李鳳錦 王宏奇 焦其峰

(冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦,河北省邢臺(tái)市,054000)

1 概述

如何解決煤礦區(qū)建筑物下壓煤開采,以及固體廢棄物矸石與粉煤灰的排放處理問題,是煤礦企業(yè)急需解決的重大技術(shù)難題之一。

邢臺(tái)礦為了解決井田范圍內(nèi)建筑物下壓煤?jiǎn)栴}設(shè)計(jì)了井下工作面矸石和粉煤灰充填系統(tǒng)。在充填物料的來源中,矸石來自本礦洗煤廠的洗選矸石,粉煤灰來自矸石熱電廠的廢棄物。為了將這兩種工業(yè)廢料作為井下采空區(qū)充填材料運(yùn)輸?shù)讲擅汗ぷ髅娌煽諈^(qū),邢臺(tái)礦設(shè)計(jì)了井上和井下兩大運(yùn)輸系統(tǒng),在這兩個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)之間還有大垂深投料系統(tǒng)。另外,該工作面所用的設(shè)備全部為新式的充填設(shè)備,因此它們之間的合理配套問題是這些設(shè)備能否正常發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

2 井上運(yùn)輸系統(tǒng)

2.1 充填帶式輸送機(jī)

井上帶式輸送機(jī)走廊為邢臺(tái)礦7606綜采充填工作面運(yùn)輸系統(tǒng)的井上部分。該工作面的充填材料為選煤廠篩下洗矸(細(xì)矸粒度為50 mm×50 mm)和矸石電廠粉煤灰,在運(yùn)輸時(shí),經(jīng)一部井上充填帶式輸送機(jī)、兩臺(tái)翻轉(zhuǎn)卸料閥和計(jì)量螺旋給料機(jī)分別將矸石和粉煤灰運(yùn)至投料孔,按比例混合投入井下矸石倉,經(jīng)井下甲帶給料機(jī)、運(yùn)矸帶式輸送機(jī)、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)抵工作面,由充填刮板輸送機(jī)向采空區(qū)進(jìn)行充填。

邢臺(tái)礦首先對(duì)選煤廠細(xì)矸倉進(jìn)行改造,在倉側(cè)面開一個(gè)620 mm×620 mm方孔作為放料口,并對(duì)方孔周圍進(jìn)行加固。外接溜矸嘴至帶式輸送機(jī)走廊,經(jīng)充填帶式輸送機(jī)運(yùn)至投料孔。

矸石流量由電液動(dòng)平板閘門控制,該閘門由江蘇潮陽液壓機(jī)械公司生產(chǎn),型號(hào)為PZ-B50(500 mm×500 mm)。充填帶式輸送機(jī)為TD75-650型,為了與井下帶式輸送機(jī)配件具有互換性,對(duì)TD75-650型帶式輸送機(jī)進(jìn)行改造,使其與井下DSP1010/650-2×22型帶式輸送機(jī)主要配件完全統(tǒng)一,其主要參數(shù)為:輸送量100 t/h;輸送長(zhǎng)度55 m;帶寬650 mm;帶速1.6 m/s;電滾筒功率22 kW;直徑?500 mm。

粉煤灰運(yùn)輸采用2臺(tái)30 t南京晨光公司生產(chǎn)的CGJ5312GFL型粉粒物料運(yùn)輸車,從矸石電廠4#灰倉裝車經(jīng)公路運(yùn)輸至投料孔處,用壓縮空氣打入兩個(gè)粉煤灰倉。粉煤灰倉采用鋼板倉,倉徑為3.5 m,容量為60 t(75 m3)。壓縮空氣由車載空氣壓縮機(jī)供給,氣壓0.2 MPa。為保證順利打灰作業(yè),在空壓機(jī)房增設(shè)了灰罐車外接氣源,經(jīng)減壓閥減壓到0.2 MPa后供灰罐車使用。

充填帶式輸送機(jī)采用變頻控制,電子膠帶秤計(jì)量,可隨時(shí)調(diào)整給料量。

2.2 計(jì)量螺旋給料機(jī)

計(jì)量螺旋給料機(jī)為DGFL300×5000型,由單管調(diào)速計(jì)量螺旋秤、傳感器、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等幾部分組成。

DGFL型計(jì)量螺旋給料機(jī)與計(jì)算機(jī)構(gòu)成料流閉環(huán)控制環(huán)節(jié),計(jì)算機(jī)通過檢測(cè)傳感器的料流重量信號(hào)與料流給定量進(jìn)行比較,其偏差通過PID調(diào)節(jié)計(jì)算,輸出-ΔY速度調(diào)節(jié)控制信號(hào),通過變頻調(diào)速控制器,調(diào)節(jié)螺旋給料機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)給料量,使料流恒定實(shí)現(xiàn)料流控制與計(jì)量。

充填帶式輸送機(jī)和計(jì)量螺旋給料機(jī)均采用變頻控制,充填帶式輸送機(jī)與螺旋給料機(jī)聯(lián)動(dòng),可以隨時(shí)精確調(diào)整物料配比,精確計(jì)量給料量。物料配比經(jīng)過多次試驗(yàn),現(xiàn)在按10∶3進(jìn)行充填,使用效果良好。

2.3 破拱裝置

粉煤灰倉設(shè)計(jì)安裝了料位計(jì)可指示倉內(nèi)粉煤灰數(shù)量,當(dāng)灰倉料位計(jì)指示燈亮?xí)r說明灰倉已滿,帶式輸送機(jī)走廊控制臺(tái)操作人員打鈴指揮粉粒物料運(yùn)輸車司機(jī)停止向倉內(nèi)打灰。為防止發(fā)生堵倉事故,在粉煤灰倉內(nèi)設(shè)計(jì)安裝了破拱裝置,當(dāng)發(fā)生堵倉時(shí)破拱裝置的振動(dòng)可使粉煤灰下落,解決堵倉問題。

2.4 倉頂除塵器

為了防止粉煤灰對(duì)環(huán)境造成污染,在粉煤灰倉和混料溜筒上方安裝了MD-30型倉頂除塵器,除塵器由WM K-4型無觸點(diǎn)脈沖控制儀控制。脈沖控制儀輸出電信號(hào)的維持時(shí)間為脈沖寬度,輸出兩個(gè)電信號(hào)之間的時(shí)間為脈沖間隔。脈沖寬度和脈沖間隔均可通過控制儀前面板上的旋鈕控制以使脈沖間隔時(shí)間加長(zhǎng)。

2.5 井上運(yùn)輸系統(tǒng)的控制與保護(hù)系統(tǒng)

(1)井上帶式輸送機(jī)走廊的充填帶式輸送機(jī)、計(jì)量螺旋給料機(jī)、電子膠帶秤、翻轉(zhuǎn)卸料閥、破拱裝置、倉頂除塵器等設(shè)備全部由膠帶走廊操作臺(tái)集中控制。

(2)安裝攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)視,通過攝像頭可以觀測(cè)下料的過程。充填時(shí)操作工可以通過井上的監(jiān)視畫面清楚地觀察到-210渣倉上口下料的情況,巷道內(nèi)泄壓管的泄壓情況,以及水銀壓力測(cè)量裝置的壓力狀況。當(dāng)看到物料充滿時(shí)及時(shí)停車,避免了以前充料過多導(dǎo)致投料管堵塞的現(xiàn)象。

(3)采用風(fēng)壓監(jiān)測(cè),在渣倉上口處安裝風(fēng)壓監(jiān)測(cè)器并將數(shù)據(jù)在井上操作室內(nèi)顯示出來。當(dāng)不充填時(shí)顯示為0.006左右,充填時(shí)風(fēng)壓將在0.015～0.030之間變化。若在正常的充填過程中出現(xiàn)風(fēng)壓迅速減小至0.010以下,則是因?yàn)樵鼈}已充滿導(dǎo)致風(fēng)壓的減小,這時(shí)必須立即停止充填。

(4)在渣倉上口處安裝了滿倉信號(hào)保護(hù),當(dāng)渣倉充滿物料堆積到一定程度時(shí)將觸發(fā)該保護(hù),并在井上的操作室內(nèi)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這時(shí)操作工就可以通過報(bào)警信號(hào)知道渣倉已滿,及時(shí)停車。

通過安裝這些保護(hù)增加了充填系統(tǒng)運(yùn)行的安全系數(shù),確保了充填的順利進(jìn)行。

3 大垂深投料系統(tǒng)

由于綜采充填工作面的填充材料矸石和粉煤灰來自地面,因此如何安全、高效地將充填材料從井上運(yùn)輸?shù)骄率潜卷?xiàng)目需解決的難題之一。在通過調(diào)研分析和充分論證,決定采用垂直投料井輸送。

垂直投料系統(tǒng)從井上到井下的投料落差在350 m左右,從地面以下300 m處為一個(gè)內(nèi)徑470 mm的投料管,為了能夠保證在地面系統(tǒng)檢修時(shí)井下有一定物料儲(chǔ)存量,在距離投料管下口的50 m深度范圍內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)物料儲(chǔ)存?zhèn)},儲(chǔ)存?zhèn)}下面安裝一臺(tái)甲帶給煤機(jī)向井下運(yùn)輸系統(tǒng)給料。

物料輸送過程:首先在井上運(yùn)輸系統(tǒng)中將矸石(直徑小于50 mm)與粉煤灰分別通過充填帶式輸送機(jī)和粉煤灰倉的螺旋給料機(jī)同時(shí)運(yùn)送到垂直投料井口的混合料斗中,通過自動(dòng)控制將矸石與粉煤灰按照一定比例混合,然后通過垂直投料管呈自由落體狀態(tài)落到投料管下口的緩沖裝置上再落入下方的矸石倉中。再通過倉下口安裝的給煤機(jī)裝載到井下帶式輸送機(jī)上,進(jìn)行矸石的井下運(yùn)輸,最后到達(dá)采煤工作面進(jìn)行采空區(qū)回填。

3.1 投料管尺寸的確定

投料管筒直徑的大小取決于兩個(gè)因素——物料最大顆粒的直徑和所需的物料量。管筒直徑太小直接影響填料的輸送且容易堵管,過大則增加經(jīng)濟(jì)成本以及影響井底的接料。一般取大于最大通過管道粒度3倍為圓管直徑。根據(jù)填料的粒徑不大于50 mm的特點(diǎn),確定采用?510 mm×12 mm耐磨鋼管作為下料管。填充需求量50萬t/a,考慮一定的富裕系數(shù),設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力不小于450 t/h。

對(duì)于投料管直徑的確定,因其主要失效形式不是強(qiáng)度破壞而是容器喪失穩(wěn)定性。所以設(shè)計(jì)時(shí)通常是采用保證其臨界壓力高于設(shè)計(jì)壓力的方法,來保證管路在工作時(shí)的穩(wěn)定性。

經(jīng)分析計(jì)算投料管的壁厚為12 mm滿足穩(wěn)定性要求。但考慮填充物中矸石硬度較大,對(duì)鋼管磨損嚴(yán)重,且井筒較深,經(jīng)綜合考慮,投料管選用耐磨管,外徑530 mm,內(nèi)徑470 mm。

3.2 物料儲(chǔ)存?zhèn)}的設(shè)計(jì)

根據(jù)填充需求量按50萬t/a設(shè)計(jì),考慮1天填充物料儲(chǔ)存量,則井下儲(chǔ)料倉容積為520 m3。從井筒掘進(jìn)實(shí)際情況考慮,儲(chǔ)料倉直徑選取為4.0 m,則深度為42.0 m,考慮儲(chǔ)料倉上部需安設(shè)緩沖裝置等因素,深度選取50.0 m。

由于充填物料含有一定的水分,且儲(chǔ)料倉容量較大,因此儲(chǔ)料倉容易發(fā)生堵倉現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了充填開采的順利進(jìn)行。為此,在倉中安設(shè)了氣體疏堵裝置,由儲(chǔ)料倉下部的儲(chǔ)氣罐存儲(chǔ)一定的高壓空氣,當(dāng)儲(chǔ)料倉發(fā)生堵倉現(xiàn)象時(shí),儲(chǔ)氣罐內(nèi)的高壓風(fēng)通過風(fēng)包和管路吹向堵倉部位,擁堵部位的物料在高壓氣流的沖擊下發(fā)生松動(dòng),最終得到清理。

3.3 緩沖裝置的設(shè)計(jì)

在垂直投料系統(tǒng)中,矸石與粉煤灰從地面向井下運(yùn)輸是呈自由落體型式通過直徑470 mm、深度300 m的投料井的,由于投料井下方是物料儲(chǔ)存?zhèn)}和甲帶式給煤機(jī),為了減輕從地面投下的物料對(duì)矸石倉和給煤機(jī)的沖擊,在投料管的下方設(shè)計(jì)了一套緩沖裝置,當(dāng)矸石從300 m高處落下時(shí)先通過該緩沖裝置的緩沖,再落入物料儲(chǔ)存?zhèn)}。

3.3.1 沖擊力分析

緩沖裝置的設(shè)計(jì)是以承受物料下落的沖擊力為基礎(chǔ)的,因此沖擊力的分析對(duì)緩沖裝置材料的選取以及外形的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。受力分析過程為充填物料直接由地面投到井下,考慮到充填物料經(jīng)投料管落到緩沖裝置上是個(gè)連續(xù)的過程,因此運(yùn)用動(dòng)量守恒原理對(duì)物料落到緩沖裝置上時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力進(jìn)行計(jì)算分析。

根據(jù)自由落體以及功能轉(zhuǎn)化的相關(guān)知識(shí)原理,可以得沖擊力:

式中:F——物料與緩沖裝置發(fā)生碰撞時(shí)的沖擊力,kN;

g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?m/s2;

H——投料高度,即投料管長(zhǎng)度,m;

v1——物料下落的初速度,即傳動(dòng)帶的速度,m/s;

Q——小時(shí)投料能力,t/h。

將v1=2 m/s,Q=450 t/h,g=10 m/s2,H=300 m帶入公式(1)中,得到物料由井口投入到達(dá)緩沖裝置時(shí)的速度為77.49 m/s,沖擊力F為9.68 kN,相當(dāng)于0.968 t重物的壓力。由于投料過程中還伴有空氣阻力的作用,計(jì)算得出的沖擊力以及壓應(yīng)力均可視為最大值。

3.3.2 緩沖裝置的結(jié)構(gòu)

圖1 緩沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)落料程度和沖擊力分析情況,設(shè)計(jì)緩沖器樣式為傘形,即充填料下落的直接接觸面為錐形面。緩沖器由緩沖墊、鑄鋼傘架、導(dǎo)向桿、緩沖彈簧組和底座等組成,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),該設(shè)施可以承載充填料落下的沖擊力。緩沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

最外面是一套緩沖墊,由鋼絲繩芯強(qiáng)力膠帶制作而成,既可以緩沖矸石塊的沖擊,又可以減小沖擊噪聲。緩沖墊下面是承受物料沖擊的主要部件——鑄鋼底盤,外形是一個(gè)圓錐形殼體,上面設(shè)計(jì)有螺紋孔,可以用沉頭螺栓把緩沖墊固定到上面,鑄鋼底盤內(nèi)部設(shè)有支撐鋼板作為支撐骨架,以增強(qiáng)緩沖裝置的整體剛性。

導(dǎo)向桿設(shè)在鑄鋼傘架的下方,它與底座上的導(dǎo)向套配套使用,可以在里面自由上下運(yùn)動(dòng),其作用是在緩沖器受到物料沖擊而上下竄動(dòng)時(shí)防止整體歪斜,起導(dǎo)向作用。

緩沖彈簧組由16套彈簧組成,可以承受瞬時(shí)流量在450 t/h時(shí)的沖擊,這些彈簧支撐在鑄鋼傘架和底座之間,能很好地吸收整個(gè)緩沖器所受到的沖擊力。

4 井下運(yùn)輸系統(tǒng)

邢臺(tái)礦7606綜采充填工作面井下矸石與粉煤灰運(yùn)輸系統(tǒng)由1套甲帶式給煤機(jī)、4部DSP1010/650型帶式輸送機(jī)、1套可伸縮帶式轉(zhuǎn)載機(jī)和1套吊掛式刮板輸送機(jī)組成。

首先,矸石與粉煤灰通過垂直投料系統(tǒng)的物料儲(chǔ)存?zhèn)}下口的甲帶式給煤機(jī)送料,然后到達(dá)第一、二部DSP1010/650型普通帶式輸送機(jī),當(dāng)運(yùn)輸?shù)降谌?、四部帶式輸送機(jī)時(shí)變?yōu)榈估\(yùn)輸,再到帶式轉(zhuǎn)載機(jī),在井下運(yùn)輸?shù)淖詈笠粋€(gè)環(huán)節(jié)是充填式刮板輸送機(jī),它是懸掛在液壓支架每架的后尾梁上面的。

4.1 甲帶給煤機(jī)

在矸石倉下口是1套GLD2000/7.5/S型甲帶給煤機(jī),運(yùn)輸量為200～1200 t/h,采用變頻調(diào)速控制,可以方便地進(jìn)行運(yùn)量調(diào)節(jié)。

4.2 DSP1010/650型帶式輸送機(jī)

在給煤機(jī)下方是兩部DSP1010/650帶式輸送機(jī),在第一部帶式輸送機(jī)的機(jī)頭部位安裝有電子秤,可以監(jiān)控矸石和粉煤灰的運(yùn)輸量。第二部正常布置,而第三部和第四部DSP1010/650帶式輸送機(jī)的采用的是倒拉形式,目的是為了配合工作面的推移而方便縮減膠帶。另外,為了增加運(yùn)輸?shù)捻肥头勖夯业臐穸?在每部帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)載點(diǎn)處都裝有噴霧裝置。

由于矸石和粉煤灰在較濕的情況下很容易粘接到膠帶上,因此除了在膠帶上使用一般的清煤器外,還應(yīng)用了新型的SC16型二級(jí)膠帶清掃器,它可以清除90%以上的粘附物料。

4.3 帶式轉(zhuǎn)載機(jī)

帶式轉(zhuǎn)載機(jī)既要和DSP1010/650型帶式輸送機(jī)配套,使矸石落到它的卸料槽中,又要和吊掛式刮板輸送機(jī)配套,將帶式轉(zhuǎn)載機(jī)的矸石輸送到吊掛刮板輸送機(jī)的機(jī)尾上,是運(yùn)輸系統(tǒng)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。該帶式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸能力為100 t/h,和DSP1010/650帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力相等,可滿足運(yùn)輸要求。帶式轉(zhuǎn)載機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

該轉(zhuǎn)載機(jī)總長(zhǎng)15 m,分為3段,前段為卸料部,直接和吊掛輸送機(jī)機(jī)尾搭接實(shí)現(xiàn)落料;中間段為動(dòng)力部,它由一個(gè)7.5 kW的電動(dòng)滾筒提供動(dòng)力,另外還設(shè)有張緊裝置,實(shí)現(xiàn)膠帶的張緊作用;后段為受料部,從DSP1010/650型帶式輸送機(jī)卸載的物料直接落到其上。帶式轉(zhuǎn)載機(jī)設(shè)有兩個(gè)鉸接支撐點(diǎn),在帶式轉(zhuǎn)載機(jī)中間動(dòng)力部設(shè)有一個(gè)大滑靴,通過銷軸與機(jī)架鉸接,既可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)膠帶的支撐,又可以在帶式轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行拉移時(shí),起到支撐作用。在帶式轉(zhuǎn)載機(jī)前端卸料前部設(shè)有一個(gè)小滑靴,通過其支撐點(diǎn)連接到調(diào)高千斤頂上,通過其伸縮,可以實(shí)現(xiàn)帶式轉(zhuǎn)載機(jī)的高度調(diào)節(jié)。整個(gè)帶式轉(zhuǎn)載機(jī)可以通過拉移千斤頂實(shí)現(xiàn)隨著工作面的推進(jìn)而移動(dòng)。

圖2 帶式轉(zhuǎn)載機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

帶式轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾框架如圖3所示,由卸載滾筒、機(jī)尾框架、框架滑移底板及其他附屬部件組成,帶式轉(zhuǎn)載機(jī)尾部可以伸到第四部DSP1010/650型倒拉帶式輸送機(jī)機(jī)尾框架內(nèi),該框架可以對(duì)轉(zhuǎn)載膠帶起到導(dǎo)向作用,保證拉移帶式轉(zhuǎn)載機(jī)時(shí)不產(chǎn)生歪斜。這樣隨著工作面推進(jìn)而拉移帶式轉(zhuǎn)載機(jī)時(shí)可以不用移動(dòng)DSP1010/650型帶式輸送機(jī)機(jī)尾框架,在帶式轉(zhuǎn)載機(jī)縮到頭時(shí)再拉移帶式轉(zhuǎn)載機(jī)尾框架,由于它與運(yùn)矸帶式輸送機(jī)機(jī)尾有3 m的重疊長(zhǎng)度,在這3 m距離內(nèi)只是移動(dòng)自移式矸石與粉煤灰?guī)睫D(zhuǎn)載機(jī),而不需要頻繁移動(dòng)運(yùn)矸帶式輸送機(jī)機(jī)尾。

圖3 帶式轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾框架示意圖

4.4 充填刮板輸送機(jī)

4.4.1 結(jié)構(gòu)

充填刮板輸送機(jī)是懸掛在液壓支架后尾梁上的,采用的是SGB620/40T刮板機(jī)的機(jī)頭傳動(dòng)部,目的是減小傳動(dòng)部的外形尺寸,以便于吊掛到支架的尾梁上。機(jī)頭傳動(dòng)部采用40 kW單電機(jī)液力耦合器傳動(dòng),目的是在刮板機(jī)被卡拌住時(shí)起緩沖作用,避免斷鏈等事故。

為了增加中部槽的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和連接的可靠性,中部槽采用SGB630/150C刮板機(jī)的溜槽,每隔一個(gè)中部槽設(shè)置有一個(gè)開窗口漏料槽,以便在輸送機(jī)運(yùn)料時(shí)漏料,在開口處設(shè)有一個(gè)活動(dòng)插板,插板兩側(cè)和拉移千斤頂相連接,漏料量的多少是通過調(diào)節(jié)千斤頂伸縮控制的。由于該輸送機(jī)為懸掛式,在每節(jié)溜槽的槽幫上設(shè)計(jì)有4個(gè)起吊塊,通過U型連接環(huán)和支架的滑移板相連接,實(shí)現(xiàn)懸掛。

機(jī)尾部也采用SGB620/40T刮板機(jī)的機(jī)尾部,目的也是盡量減小其高度,可以使中部槽盡量吊掛得高些。機(jī)尾過渡槽的結(jié)構(gòu)比較特殊,它在過渡槽底板上設(shè)計(jì)了一個(gè)長(zhǎng)度為800 mm的托梁,可以用它將機(jī)尾部托起懸掛在支架的外側(cè)面,這樣就使得帶式轉(zhuǎn)載機(jī)可以將物料卸載到充填刮板輸送機(jī)上進(jìn)行架后充填。

4.4.2 充填方式

充填順序由下向上,當(dāng)下面一個(gè)卸料孔落料到一定高度后,即關(guān)閉卸料孔,再開啟上一個(gè)充填卸料孔,隨即啟動(dòng)夯實(shí)千斤頂推動(dòng)鏟板,對(duì)已落下的充填材料進(jìn)行壓緊夯實(shí),如此反復(fù)幾個(gè)循環(huán),直至采空區(qū)充滿壓實(shí);調(diào)節(jié)千斤頂用于調(diào)節(jié)夯實(shí)千斤頂和鏟板的角度,可使充填料在支架后部接頂,從而實(shí)現(xiàn)完全充填。綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)、充填系統(tǒng)融合為一體,回采、充填同時(shí)進(jìn)行。充填材料經(jīng)上巷輸送機(jī)運(yùn)至綜采工作面上端頭,再由充填刮板輸送機(jī)將材料運(yùn)至綜采面的采空區(qū)進(jìn)行充填。

4.4.3 卸料孔

(1)卸料孔形狀確定。所設(shè)計(jì)充填刮板輸送機(jī)卸料孔的形狀可以有很多的選擇,如圓形或方形。但在同面積卸料孔的條件下,使卸料孔下方矸石與粉煤灰的堆積體積最大(也即落料效果最好)是確定卸料孔形狀的依據(jù)。

以設(shè)計(jì)圓形和正方形卸料孔為例,分析卸料孔形狀的優(yōu)化選擇問題。假設(shè)卸料孔的面積為S,設(shè)懸掛在充填液壓支架后部尾梁下的充填刮板輸送機(jī)距底板的距離為h,矸石與粉煤灰的自然安息角為φ,可知棱臺(tái)的底面積大于圓臺(tái)形。由于兩者的高度相等,棱臺(tái)的體積要大于圓臺(tái)的體積,即V方>V圓,所以選擇正方形孔比較合理。

(2)充填刮板輸送機(jī)卸料孔間距優(yōu)化設(shè)計(jì)。由理論分析及以往現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)得出比較合理的卸料孔形狀尺寸及其間距。卸料孔的形狀設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形,其尺寸為500 mm×400 mm;卸料孔間距設(shè)計(jì)為3 m,工作面下方的孔應(yīng)盡量靠近機(jī)頭。該尺寸的卸料孔有助于提高矸石與粉煤灰充填的質(zhì)量,同時(shí)有利于充分發(fā)揮充填系統(tǒng)各設(shè)備的性能,提高矸石與粉煤灰充填的效率。如果卸料孔孔徑尺寸過小,會(huì)影響充填效率;如果孔徑過大,會(huì)降低充填刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,影響充填刮板輸送機(jī)的使用壽命,造成一定的安全隱患。

同理,如果卸料孔的孔間距過密會(huì)降低充填刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,如果孔間距過大,則無法充滿整個(gè)采空區(qū),達(dá)不到充填要求。經(jīng)分析后,設(shè)計(jì)充填刮板輸送機(jī)上卸料孔為16個(gè),隔開1個(gè)槽設(shè)1個(gè)。

5 設(shè)備配套設(shè)計(jì)

邢臺(tái)礦7606工作面采煤設(shè)備包括MG200/466采煤機(jī)、SGZ764/400型側(cè)卸式輸送機(jī)、SGZ764/132可彎曲轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)和ZCC4800/16/32充填式液壓支架等。其中充填式液壓支架的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全不同,它既可以實(shí)現(xiàn)和輸送機(jī)、采煤機(jī)配合采煤,又可以和支架后部所吊掛的充填刮板輸送機(jī)和帶式轉(zhuǎn)載機(jī)相配套實(shí)現(xiàn)矸石回填。因此采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、支架、充填刮板機(jī)及帶式轉(zhuǎn)載機(jī)之間的配套尺寸直接關(guān)系到所有的設(shè)備是否可以正常使用。工作面各設(shè)備的配套示意圖見圖4。

5.1 回采工作面設(shè)備配套布置

工作面設(shè)備由ZCC4800/16/32型液壓支架、MG200/466采煤機(jī)、SGZ764/400型側(cè)卸式輸送機(jī)及SGZ630/150型充填刮板輸送機(jī)組成。

ZCC4800/16/32型液壓支架采用整體頂梁、鉸接尾梁、Y型正四連桿四柱支撐式,總長(zhǎng)7450 mm。最大支撐高度3.2 m,采煤機(jī)最大采高3.3 m,最小控頂距為340 mm。

該支架的最大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)了尾梁和搗實(shí)機(jī)構(gòu),尾梁長(zhǎng)2500 mm,通過銷軸鉸接在頂梁上,可以通過千斤頂調(diào)節(jié)擺角,適應(yīng)頂板變化。充填刮板輸送機(jī)是向采空區(qū)落料的設(shè)備,它通過鏈環(huán)吊掛在尾梁上,并且可以通過拉移千斤頂實(shí)現(xiàn)700 mm的橫向移動(dòng),在充填時(shí)刮板輸送機(jī)靠近采空區(qū)側(cè),在搗實(shí)時(shí)拉到靠近支架頂梁側(cè),避免了刮板機(jī)和搗實(shí)機(jī)構(gòu)的干涉。

搗實(shí)機(jī)構(gòu)安裝在支架底座后方,由擋矸座推移框架、推移鏟板和千斤頂組成。推移鏟板在搗實(shí)動(dòng)作時(shí)可以伸出并上下擺動(dòng),將矸石和粉煤灰推向采空區(qū),經(jīng)過幾次的推搗動(dòng)作將矸石和粉煤灰壓實(shí)。

圖4 工作面各設(shè)備的配套示意圖

對(duì)于支架移架速度的確定:

支架移架速度VZ可按下式估算。

式中:Qb——泵站流量,取400 L/min;

A——支架中心距,取1.5m;

∑Qi——一架支架全部立柱和千斤頂同時(shí)動(dòng)作所需的液體容積,取102 L;

Kx——泄漏損失系數(shù),取1.05。將相關(guān)參數(shù)代入公式(2)得移架速度為5.6 m/min。

為保證高產(chǎn)高效工作面采煤機(jī)連續(xù)割煤,整個(gè)工作面的移架速度不應(yīng)小于采煤機(jī)連續(xù)割一刀的平均割煤速度,即要求滿足

式中:Kzc——采支速度比,取1.3;

Vc——平均割煤速度,取2.5 m/min。

將相關(guān)參數(shù)代入公式(3)中,可得移架速度應(yīng)不小于3.25 m/min。

5.2 工作面機(jī)頭部設(shè)備布置

邢臺(tái)礦7606充填工作面共安裝充填支架34架,為了能夠在兩個(gè)巷道內(nèi)多充填物料,運(yùn)輸巷側(cè)第1架充填式支架距離巷道外邊1300 mm,這樣既可以留有人員觀察空間,又可以使得吊掛刮板輸送機(jī)有一個(gè)卸載空間。由于在運(yùn)輸巷側(cè)SGZ764/400型輸送機(jī)為側(cè)卸式,減速機(jī)垂直布置,因此減速機(jī)在運(yùn)輸巷內(nèi),在側(cè)卸式輸送機(jī)的最外邊與巷道留有1100 mm的行人空間。工作面運(yùn)輸巷側(cè)設(shè)備布置見圖5。

圖5 工作面機(jī)頭部運(yùn)輸巷側(cè)設(shè)備布置

機(jī)頭鏈輪軸中心線和第1架支架的中心距離為500 mm,和轉(zhuǎn)載機(jī)的中心線距離為1500 mm,這樣保證轉(zhuǎn)載機(jī)的盲軸距離運(yùn)輸巷道內(nèi)邊有一定的空間,不影響轉(zhuǎn)載機(jī)的移動(dòng)。

充填刮板輸送機(jī)機(jī)頭傳動(dòng)部吊掛在第1架支架后尾梁正下方,過渡槽和普通槽由于都是1.5 m的長(zhǎng)度,因此每個(gè)支架后尾梁上都掛一節(jié)溜槽。

5.3 工作面機(jī)尾部設(shè)備配套

為了使得輸送機(jī)機(jī)尾部最后兩架液壓支架和中間液壓支架的推移點(diǎn)位置在一條直線上,并且考慮該工作面長(zhǎng)度較短,因此改造了推移部和推移橫梁,使之推移點(diǎn)和中部槽的推移點(diǎn)一致,這樣輸送機(jī)機(jī)尾部就不設(shè)傳動(dòng)裝置了。

為了最大限度的使矸石充填到運(yùn)料巷中,并保證機(jī)頭部正常配套(液壓支架最少占巷400 mm)的情況下,運(yùn)料巷的最后一架支架占巷1700 mm,機(jī)頭鏈輪軸中心線和第1架支架的中心距離為1500 mm。

運(yùn)料巷最后一架液壓支架的頂梁外沿距運(yùn)料巷上幫2300 mm,矸石帶式轉(zhuǎn)載機(jī)必須在此空間內(nèi)向支架后尾梁的充填刮板輸送機(jī)機(jī)尾轉(zhuǎn)載矸石。為了保證充填刮板輸送機(jī)的機(jī)尾距離運(yùn)料巷上幫有一定的間隙,用與機(jī)尾相連的過渡槽上長(zhǎng)度500 mm的托梁把機(jī)尾部托住,因此機(jī)尾部有長(zhǎng)1500 mm是懸空外露的,機(jī)尾外殼距離巷道上幫為800 mm,有足夠的自由空間以適應(yīng)巷道的變化。

矸石帶式轉(zhuǎn)載機(jī)總寬度940 mm,膠帶寬度650 mm,卸載滾筒搭接在充填刮板輸送機(jī)的機(jī)尾上。采用7.5 kW的電滾筒驅(qū)動(dòng),布置在SGZ764/400輸送機(jī)的前方,帶式轉(zhuǎn)載機(jī)可以跨過其機(jī)頭架與吊掛式充填刮板輸送機(jī)機(jī)尾搭接,可以將矸石和粉煤灰從帶式轉(zhuǎn)載機(jī)上運(yùn)輸?shù)降鯍焓匠涮罟伟遢斔蜋C(jī)上進(jìn)行架后充填。

6 結(jié)語

邢臺(tái)礦綜采充填工作面充填用的矸石和粉煤灰通過井上運(yùn)輸系統(tǒng)到大垂深投料系統(tǒng),再到井下運(yùn)輸系統(tǒng),最后到達(dá)工作面采空區(qū)后方,每一個(gè)環(huán)節(jié)都特別重要,邢臺(tái)礦對(duì)每一個(gè)細(xì)節(jié)都進(jìn)行了可靠的分析和設(shè)計(jì),使得該運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行良好,為整個(gè)充填項(xiàng)目的成功提供了可靠保障。

工作面的設(shè)備通過以上方案的設(shè)計(jì)布置,使設(shè)備之間的配套尺寸合理,各個(gè)設(shè)備的性能可以很好地發(fā)揮,從而使該工作面可以順利地進(jìn)行采煤并同時(shí)進(jìn)行矸石和粉煤灰充填。另外,由于所用的設(shè)備都是在全國(guó)首創(chuàng),所以還存在一些比如吊掛式刮板輸送機(jī)的運(yùn)力不足、可以彎曲的角度不大、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)自拉移距離短等問題,為此邢臺(tái)礦也在積極探索改進(jìn)中。

該項(xiàng)目開創(chuàng)了綜采面充填采煤技術(shù)的新局面,填補(bǔ)了煤礦高效機(jī)械化充填采煤技術(shù)的空白,為我國(guó)類似條件下的“三下”壓煤合理回收開創(chuàng)了一條新的技術(shù)途徑,其科學(xué)與工程研究意義十分重大,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1] 沈鴻.機(jī)械工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982

[2] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社(第二版),2001

[3] 吳宗澤.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006