長距離順槽掘進膠帶輸送機優化設計

單永泉

(神東煤炭集團布爾臺煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

膠帶輸送機作為一種現代工業機電一體化中的遠距離輸送設備，具有結構簡單、成本低廉等特點，特別適用于中心距較大的傳動。煤礦井下順槽掘進過程中廣泛采用膠帶輸送機作為主運輸設備，由于普通1 m膠帶輸送機的運距最大為1 000 m，在長距離順槽掘進過程中，需要安裝多部膠帶機，而每增加一臺設備維護成本也相應增加，安全系數則相應降低。因此，怎樣使順槽中安裝的膠帶輸送機越少，采用新技術、新設備增加單部膠帶機的運距，實現膠帶輸送機在長距離順槽掘進過程中的優化設計布置很有必要。為此，結合長距離順槽的地質條件，從膠帶輸送機的設計及選型等方面進行分析，以期實現膠帶輸送機的優化布置。

1 膠帶輸送機結構及應用工況

1.1 膠帶輸送機的結構簡介

膠帶輸送機是一種以膠帶兼作牽引機構和承載機構、靠摩擦力進行傳動的連續式運輸設備，它以撓性輸送帶作為物料的承載物和牽引機構，根據摩擦原理，由驅動滾筒帶動輸送帶將物料輸送到所需要的地方。它的輸送量大、運送距離長，工作穩定、可靠性高，而且可伸縮膠帶機因其機身結構簡單，拆裝方便，非常適合工作面不斷推移，順槽長度不斷發生變化的工作場所。它有一個儲帶裝置，可以把多余的膠帶暫時存儲起來，以適應工作面伸長或縮短的需要，是一種較好的順槽運輸設備，所以被廣泛應用于煤礦采掘設備的后配套運輸系統中[1-2]。

以煤礦井下常用的1 m膠帶輸送機為例，其主要部件由電機傳動系統、輸送帶、機架、驅動滾筒、卸載滾筒、機尾滾筒、改向滾筒、頂底托輥、張緊系統、皮帶清掃器、給料和卸料裝置等組成。驅動滾筒通過聯軸器和驅動電機減速器的傳動軸連接，儲帶倉中的改向滾筒和機尾前部的改向滾筒是為了增加驅動滾筒和機尾改向滾筒的包角及改向而設置，其中儲帶倉中的改向滾筒用于機架儲帶倉皮帶的折疊改向，并為張緊系統提供物理條件。

1.2 應用工況及存在問題

以布爾臺煤礦4-2煤一盤區運輸順槽為例。該礦4-2煤一盤區所處地理位置地表起伏較小，總體呈南東低，北西高趨勢，大部分被風積沙所覆蓋，煤層整體起伏較小，局部起伏較大，巷道前段沿3-1煤層掘進，并掘進300 m左右后沿4-2上煤層掘進，為使巷道平緩過渡，巷道在掘進中坡度一般不超過3°～5°。掘進范圍內3-1煤層與2-2煤層間距厚度為55～65 m，4-2上煤層與2-2煤層間距厚度為75 m左右。

布爾臺煤礦4-2煤一盤區運輸順槽設計長度一般5 200 m左右，巷道高度3.8 m，煤塵局部起伏最大處達到40 m，掘進過程中為了滿足主運輸要求，結合現有膠帶輸送機運輸能力，通常設計安裝3部1 m膠帶輸送機，由于巷道前300 m沿3-1煤層掘進，后4 900 m左右沿4-2上煤層掘進，故前300 m的巷道煤層起伏最大，為了便于膠帶輸送機管理，通常第一部膠帶機安裝DSP1080膠帶輸送機，運輸距離700 m左右，第二部安裝DSJ100/100/2×160變頻膠帶輸送機，運輸距離2 500 m左右，第三部安裝DSJ100/100/2×160變頻膠帶輸送機，運輸距離2 000 m左右。

以上膠帶輸送機的安裝設計存在諸多問題，例如，整條運輸順槽膠帶輸送機安裝數量過多，需要增加檢修人員和崗位人員，加大了人工成本，違背了減員增效的原則。此外，DSP1080膠帶機因其結構的特殊性和早期設計存在的缺陷，在實際使用中存在一些無法解決的問題，給用戶帶來了許多不便；主要表現在DSP1080膠帶機采用單電機直接啟動驅動，電機功率160 kW，電機直接啟動不僅造成設備的沖擊加速設備的磨損，而且直接啟動對膠帶機沿線人員的安全造成威脅，二者電機功率過小運輸能力有限滿足不了長距離運輸的需求，再者電機不能根據負載的大小調節輸出，增加了電能的消耗，起不到節能增效的作用[3-4]。

2 長距離順槽掘進膠帶輸送機的優化設計

針對在長距離順槽掘進過程中膠帶輸送機安裝設計上存在的缺陷和不足，結合掘進巷道的地質條件和實際情況，對整個運輸系統進行了優化分析，主要從設備選型和安裝布置方面進行了優化設計。

2.1 設備選型優化分析

DSP1080膠帶輸送機由于設計上的缺陷滿足不了長距離運輸和節能增效的需求，如今變頻多驅的膠帶輸送機是主流趨勢，因此選擇神華皮帶機公司生產的DSJ100/100/2×160(200)變頻膠帶輸送機。對比DSP1080膠帶輸送機，此膠帶機驅動方式由單驅160 kW雙滾筒傳動改變為雙驅160 kW分別驅動方式，功率配比方式分別為160 kW、2×160 kW的雙滾筒傳動；驅動與傳動滾筒的聯接方式由原來的吊掛方式改變為基座式鼓型齒式聯軸器連接；機頭采用倒T型組焊整體底座方式、卸載架為復合組成的三角架形式；儲帶倉由原來的兩邊框式結構改變為底座式結構形式；固定式和游動小車的改向滾筒由原階梯式布置改變為大小滾筒同水平布置結構形式；張緊系統徹底更新設計，具備自動、手動、卷帶3種運行模式和快速反應的絞車控制；卷帶改變原有模式，采用獨立可拆結構方式，并有回轉和升降功能；機身基本不變，縱梁連接由漲銷改變為E型銷連接形式；機尾采用獨立可調式結構，并取消緩沖托輥，使得整體結構變的更加緊湊合理、使用和拆裝更為安全和便捷、整體性能全面提高[5-6]。

DSJ100膠帶輸送機現有2種驅動方式，分別是2×160 kW和改進型2×200 kW，DSJ100/100/2×160膠帶機設計運輸能力1 000 t/h，運輸距離2 500 m，儲帶長度120 m，DSJ100/100/2×200膠帶機設計運輸能力1 000 t/h，運輸距離3 200 m，儲帶長度120 m，滿足使用要求。

2.2 安裝布置優化設計

以國家能源集團神東布爾臺煤礦4-2煤一盤區42108運輸順槽為例分析，布爾臺煤礦42108運輸順槽設計長度5 147 m，巷道高度3.8 m，煤層起伏最大處位于巷道300 m處，42108運順機頭至300 m處巷道落差32 m，由于巷道開口段煤層起伏大，為便于膠帶輸送機維護管理，結合42108運輸順槽地質條件綜合考慮膠帶輸送機運輸提升能力，在巷道掘進過程中，選擇總計安裝兩部膠帶輸送機，第一部安裝DSJ100/100/2×160變頻膠帶輸送機，設計運輸距離2 200 m，第二部安裝DSJ100/100/2×200變頻膠帶輸送機，設計運輸距離2 947 m。

3 運輸能力校驗及經濟效益

3.1 運輸能力校驗

DSJ100/100/2×160可伸縮帶式輸送機主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

一部膠帶機其它參數：運輸物料為原煤，堆積密度ρ為0.9 t/m3，實際運輸能力Q為480 t/h；膠帶傾角δ為1°，提升高度為44 m；運輸距離L為2 200 m。每m機長物料質量QG的計算見式(1)

QG=Q/(3.6 V)

(1)

式中：V—帶速，3.15 m/s；Q—運輸能力，480 t/h。計算得QG=42.32 kg/m。

拉緊方式為電動機張緊絞車，清掃方式為頭部布置H型橡膠清掃器，尾部布置角型清掃器。導料槽每節1 500 mm，設置節數3節。

托輥載荷校核：首先進行靜載荷校核，其中重載段托輥校核依據式(2)

P0=e·a0·g(QG1+qB)

(2)

式中：e—托輥載荷系數，0.80；a0—上托輥距，1.50 m；qB—膠帶質量，15.6 kg/m；P0e—托輥額定載荷，2 170.00 N。經計算，托輥靜載荷滿足要求。接著進行空載段托輥校核

Pu=e·au·qB·g

(3)

式中：au—下托輥距，3.0 m；e—托輥載荷系數，1.0；qB—膠帶質量，15.6 kg/m；托輥額定載荷為603.00 N。經計算，托輥靜載荷滿足要求。

進行動載荷校核時分為重載段托輥校核和空載段托輥校核。重載段托輥凈載荷

(4)

Pu=pu·fs·fa

(5)

式中：pu—空載段托輥靜載荷，459.11 N；fs—運行系數，1.10；fa—工況系數，1.10。經計算，小于托輥額定載荷的603.00 N，托輥靜載荷滿足要求。

傳動功率計算：傳動滾筒軸的功率PA計算公式見式(6)

PA=FU·V

(6)

式中：FU—圓周驅動力，69 594.47 N；V—帶速，3.15 m/s。計算得PA為219.23 kW。電動機功率PM計算見式(7)

PM=PA/(η1·η2·η3·η4)

(7)

式中：η1—聯軸器效率，0.992；η2—減速器效率，0.941；η3—電壓降系數，0.900；η4—不平衡系數，1.000。計算得，PM=281.01 kW。

驅動設備選型：采用2臺電機驅動，計算電機功率N=281.01 kW，電壓等級為660 V，電動機轉速為1 480 rpm，實選電機功率N=2×160 kW，電動機型號為YBS-160-4P，共計2臺，電機滿足要求。

同理，依據第一步膠帶機的校驗公式計算可知，第二部膠帶機也滿足運輸能力需求。

3.2 經濟效益

對比布爾臺煤礦4-2煤一盤區運輸順槽以前所安裝布置的3部膠帶輸送機，優化后安裝2部變頻膠帶輸送機，平均每天節省一名檢修工，兩名崗位工，按照巷道掘進工期計算，安裝第三部膠帶機至少運行2個月，總計節省人工180人次，平均每人每天工作8 h，總計需要1 440工時，在神東公司每工時平均以40元計算，則減少維護成本57 600元；由于變頻膠帶機能夠根據負載大小輸出轉矩，從而減少膠帶機空轉帶來的電能損耗，根據統計，安裝2部變頻膠帶機后能夠節省電力消耗23萬kW·h，以平均成本為0.511元/kW·h計算，節省電費為117 530元，所以長距離順槽膠帶輸送機優化設計后至少能夠節約成本175 130元，經濟效益相當可觀。

4 結語

在掘進長距離順槽過程中，優化設計膠帶輸送機的安裝布置不僅能夠取得經濟效益，達到減員增效的目的，而且變頻軟啟動膠帶輸送機的廣泛應用也提高了運輸效率，提升安全保障。隨著時間的推移，新技術新工藝的開發應用，多驅動大驅動的變頻膠帶輸送機會更新換代，運輸能力將更大，運輸距離會更長，效率會更高，安全將會更有保障。再者未來膠帶輸送機也會朝著自動化、智能化的方向發展，遠距離集中控制，視頻監控會在掘進膠帶輸送機上廣泛推廣，人機交會，人工智能也必將應用到膠帶輸送機上。