露天煤礦端幫自移式大傾角帶式輸送工藝分析

趙可可

（中聯潤世新疆煤業有限公司，新疆 昌吉 831800）

物料運輸在露天煤礦資源開采成本的占比較大，直接影響著煤礦企業的經濟效益，選擇更為安全、經濟的運輸方式是煤礦企業急需解決的問題。需要結合國內煤礦資源賦存條件，采用端幫自移式大傾角帶式輸送工藝，具有占地面積少、爬坡能力強等優勢，同樣高程條件下輸送機長度更短，生產系統更為簡易，也有利于控制生產成本，可以解決物料半連續運輸工藝中存在的問題，也是露天煤礦開采工藝的發展趨勢。

1 端幫自移式大傾角帶式輸送系統

1.1 輸送機設選型

花紋帶式輸送機占用面積小、運輸帶短，可提升物料輸送角度，單位時間內輸送物料量比較大，具有更可靠的輸送性能，多應用于露天煤礦物料運輸角度不大的情況，運輸粘性物料以后可采用清水進行沖洗。波狀擋邊大傾角輸送機設計有擋邊輸送帶、壓輪和壓輥，輸送帶具有更大的橫向剛度，間隔一段距離后需要安裝橫隔板，運輸角度不大于18°時不設置橫隔板，壓輪和壓螺用于調整輸送帶張力，機械零部件加工較為精細，輸送帶更換比較復雜，現場安裝難度較大，無法運輸粘性物料需要[1]。壓帶式大傾角帶式運輸機對物料進行運輸時，通過承載帶和覆蓋帶將物料包裹好，可以減少物料運輸時產生的粉塵污染，也可以防止塊料灑落，具有較高的安全性和環保性，理論輸送角度可以達到90°，具有更快的運輸速度。通過對三種不同的運輸設備進行比較來看，可以采用壓帶式輸送機，具有很好的自動化程度，煤炭運輸通過封閉空間不會造成粉塵污染，提升角度區間為0-90°，采用尼龍膠帶作為輸送平面，可應用于粘性、含水的物料運輸，機械零部件通用性好，不需要投入太多的運營維護成本。

1.2 輸送設備形式選擇

剛性單機提升方案：提升設備長度大則需要多個履帶作為支撐，每個桁架間連接要求具有很好的靈活性，這樣才能滿足整體長度的要求，該提升方案不需要太多的設備，結構也比較簡單，物料輸送起來也比較便利。但移動設備后的調整難度比較大，需耗費較長的時間。設備機頭拉力較大，需要通過設備整體與端幫形成的摩擦力來進行平衡，設備運輸工作量較大。對臺階地質條件適應性差，設備拆卸繁瑣，生產效率無法得到保證[2]。

單點支撐多機提升方案：在每個端幫安裝大傾角輸送設備，通過相互連接將物料進行多次運輸至地面，具有較好的設備靈活性，但在端幫安裝設備增加了工作量，還需要通過多臺設備方可將物料送至地面，工藝連續性較差且對礦山交通也會帶來不利影響，設備移動時穩定性比較差，對臺階高差適應性一般。

兩點支撐多機提升方案：此提升方案與單機提升較為相近，但對地質臺階有著更好的適應性。

選擇壓帶式運輸機與兩點支撐多機組合的方案，對煤礦地質條件有著很好的適應能力，設備移動也比較簡單，可以達到大傾角運輸物料的需要。但需要安裝多臺設備，前期需要較多基建工程量。

1.3 自移方式選擇

整體自移方案：端幫大傾角帶式輸送機整機長度和重量都比較大，多以簡支梁方式支撐于平臺，需要跟破碎站移動。自動裝置采用履帶式底盤，兩個支撐點可同時移動，可以滿足大傾角帶式輸送機的整體運移，移動速度較快且更為方便，不會對端幫形態及剝離物運輸帶來太大影響，但移動設備的穩定性并不高，無法滿足端幫地表和臺階高度調整的需要[3]。

整體分段自移：端幫中設置3 個或6 個支點，輸送機懸空長度較短，多支點的方案有效簡化支架結構，移動重量減小。但多支點移動要求較高的同步性，也對端幫形態提出了更高的要求，需要將輸送機支架與支點以十字鉸進行連接，還需要預先放開張緊裝置，防止張力集聚而造成設備損壞。

分段串聯：在端幫將多個輸送機進行串聯，以接力方式完成物料運輸，每個設備均獨立設備，具有較高的靈活性。但設計多個裝載點導致系統穩定性變差，采用波狀擋邊帶的帶式輸送帶，由于輸送長度較短導致單位投資成本大。

結合三種自移方式的優缺點和適用條件，選擇整體布置分段的自移方案。

2 端幫大傾角帶式輸送機工藝設計

2.1 輸送工藝布置

某煤礦地表破碎站和選煤廠均位于南幫，將坑下破碎站和帶式輸送機設置于南幫，破碎站數量為3 個，不會對排土空間帶來太大的影響，但端幫邊坡角度大，要采用 大傾角帶式輸送方式。

坑底煤炭物料采用帶式輸送機進行運輸，受到煤礦剝離物雙環內排的影響，會存在剝離運輸卡車和輸送機存在交叉的問題，輸送機設置于端幫可采用臺階支點架高的方式來為卡車預留出通道，不會對工作幫推進產生影響，從技術經濟角度分析該方案更為經濟合理，可以保證輸送機達到最大的傾角[4]。

2.2 坑下破碎站匹配選型

端幫自移大傾角帶式輸送機設置要結合坑下破碎站，煤炭要在坑下完成破碎轉運，出料規格影響著物料運輸，布站位置決定著膠帶開始位置、傾斜角度等，兩者共同建立起篩分系統。由于露天煤礦工作幫與排土場的不斷向前推進，半固定破碎站要滿足間斷性移設的要求、投資較小且有著較大的處理能力，產品可靠性較高，但移設費用較大，移設步距在1000m 以上，移設周期較長，要提前做好基礎，可將破碎站設置于南端幫煤底板。而該煤礦每年產能較大，對自移大傾角帶式輸送機有著更高的要求，需要確保每年的輸送能力不低于10Mt，提升高度不低于210m，傾角不低于34°，以運輸機每年運行時間為300d，每天18h，輸送能力發揮率為85%，每小時輸送能力為2200t，要求坑底破碎站處理能力不低于2200t，再結合破碎站運行時間和可靠性等，破碎站處理能力應該選擇每小時2200t～2500t。

2.3 端幫臺階參數及穩定性分析

煤礦端幫運輸平盤寬度為40m，端幫布置支柱運輸臺階見圖1 所示，安裝大傾角帶式輸送機以后，平盤寬度要結合具體情況進行調整，確保單個臺階可在支柱均布荷載條件下保持穩定，還需要根據輸送機與平盤的高度，確保平盤內排的卡車可以順利通過[5]。

圖1 端幫布置支柱運輸臺階

支架位置由臨近坡頂線部位開始不斷向坡后方移動，臺階穩定性為1.1 時進行記錄，作為臨界位置并將距離坡頂線距離標記為Sn，端幫支點數量為N。

對載荷條件下單臺階穩定性進行分析，初始狀態條件下臺階穩定系數為1.13，為圓弧形滑坡滑移模式。當端幫支點數量N=1 時，輸送機的架設已經改變了臺階滑移模式，轉變為坐落滑移式，這是由于輸送機的安裝使得臺階局部應力變得集中，架設位置附近巖體易受到破壞，巖體位移豎直向下表明會產生剪切破壞，剪應變增量也可以體現出滑體后緣存在剪切破壞，支架質心距離臺階段頂15m 時，穩定性可達到1.1，安全區間為0～25m。當端幫支點數量N=2 時，剪應變增量分布于滑體后緣，表明存在著剪切破壞，巖體位移豎直向下且偏臨空面20～30°，表明存在剪切破壞的同時，在下滑力牽引影響下存在拉張破壞，支架質心距離坡頂線11m，穩定性為1.1，安全區間為0～29m。當端幫支點數量N=2 時，滑移模式并不明顯，而當N ≥3，輸送機荷載影響下滑移模式與初始狀態相同，支架質心距離坡頂線9m，安全區間為0～31m。

2.4 端幫整體穩定性分析

將南端幫剖面作為研究對象，創建輸送機架設模型，高度、長度分別為260m、576m，底部、法向位移進行全部約束。結合初始狀態和單臺階模擬分析結果，支架確定為2 個。N=2 時，安全區間為0～29m，為確保模擬結果具有可靠性，2 個支架設置距離兩個平盤，支架距離臺階坡頂線11m。對端幫初始穩定性進行分析，可以有效避開潛在滑動區域，模擬結果中可以發現，南幫具有很好的穩定性，穩定性系數達到1.64，為圓弧形滑坡模式，高陡邊坡坡腳和煤層坡腳的剪應變比較大，表明上述兩個位置會先受損，中部高陡臺階位移大，在進行支架設置時需要避開此臺階。輸送機設置對南幫端位置和剪應變分布不會造成太大的影響，南端幫存在2 處潛在滑動面，輸送機安裝位置不會對南幫整體穩定性系數產生改變，穩定性系數的改變量由高陡泥巖臺階來決定。對運輸機架設前后應力進行分析，架設完成后不會對端幫整體應力分布帶來影響，這是因為膠帶重量小于巖體自重，不會對南幫整體應力分布產生影響。再對位移云圖和矢量進行比較，2 個承重臺階的位移方向與大小都發生了變化，臺階位移表現為沉降。2 承重臺階具有底部起鼓趨勢，安裝完運輸機以后有效緩解該趨勢，下部承重臺階從底部起鼓變為沉降。砂巖臺階在輸送機的影響下發生位移變化，但位移大小并不明顯。受到外部荷載影響，位移方向變為近水平方向，上部砂巖、中下部煤臺階受到運輸機支架荷載影響較大，位移方向為豎直向下，位移量顯著增加，但沉降量卻在1cm 以內。

結合運輸機架設位置和潛在滑動面分布條件，端幫穩定性系數受到高陡泥巖臺階的影響比較大，輸送機安裝與架設并沒有對端幫穩定性系數產生影響，表明布置膠帶運輸機在保證邊坡安全方面是可行的，也會對臺階原有位移趨勢產生影響，可以緩解上部砂巖臺階底部起鼓的趨勢，也會將位移趨勢轉變為沉降，并沒有對南幫端應力分布產生影響。對南端幫整體穩定性進行分析，初始狀態下具有2個潛在的圓弧滑動面，剪應力位于高陡泥巖臺階坡腳和煤臺階坡腳，高陡泥巖臺階會先發生破壞，安裝施工時要做好上述兩部位的應力監測。

3 結語

綜上所述，大傾角帶式輸送機占地小、爬坡能力強，達到相同高程時輸送長度更短，可以與端幫保持垂直，露天生產系統更為簡單，不需要投入太多的資金，還可以滿足資源綠色開采的要求，但隨著煤炭開采深度的不斷變大，優化坑內破碎站位置和最大限度地采用帶式運輸機進行運輸，是露天煤礦開采輸送工藝的重要內容。通過對不同大傾角帶式輸送機類型進行分析，確定采用壓帶式輸送機，具有很好的自動化程度，煤炭運輸通過封閉空間不會造成粉塵污染；對輸送工藝系統工藝布置進行研究，確定選擇壓帶式運輸機與兩點支撐多機組合的方案，對煤礦地質條件有著很好的適應能力；對不同自移方式的優缺點和適用條件，選擇整體布置分段的自移方案。再從輸送工藝布置、坑下破碎站匹配選型、端幫臺階參數及穩定性分析和端幫整體穩定性分析，可以發現端幫大傾角帶式輸送機工藝可以滿足煤礦運輸需要，具有較高的應用價值。