綜采工作面大塊破碎裝置的研制和應用

張德生，侯 剛

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

晉、陜、蒙、寧交界區大部分煤層具有厚度大，硬度中硬以上，結構致密的特點，其煤炭整體性強，開采過程易產生大塊。隨采高增加和開采強度加大，綜采工作面片幫、冒頂更加頻繁，產生的大塊煤和巖石拉至刮板輸送機頭轉載點會經常性卡住，后部煤流不斷堆積造成輸送機超載、甚至是壓死，停機后人員進入輸送機內采用大錘或風鎬處理。對于高硬度的矸石，處理難度大，液壓支架護幫板壓裂大塊或采用爆破等方式成為不得已的措施，給人員和設備帶來巨大安全隱患。工作面大塊煤矸的處理成為目前困擾煤炭企業高效、安全生產的一大技術難題［1－2］。

利用高壓乳化液作為動力，開發出乳化液沖擊破碎錘，重載沖擊實現大塊的裂解;根據工作面設備布設特點，研制出雙級搖臂式大塊煤破碎裝置，全液壓操控實現大塊定位和破碎。該裝置在陜煤集團檸條塔礦業有限公司S1205工作面進行了工業試驗。

1 乳化液沖擊破碎錘原理

常規破碎錘作為機載工具，采用液壓油作為工作介質，在挖掘機臂等機構持續下壓下，利用高頻次的沖擊來破碎大塊，頻率高、行程短、單次沖擊功和破塊能力相對較小，且采用傳統破碎錘需要單獨的動力系統，因此其在工作面推廣受到限制。另外乳化液介質潤滑性差，無法適應滑閥式間隙密封結構，因此現有破碎錘結構無法適用到乳化液破碎錘上，需從原理和結構上全面改進。

工作面大塊的破碎，其目的是解決通過性問題，對終塊度要求不高，采用低頻重載原理［3］可獲得較為理想的破斷效果，即操縱一次控制閥完成一次沖擊過程，活塞高速沖擊釬桿并提供持續的高壓 (工作面壓力接近31.5MPa)。低頻次操作，可顯著減小活塞運動次數，提高密封件使用壽命。

結構設計上，采用高速液壓缸沖擊釬桿這種相對簡潔的結構型式。蓄能器與破碎錘分離，可采用較大的容積，以滿足大行程對供液量要求，避免壓力過度下降。沖擊過程，需數千升的瞬時流量，單獨設計了大流量集成閥塊。釬桿采用十字頭型，有利于大塊的裂解，大的行程有助于超大塊的劈裂。基于上述原理，開發出一種乳化液沖擊破碎錘［4］(圖1)，并申請了發明專利(CN201210585031.9)。

圖1 乳化液沖擊破碎錘

2 地面破碎試驗

在龍門架式剛性支撐試驗臺上，對破碎錘的破塊能力進行檢驗。采用φ300mm圓柱型鋼筋混凝土試件，水泥標號32.5R，試件硬度值達到f=4以上。

圖2為單次沖擊下試件的破斷動態過程，明顯區分為壓實、侵入、劈裂和飛散4個階段，釬桿受到活塞碰撞后獲得能量，端部和試件壓實接觸，尖端峰值應力作用下侵入試件，持續壓力作用下繼續深入并沿著棱向產生裂紋劈裂，最后獲得動能的碎塊飛散開去。

圖2 沖擊破碎動態過程

由破斷過程可以看出，以下幾個要素是產生理想的破斷效果的必要條件:

(1)初始的高速碰撞產生集中應力使釬桿侵入試件。

(2)高的壓力促使瞬時沖擊動能下降后釬桿能夠持續深入。

(3)大的沖擊行程可實現大范圍裂解作用。(4)合理的釬桿型式使尖銳的端部有利于侵入，棱邊的分布對初始裂紋擴展有誘導作用。

破碎結果和要素分析驗證了提出的低頻重載的可行性。進一步對大理石板進行沖擊破碎試驗，單次沖擊即實現了條狀大理石板的橫向斷裂。大理石板硬度f=10以上，釬桿作用在大理石表的侵痕較淺。

3 轉載點雙級搖臂式破碎裝置

利用乳化液破碎錘作為工作機構，開發出了雙級搖臂式大塊破碎裝置 (CN201420337904.9)，如圖3(a)所示，包含底座、立柱、活柱、一級臂、二級臂和調節千斤頂等。底座焊接在基礎上，立柱與底座通過銷軸連接，保障可靠的連接強度，同時便于拆卸。活柱與立柱間內置升降千斤頂，實現機架和破碎錘的升降動作，壓實大塊的同時便于越過擋煤板。一級搖臂和二級搖臂組成了雙搖臂機構，隨活柱升降，回轉動作靠調節千斤頂組成的氣液動連桿機構實現。

圖3(b)中A區是工作區域，基本實現了轉載回彎處的覆蓋，除破碎大塊外，還具有撥煤功能。錘體與二級臂間加裝調節千斤頂，可增加自由度，進行破煤角度調整并使撥煤效果進一步改善。

圖3 二級搖臂式大塊煤破碎裝置

雙級搖臂式破碎裝置為懸臂式結構，同時采用升降千斤頂的液壓連接，兩者均使整體支撐剛性降低，對破塊效果有所影響。為此，采用同一批混凝土試件進行了破塊試驗，仍可在一次沖擊下完成破碎作業，只是沖擊強度有所弱化，試樣破斷型式由在四棱主導下的四半開裂變為兩半破壞 (圖4)。

破碎錘安裝在雙級搖臂式架體上，可以通過全液壓操控實現自動升降和回轉定位，低頻、重載和大行程實現大塊的高效破碎和裂解，保證煤流的正常輸送。利用擬人化手臂對擁堵點的大塊進行疏通，大大減小因大塊堵塞造成的停機概率 (對于懸空待運的大塊)。特點如下:

圖4 懸臂支撐條件下破塊效果

(1)安全性 大塊目標的定位和破碎全液壓實現，在安全區域內操作換向閥組即可完成，人員不需進入靠近轉載點的危險區。

(2)適應性 調節范圍大，高度上限為轉載點上方液壓支架頂梁底面，破碎區域為一級搖臂和二級搖臂回轉覆蓋的區域。

(3)配套性 非工作狀態，可以將搖臂收回到輸送機外，并將高度降至最低，避免破碎裝置對大塊造成的二次阻礙以及對支架升降動作的干涉。

4 井下應用

陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司位于神府礦區南區，煤層厚度大，周期來壓過程中綜采工作面片幫、冒頂頻繁，大塊煤矸的處理成為困擾其煤炭生產的一大頑疾。

試驗工作面S1205最大采高5.8m，煤層變化大，經過數個構造帶，大塊煤和矸石造成刮板輸送機頭處經常性擁堵。破碎裝置于2014年6月開始試用，對破碎錘范圍內的大塊硬煤和矸石顯現出較強的破碎能力，平均單次破塊比人工省時10min以上;同時，借助擬人化搖臂式結構，可在不停機狀態下對擁堵大塊進行挑撥和疏通，有效避免大塊在輸送機上的堆積，大大降低了輸送機負荷并減小了停機幾率。

5 結論

針對轉載點大塊開發出乳化液沖擊破碎錘式大塊破碎裝置，可在幾分鐘內完成對大塊的破碎，有效減少停機處理時間和停機次數。該套裝置由破碎錘本體 (執行裝置)，架體 (固定裝置)，控制閥(控制裝置)和蓄能器 (動力裝置)組成，具有以下特點:

(1)從破碎對象看，通過釬桿沖擊頭型式和沖擊參數的優選試驗，特別適用于破碎冒落大塊矸石或較硬的大塊煤。

(2)從破碎效果看，采用低頻重載方案，只需少次甚至單次沖擊作用就可將大塊目標破碎，破碎效率高。

(3)從動力源來看，直接采用工作面高壓乳化液作為動力，無需增加新的動力源。選用大流量蓄能器，提高單次沖擊能量和效果。

(4)從操作方式上看，采用自動操作的大塊定位方式，覆蓋面大，實現對大塊目標的精確定位。

(5)從對系統影響看，沖擊過程中動力主要由蓄能器提供，單向閥將破碎錘和泵站供液管路隔離，避免了對系統的擾動。

以乳化液沖擊破碎錘及高速沖擊缸技術為基礎，結合不同形式的機架，可提供多種形式的破碎方案，為解決大工作面塊擁堵提供技術支撐和裝備保障。

［1］張德生，王國法，范 迅，等.工作面大塊煤破碎的技術途徑 ［J］.礦山機械，2012，40(7):17－20.

［2］王志剛.液壓沖擊破碎防堵裝置研究［D］.太原:太原理工大學，2010.

［3］張德生，王國法，范 迅，等.基于SPH方法的大塊煤沖擊破碎數值模擬［J］.煤炭學報，2013，38(11):1934－1939.

［4］張德生.乳化液沖擊破碎錘設計及特性仿真［J］.液壓與氣動，2013(6):28－31.

［5］劉 磊，趙繼云，張德生，等.純水低壓大流量先導式電磁控制閥組試驗研究 ［J］.液壓與氣動，2013(3):55－58.

［6］黃 磊，陳雪輝，何世明，等.液壓破碎錘沖擊特性研究［J］.煤礦機械，2010，31(12):53－55.

［7］鄭 清.挖掘機安裝破碎錘液壓系統的改進方案 ［J］.工程機械與維修，2014(11):150－151.