井下矸石翻卸及破碎系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

彭 猛，胡友良，吳云長(zhǎng)

（湖南第一工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410011）

1 工程概況

官倉(cāng)煤礦位于遵義市桐梓縣官倉(cāng)鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.45 Mt／a，服務(wù)年限47.4a，為在建礦井。礦井采用平硐—斜井開拓方案，劃分+606m、+300m、±0m 三個(gè)水平，設(shè)置主斜井、副平硐、排矸斜井、風(fēng)井、13采區(qū)進(jìn)風(fēng)井等5個(gè)井筒，采用綜采工藝。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)化運(yùn)輸，排矸斜井安裝帶式輸送機(jī)，擔(dān)負(fù)全礦矸石運(yùn)輸任務(wù)。排矸斜井通過井底車場(chǎng)與+606m 水平運(yùn)輸大巷相連，矸石通過各采區(qū)軌道上山下車場(chǎng)后，沿+606m 大巷編組運(yùn)至矸石井底車場(chǎng)。井底車場(chǎng)設(shè)置矸石翻卸及破碎系統(tǒng)，矸石破碎符合運(yùn)輸要求后，由排矸斜井帶式輸送機(jī)上運(yùn)至地面臨時(shí)排矸場(chǎng)地，填溝凹處理。

2 初步設(shè)計(jì)方案

2.1 技術(shù)要求

（1）排矸斜井帶式輸送機(jī)帶寬800mm，傾角16°，由于礦井矸石物料大塊率在20%左右，為便于運(yùn)輸，根據(jù)《帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，矸石破碎后粒度要求≤250mm。

（2）礦井矸石含量約占15%，不均衡系數(shù)取值1.5，矸石量每年約0.102 Mt。矸石井底車場(chǎng)矸石重車由防爆蓄電池電機(jī)車牽引，每列由22輛1t固定式礦車組成，系統(tǒng)工作時(shí)間按照年工作2000h計(jì)算，為滿足翻卸、破碎能力，設(shè)備處理能力應(yīng)大于50t／h。

2.2 初步設(shè)計(jì)方案

為滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，初步設(shè)計(jì)方案。在排矸井底車場(chǎng)內(nèi)設(shè)有翻車機(jī)硐室、緩沖倉(cāng)、1號(hào)矸石倉(cāng)、2號(hào)矸石倉(cāng)、破碎機(jī)硐室、行人及材料運(yùn)輸平巷、矸石皮帶轉(zhuǎn)載硐室等（圖1）。緩沖倉(cāng)直徑4m，有效容量約35m3；1號(hào)矸石倉(cāng)直徑4m，有效容量180m3；2號(hào)矸石倉(cāng)直徑4.5m，有效容量100m3。矸石重車運(yùn)至翻車機(jī)處，由1t電動(dòng)式翻車機(jī)翻卸后經(jīng)格篩初步篩分，格篩網(wǎng)距離為250mm，篩下物直接落入1號(hào)矸石倉(cāng)，篩上物由溜槽溜入矸石緩沖倉(cāng)，由扇形閘門控制進(jìn)入破碎機(jī)破碎后落入2 號(hào)矸石倉(cāng)。1 號(hào)、2號(hào)兩個(gè)矸石倉(cāng)下口裝設(shè)往復(fù)式給煤機(jī)用于排矸斜井帶式輸送機(jī)裝載。

圖1 初步設(shè)計(jì)方案

3 初步設(shè)計(jì)方案可靠性評(píng)價(jià)

系統(tǒng)可靠性表示系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，從整體上看系統(tǒng)能否完成預(yù)期的功能，有多個(gè)衡量指標(biāo)。結(jié)合井下矸石翻卸及破碎系統(tǒng)，本文擬從功能可靠性、施工可靠性、管理可靠性等三個(gè)方面對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 功能可靠性評(píng)價(jià)

基于服務(wù)于排矸斜井帶式輸送機(jī)矸石運(yùn)輸設(shè)置井下矸石翻卸及破碎系統(tǒng)，矸石翻卸、破碎、裝載為其基本功能，系統(tǒng)自動(dòng)化控制、設(shè)備先進(jìn)性以及方便操作等為其擴(kuò)展功能。初步設(shè)計(jì)方案滿足系統(tǒng)技術(shù)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)基本功能，但系統(tǒng)所有設(shè)備集中控制、自動(dòng)化控制難以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)在擴(kuò)展功能方面有所欠缺。具體分析如下：

（1）翻車機(jī)采用電動(dòng)翻車機(jī)，設(shè)備基礎(chǔ)較為復(fù)雜，不能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，翻車機(jī)前未設(shè)推車機(jī)，矸石重車進(jìn)罐翻卸需人工推送，自動(dòng)化程度較低；

（2）選用PLM500型破碎機(jī)，此機(jī)型為順槽用破碎機(jī)，主要適用于煤礦井下綜采工作面原煤的連續(xù)破碎，由于矸石硬度相對(duì)較大，對(duì)矸石破碎能力略顯不足，設(shè)備故障率較高；

（3）1號(hào)、2號(hào)矸石倉(cāng)倉(cāng)下給料裝置選用2臺(tái)K-1型往復(fù)式給煤機(jī)，2臺(tái)設(shè)備不能同時(shí)給料且給料不好控制，給料不連續(xù)，生產(chǎn)率較低。K-1 型往復(fù)式給煤機(jī)給料機(jī)底板在回程中需承受物料很大的摩擦力，結(jié)構(gòu)受力大，設(shè)備重，需要有較大的驅(qū)動(dòng)功率，能耗大。同時(shí)設(shè)備振動(dòng)、噪聲大。

3.2 施工可靠性評(píng)價(jià)

施工可靠性主要包括井下各硐室、矸石倉(cāng)施工難易程度、安全程度、工程量等。初步設(shè)計(jì)方案中共有大小3個(gè)矸石倉(cāng)，1號(hào)倉(cāng)與2號(hào)倉(cāng)間距1.02m，井下施工時(shí)需要進(jìn)行大開挖，倉(cāng)壁配筋、設(shè)備支護(hù)較為密集，在破碎機(jī)硐室處需要開拓行人及材料運(yùn)輸平巷，工程施工難度大且工程量較大。同時(shí)，翻車機(jī)軌面距離矸石倉(cāng)底約有20.5 m 高度成為本方案施工可靠性最大的制約因素或缺陷，因?yàn)楦鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)巖巷的控制和揭露，排矸斜井井底車場(chǎng)繞道掘進(jìn)施工中遭遇大溶洞，且與地下暗河有水力聯(lián)系，為避開溶洞，下部車場(chǎng)繞道布置需要進(jìn)行調(diào)整，矸石倉(cāng)過高遇到溶洞可能性較大。

3.3 管理可靠性評(píng)價(jià)

管理可靠性主要包括勞動(dòng)定員、系統(tǒng)維護(hù)、修理、保管和使用、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障進(jìn)行處理等。功能可靠性對(duì)管理可靠性有一定的影響。由于初步設(shè)計(jì)方案中設(shè)備自動(dòng)化控制程度不高，系統(tǒng)勞動(dòng)定員相對(duì)較多，4個(gè)工位至少需要6個(gè)工作人員，才能維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。由于倒裝環(huán)節(jié)較多，系統(tǒng)故障率大為增加，尤其是破碎機(jī)的維護(hù)相當(dāng)困難，備品備件需要從行人及材料運(yùn)輸平巷運(yùn)入。同時(shí)，由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要設(shè)備聯(lián)動(dòng)，這也為管理帶來了諸多不可靠因素。

綜上所述，初步設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到系統(tǒng)基本功能，但系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高，施工工程量大、難度高，安全隱患較多，管理運(yùn)行較為復(fù)雜，評(píng)價(jià)認(rèn)為初步設(shè)計(jì)方案可靠性有待提高。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案可靠性評(píng)價(jià)內(nèi)容，對(duì)矸石翻卸、破碎系統(tǒng)從工藝布置、關(guān)鍵設(shè)備選型、基礎(chǔ)處理等方面均進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 工藝布置優(yōu)化

針對(duì)初步設(shè)計(jì)方案中矸石倉(cāng)數(shù)量過多、轉(zhuǎn)載次數(shù)多以及系統(tǒng)自動(dòng)化程度低等問題以及結(jié)合工程地質(zhì)條件，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化（見圖2）。優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案充分利用大巷現(xiàn)有基礎(chǔ)條件，翻車機(jī)、推車機(jī)硐室、破碎機(jī)硐室、矸石緩沖倉(cāng)等采用上下一體化設(shè)計(jì)，上部翻車機(jī)和推車機(jī)硐室寬7.45m、長(zhǎng)22.5 m，下部破碎機(jī)硐室寬5.12 m、長(zhǎng)17 m，為下挖基坑。矸石緩沖倉(cāng)位于破碎機(jī)硐室下部，直徑4 m，有效容量60m3。

矸石重車由電機(jī)車牽引至矸石車場(chǎng)，電液動(dòng)推車機(jī)將矸石重車自動(dòng)推送至翻車機(jī)內(nèi)，翻車機(jī)翻卸后經(jīng)格篩初步篩分，格篩網(wǎng)篩孔為Φ250mm，篩下物直接落入矸石緩沖倉(cāng)，篩上物直接溜入破碎機(jī)，矸石破碎后落入矸石緩沖倉(cāng)，緩沖倉(cāng)下口裝設(shè)甲帶式給料機(jī)用于排矸斜井帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載。在最右側(cè)設(shè)備檢修孔，檢修孔上部設(shè)置起吊梁，下部在破碎硐室內(nèi)設(shè)置爬梯。

相比初步設(shè)計(jì)方案，翻車機(jī)前布置推車機(jī)可實(shí)現(xiàn)礦車自動(dòng)進(jìn)出，設(shè)備布置更為流暢，倒裝環(huán)節(jié)大為減少，矸石倉(cāng)也減少2個(gè)，高度減少至15m，避免遭遇溶洞的狀況發(fā)生。破碎機(jī)硐室不需另外考慮設(shè)備運(yùn)輸通道。各硐室周圍圍巖基本不被破壞，工程量和施工難度大為降低。

4.2 關(guān)鍵設(shè)備選型

優(yōu)化后方案中關(guān)鍵設(shè)備主要有推車機(jī)、翻車機(jī)、破碎機(jī)、給料機(jī)。

圖2 優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案

（1）推車機(jī)：選用cxc型銷齒式電液動(dòng)推車機(jī)，能進(jìn)罐推車，推車行程不小于10m。

（2）翻車機(jī)：選用FYZZ型液壓翻車機(jī)，能適應(yīng)實(shí)際需要的高頻率換向操作，液壓控制，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

（3）破碎機(jī)：選用PELM-01型煤礦井下顎板輪式破碎機(jī)，破碎機(jī)采用差動(dòng)原理，多點(diǎn)分散、擠壓、剪切，實(shí)現(xiàn)對(duì)矸石物料的破碎；采用機(jī)械、雙重過載保護(hù)，安全可靠。出料粒度≤250mm，粒度范圍可調(diào)。

（4）給料機(jī)：選用GLD-800 型甲帶給料機(jī)，給料均勻、連續(xù)，可實(shí)現(xiàn)變頻無級(jí)調(diào)速，維修量小，使用壽命長(zhǎng)；零部件通用性強(qiáng)，安裝、維修簡(jiǎn)便。

根據(jù)工藝流程，選用的設(shè)備采用集中液壓系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)推車、翻車、破碎、轉(zhuǎn)運(yùn)等各工序相互配套的機(jī)電液一體化聯(lián)合作業(yè)，設(shè)備之間相互閉鎖，自動(dòng)化程度、安全系數(shù)大為提高。優(yōu)化后方案系統(tǒng)正常運(yùn)行勞動(dòng)定員為2人，減少了操作人工，同時(shí)減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，徹底改變了初步設(shè)計(jì)方案中施工強(qiáng)度大、效率低、安全系數(shù)小等不利因素。

4.3 設(shè)備基礎(chǔ)處理

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，推車機(jī)、翻車機(jī)下部為基坑，設(shè)備基礎(chǔ)需要由混凝土結(jié)構(gòu)變?yōu)殇摻Y(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)處理是本系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)。設(shè)計(jì)考慮翻車機(jī)、推車機(jī)以及矸石重車重量，設(shè)備基礎(chǔ)取計(jì)算載荷20t，設(shè)備支撐梁按單跨簡(jiǎn)支梁計(jì)算。通過內(nèi)力計(jì)算、強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算，設(shè)備基礎(chǔ)選用36c工字鋼作為支撐梁，破碎硐室基坑頂面采用25b工字鋼為支撐梁，硐室周邊預(yù)留梁窩。待設(shè)備安裝完畢后，基坑頂面鋪設(shè)花紋鋼板。

5 結(jié)語

官倉(cāng)煤礦井下矸石翻卸及破碎系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)更為簡(jiǎn)潔、流暢，實(shí)現(xiàn)了井下矸石翻卸及破碎系統(tǒng)機(jī)電液一體化作業(yè)，系統(tǒng)可靠性大為增強(qiáng)。盡管設(shè)備投入略有增加，但礦建工程量、施工難度大為降低，勞動(dòng)定員相應(yīng)減少，經(jīng)濟(jì)效益較好。實(shí)踐證明：系統(tǒng)一年來正常運(yùn)行，機(jī)械自動(dòng)化程度達(dá)到了較好地效果。對(duì)于中西部薄煤層煤礦，由于矸石量較多，本系統(tǒng)具有較大的借鑒意義。

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