(jù)機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呈遞進式增加，并加大過渡圓弧半徑γ，以此達到高鏈速下煤流的順暢運行。

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輸系統(tǒng)煤流的順暢運輸和刮板的高速運行。

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。但是大塊煤在進入機頭卸載口時，需轉(zhuǎn)向90°卸載到轉(zhuǎn)載機上，在轉(zhuǎn)向過程中因其運輸狀態(tài)發(fā)生改變，從而導致其卡在卸載口，無法順利完成卸載，來自工作面的高速煤流由于運輸通道的堵塞，很快會堆積如山，直至壓死刮板輸送機槽。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，對來自工作面的大塊煤實施預破碎，使其能順利通過卸載口，進入轉(zhuǎn)載機運輸通道。

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

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

1—鏈輪組件;2—刮板輸送機上鏈道;3—刮板輸送機下鏈道;4—活中板;5—轉(zhuǎn)載機下鏈道;6—轉(zhuǎn)載機上鏈道;7—犁煤板圖5 交叉?zhèn)刃稒C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，卸煤的順暢與否對交叉?zhèn)刃妒綑C頭架式一個非常嚴峻的考驗，結(jié)合多年來的設(shè)計經(jīng)驗和實際使用狀況，對高鏈速刮板輸送機交叉?zhèn)刃稒C頭架提出局部改進。

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入下鏈道，該結(jié)構(gòu)在減少回煤的同時，防止了大塊煤及矸石卡在犁煤板下底面和活中板之間，有利于煤流的運輸順暢。

2.2.2 端卸式

對于端卸式刮板輸送機，由于其卸載高度較高，導致過渡槽煤流爬升角度較大。實踐中，由于大塊煤運行到機頭架處運行狀態(tài)發(fā)生改變，加之受到機頭架側(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慣及實踐經(jīng)驗。在此處設(shè)置了滾筒式大塊煤破碎裝置，在大塊煤運行不暢時，對其施破碎保證煤流的順暢運行，如圖7所示，在大塊煤進入機頭架前將其破碎，避免大塊煤堵塞機頭部位，保證了輸送機“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輸系統(tǒng)煤流順暢運輸?shù)男枨?，此外破碎搖臂鉸接點設(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)載機入料口

橋式轉(zhuǎn)載機是一種特殊的刮板輸送機，它布置在工作面的運輸巷，與采煤工作面的刮板輸送機垂直搭接，刮板輸送機運過來的原煤落到橋式轉(zhuǎn)載機的卸料槽上，橋式轉(zhuǎn)載機再負責把輸送過來的原煤抬高并運輸?shù)较锏缼捷斔蜋C上。

當原煤從刮板輸送機運輸?shù)睫D(zhuǎn)載機上時，煤流需要轉(zhuǎn)向90°，不規(guī)則的大塊煤在刮板輸送機刮板和轉(zhuǎn)載機刮板的雙重作用下，運輸狀態(tài)會改變，使其在進入轉(zhuǎn)載機通道時，卡在側(cè)板處，造成煤流的堵塞，這種狀態(tài)下，必須對其實施破碎。經(jīng)過實地考察調(diào)研，對入料口蓋板進行加厚，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。當大塊煤在入料口堵塞時，操縱液壓沖擊破碎錘對大塊煤實施沖擊破碎。

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)載機爬坡段

從轉(zhuǎn)載機凹槽開始，一直到凸槽這部分稱為爬坡段，從凸槽到機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)載機機頭能夠與帶式輸送機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，煤流運行到此處，在D處形成拐點，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”處，較其他中板磨損較為嚴重，鏈速提升后，會嚴重影響整機的使用壽命。

1—凹槽;2—鉸接槽;D—“拐點”;E—凹槽前蓋板;F—凹槽后蓋板圖9 優(yōu)化前、后轉(zhuǎn)載機爬坡段對比示意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)，煤流運行到D處時，“拐點”明顯放緩，保證了大塊煤流的有效通過。圖10是針對凹槽中板的特殊設(shè)計，采用了鏈道退縮式防磨損結(jié)構(gòu)，對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、底板與刮板才進行正常磨損。實踐證明使用該結(jié)構(gòu)的凸、凹槽中、底板及翼板的壽命，與轉(zhuǎn)載機其他配套刮板輸送機槽的壽命基本相等，因此橋式轉(zhuǎn)載機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 工程實踐

3.1 工程概況

項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)計保證了高速煤流在過渡段的順暢運輸。采用犁煤板超前活中板技術(shù)的交叉?zhèn)刃稒C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，使進入到機頭架的大塊煤得以破碎。轉(zhuǎn)載機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，同時提高了凹槽的使用壽命。

4 結(jié) 語

刮板運輸系統(tǒng)鏈速提升是提高工作面生產(chǎn)效率的有效措施，煤流順暢運輸是鏈速提升的前提。通過對國內(nèi)外同型號設(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運輸系統(tǒng)的危害，將煤流通道危險點逐一研究，提出了防止刮板運輸系統(tǒng)煤流通道堵塞的相關(guān)技術(shù)及方案。結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用情況，通過相關(guān)防控技術(shù)的應(yīng)用，減小了高速煤流對設(shè)備的沖擊，保障了刮板運輸系統(tǒng)鏈速提升后煤流的順暢運輸。