簡易排矸裝置的研制與應用

【摘 要】 本文闡述了簡易排矸裝置的設計初衷，對簡易排矸裝置的工作原理、主要結構、強度分析進行了細致的描述，并通過現場的實際應用，得出了相關論證，對實際生產中的應用效果進行了總結。

【關鍵詞】 簡易排矸裝置 安全 節能 環保

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2014.16.012

由于大明礦矸石山周邊是采空區，為了安全起見，現有的矸石山應停止使用，需重新建立一套排矸系統，如果重新設立矸石山費用較高，占地面積大，對環境污染嚴重，而且現場沒有足夠的空間，通過我礦工程技術人員自行設計簡易排矸裝置，滿足了生產需求，大大降低了工人的勞動強度，該裝置結構簡單，操作方便，日常維護量小，既節省了人工又達到了節能的目的，并且實現了矸石不上山，減少了對環境的污染，經過2個月的運行，效果十分顯著。

1 原來排矸系統的現狀及存在問題

1.1 原來排矸系統的現狀

原來的排矸系統由兩臺提升機、一臺翻車機、矸石山排矸線路及頂部翻矸架組成。排矸過程分兩部分，一是前段絞車排矸過程；二是后段絞車排矸過程，只有前段和后段絞車同時進行作業，才能完成整個排矸過程。

1.2 存在的問題

（1）用人較多

原排矸系統每班8人，還不包括設備維護及矸石山軌道維護人員。這套排矸系統不僅人多，而且大多數崗位職工的勞動強度都很大，工作環境也很差。

（2）矸石山翻矸管理難，安全管理難度大

矸石山翻矸管理難主要有三方面，一是矸石山頂部的翻矸架位于采空區邊緣，下沉速度快、下沉量大，因而難維護。二是矸石山的回填難，由于每次回填的高度很低，每翻一車或幾車往往就需要人工扒矸，工人的勞動強度很大。三是矸石山頂部經常塌陷，每次塌陷就必須將排矸架抬起，排矸架抬起時會有大量有害有毒氣體產生，當矸石堆積到兩側不能正常滑落時，還得將排矸架前移，排矸架抬起或前移過程中，安全管理難度非常大，而且潮濕的矸石經常堵塞罐籠，處理罐籠時很不安全。

（3）排矸系統的設備多，日常維護量大

排矸主要設備由兩臺提升機、一臺翻車機、一個罐籠、矸石山軌道和托繩輪、一套排矸架組成，提升機除每天安排人員檢查外，還必須定期進行檢修，兩條鋼絲繩磨損超限時要更換，矸石山絞車道軌道經常需要調整，每周至少更換兩組托繩輪，機械旋轉部位經常注油，排矸架每周進行兩次修補等，設備維護人員多，維護量大。

（4）排矸環節多，排矸效率低

排矸經過兩個斜巷絞車道，排矸環節復雜。排放一車矸石需3分鐘，一小時只能排放20車矸石，排矸效率低，不能滿足生產需求。

2 新設立排矸系統狀況

排矸系統主要通過運輸、翻矸、卸載、再運輸四個基本環節完成排矸任務。

運輸系統：從井底用罐籠提升至地面的矸石礦車在井口用電機車將礦車推至排矸重車線。重車線長100米，可以存放45臺MG1.1-6B礦車，從起點到翻矸架底部有7‰順坡，一列矸石車可自溜到摘掛鉤地點，矸石車排矸后，礦車順坡下滑到空車線，空車線有5‰順坡，不用人力推車。

翻矸、卸載系統：采用傾斜式高位翻矸架，即用一臺JD-25KW調度絞車把礦車從低位拉至高位，然后通過鋼絲繩帶動旋轉架對礦車進行卸載。

再運輸系統：翻至地面的矸石通過裝載機運至臨時矸石存放處。

3 簡易排矸裝置的機構及原理

3.1 簡易排矸裝置的機構

該翻矸裝置包括翻轉框架、轉動軸，礦車前限位、前翻限位、回復限位、底盤、運行軌道和限位軌道。框架連接在底盤上，在框架的最前端有礦車到位限位，在框架后端的兩側面上有前翻限位和回復限位，在框架的兩側有轉動軸，在底盤上有運行軌道和限位軌道。最前端設有導繩輪。

3.2 工作原理

用JD-25KW調度絞車將矸石車直接牽引到卸矸架頂部的翻車架上，翻車架由于重心不平衡自動翻轉，卸矸后又自動復位。

3.3 受力分析及強度核算

（1）當礦車到達翻矸架頂部，靜止時受力分析

圖2 靜止時受力分析圖

設礦車為剛體，由于軌道面光滑，不考慮摩擦力。

[N1+N2]=[cos17°×G]=0.956[×][2.41][≈2.3][≈2.3]KN

[F]=[sin17°×G]=0.292[×2.41][≈0.7]T[≈7]KN

式中：[N1+N2]——礦車對翻轉裝置垂直壓力，KN；

[F]——沿傾斜方向向上的力，KN；

[G]——矸石車質量2.41T。

（2）礦車到達排矸架頂部后，旋轉前受力分析

圖3 旋轉前受力分析圖

以軸承支點為中心，由于M=0，得

[160F=][15G1+40G2]

[F=7.625]KN

又[N=G1+G2+F]

求得：[N=20+23+7.625+50.625]KN

式中：

[G1]——翻車旋轉裝置重量2T，重力中心距旋轉軸中心40cm；

[G2]——矸石車支撐力，取[N1+N2]，20KN重力中心距旋轉軸中心15cm；

[F]——絞車向下拉力，KN，距旋轉軸中心160cm；

[N]——軸的支撐力，KN。

（3）軸剪切內應力校驗

圖4 軸剪切力分析圖

[A=πR2=3.14×4.52=63.585]cm2

[τ=QA=50.62563.585≈8]Mpa

式中：

[A]——軸的截面積，cm2；

[Q]——作用在軸上的剪切力，KN；

[τ]——剪切內應力，MPa。

1MPa[≈]10kg/cm2

軸采用合金結構鋼30CrMnSi，剪切應力400MPa，大于實際剪切應力，校驗合格。

4 簡易排矸系統應用效果

4.1 用人較少

排矸作業只需2人，1名絞車司機，1名摘掛鉤人員。

4.2 工作效率高

一次排矸作業只需2分鐘。排矸能力達到30礦車/小時，每班排矸時間6小時，排矸180礦車，徹底解決了副井提升到地面矸石車積壓的問題，同時緩解了空車存放位置不足的矛盾，提高了工作效率。

4.3 設備維護量小，減少了維修人員，維護費用低

新排矸系統主要有兩臺設備，一臺JD-25調度絞車，一臺排矸架，由于設備少，兩名維護人員就能完成設備的日常檢查和維護，只要定期對機械和旋轉部位注油，每周對排矸架翻轉機構補焊加固一次，大約每兩個月更換一根直徑Φ15.5mm、長度60m的鋼絲繩，就能滿足生產需求。

4.4 排矸環節少，便于安全管理

排矸作業現場只有2人，把鉤工將矸石車與絞車鉤頭連接好后，站在指定地點發出開車信號，絞車司機接到信號后啟動絞車，將矸石車拉到翻矸架頂部進行排矸，矸石排出后，將空車下放，完成一次排矸操作，排矸簡單，安全可靠性大。

5 經濟效益分析

（1）節能方面，原來每天排矸時間18小時，原電動機功率為150KW，每年電費：150KW×60%×18小時×0.8元/度×25天×12月=388800元=38.88萬元。由于工作效率高，現在每天排矸時間12小時，現電動機功率25KW，每年電費：25KW×60%×12小時×0.8元/度×25天×12月=43200元=4.32萬元。每年可節約電費：38.88萬元-4.32萬元=34.56萬元。

（2）原來排矸作業每班8人，三班作業24人，現在每班2人，兩班作業4人，每天節約20人，每年可節約人工費：20人×3000元/人×12月=720000元=72萬元。

（3）每年還可以節約兩臺提升機和一臺翻車機的維修費用4萬元。

預計每年共節約費用：34.56萬元+72元萬+4萬元=110.56萬元。

簡易排矸系統增強了排矸能力、簡化了排矸環節、改善了生產環境，經濟效益顯著。設備運行安全可靠，運行費用低，同時由于其維修量少也節省了維修工，減少了因設備維修造成的損失，大大降低了工人的勞動強度，減少了機械事故的發生。實現了矸石不上山，對環境污染非常小。

作者簡介

唐立宏，工程師，畢業于遼寧科技學院機電一體化技術專業，現任鐵能公司大明煤礦機電科副科長。

（責任編輯：張曉明）