煤礦綜采工作面大塊煤破碎裝置及其配套技術的設計

張亮軍

（西山煤電集團鎮城底礦， 山西 古交 030203）

引言

在特厚煤層大采高放頂煤開采中由于煤層厚度較大，放頂煤高度較高，采煤過程中大塊煤炭更容易發生垮落，從而致使工作面液壓支架、刮板運輸機以及相關管路等受到碰撞，影響設備的正常運行。此外在對大塊煤炭進行運輸時，由于體積較大，經常會在轉載機以及破碎機入口處發生堵塞，阻礙了運輸系統的正常進行，嚴重時會導致停機現象的發生。目前隨著井下開采技術的發展，工作面前部的大塊煤炭在開采時直接通過采煤機的滾筒進行了破碎，而后部的煤炭則在支架插板的往復運動下得以破碎，即便如此，仍然有大量的煤塊無法得到及時破碎，只能由井下的工人進行手工破碎，這極大地影響了井下生產的高效進行，增加了工人作業危險性，因此為了提高破碎煤塊的效率，實現煤礦的高效生產，緩解工人的勞動強度，對煤礦綜采工作面大塊煤破碎裝置進行了研制設計。

1 大塊煤破碎裝置研制設計

1.1 大塊煤破碎裝置安裝位置的設計

在以往的設計研究中，大塊煤破碎裝置的安裝位置一般分別在刮板轉載機附近、皮帶運輸機中部槽上以及采煤機上，雖然將破碎裝置合理安裝在這3個位置可以解決煤炭破碎的問題，但是由于工作面最容易發生煤炭擁堵的地方在其他位置，因此需要對大塊煤破碎裝置的安裝位置進行重新設計和選擇。從礦井長期的生產情況來看，當工作面煤壁上的煤發生片幫時，所垮落下來的煤炭通常會掉落到刮板運輸機上，然后經由刮板鏈運輸到機頭，在機頭位置處卸載，并將其卸載到轉載機上，由于轉載機與刮板運輸機成直角形狀布置，因此當體積較大的煤塊通過此交叉位置時，最容易發生煤炭的擁堵，因此必須在煤炭達到該位置之前將其破碎掉，同時若冒落下來的煤炭滾到了運行的前方位置，則破碎裝置有可能無法對煤塊進行破碎，故破碎裝置應盡可能靠近刮板輸送機的機頭側。因此，基于礦井的實際生產和運輸情況，大塊煤破碎裝置的最佳安裝位置為靠近刮板輸送機機頭架附近的中部槽上，該位置高度較低，安裝方便，便于工人進行操作，且不會影響工作面其他機械設備的運行[1-2]。

1.2 大塊煤破碎裝置的總體結構設計

煤礦井下的生產環境復雜多變，在設計制造大塊煤破碎裝置時需要考慮的因素較多，比如工作面的開采高度、巷道的寬度、工作面的三機配套設施、刮板輸送機的結構以及整個工作面的空間大小等，這些都會對大塊煤破碎裝置的設計造成影響，因此為了更好地保證煤炭破碎裝置的效率，結合上述影響因素，將該破碎裝置的主要組成部分設計成電動機、減速器、滾筒、搖臂、法蘭盤等，此外該裝置還與截齒形成了一體式結構。破碎裝置的總體示意圖如圖1所示。

圖1 破碎裝置總體結構示意圖

1.3 大塊煤破碎裝置的傳動系統設計

大塊煤破碎裝置的傳動系統的組成部分主要包括破碎電動機、行星減速器、破碎外筒、法蘭盤、軸承、軸承座、密封件以及空氣濾清器等，其中破碎滾筒是通過簡單支撐的方式固定在搖臂上的，搖臂的一側是通過深溝球軸承來連接的，另一側則是通過圓柱滾子軸承來連接的，同時為了防止該裝置負荷過重，在太陽輪的一側利用剪切槽進行了過載保護，此外由于減速器以及軸承上都使用了潤滑油，為了防止油液泄漏，其接口處還選擇了骨架油封架構。

在破碎裝置傳動系統中最關鍵的三個組成部分是破碎電動機、行星減速器以及空氣濾清器，在這三個裝置的有效協調配合下，能夠實現傳動系統的穩定運行。其中對于破碎電動機來說，特設計選用了單速防爆型電動機，且供電電壓設置為3300 V，采用水冷的散熱方式，盡可能減少電動機的危險性，同時為了實時監測和掌握電動機的溫度情況，在電動機內部設置了溫度傳感器，以避免電動機溫度過高，引起井下機電事故的發生；而對于行星減速器而言，該破碎裝置傳動系統所選擇的是NGW型的減速器，這類減速器的結構設計通常比較緊湊，在進行加工以及維護時都便于工人操作，其中所設計選擇的傳動比為8.5，轉動的速度可達到174 r/min，轉矩可達到11044 N·m，整個行星架由強度較高的合金鋼制成，且為了進一步提高減速器的強度，減少設備的摩擦損耗，特對其行星架的表面進行了調質處理以及局部淬火，同時對齒輪也進行了淬火工藝和修圓處理，經過上述設計后，齒輪的強度大大提高，安全系數也隨之增加；最后對于空氣濾清器來說，為了避免油液注入過程中，潤滑油中混有雜質以及煤粒等，在注入工業齒輪油之前特增設了空氣濾清器以對其進行過濾，減少雜質對齒輪壽命的影響，另外為了提高過濾的準確性以及精度，利用銅基粉末對過濾片進行了冶金燒結，通過該工藝，過濾片的塑形大大增強，且耐高溫的能力也隨之提高，與此同時由于空氣濾清器的透氣功能，空穴現象的發生也大大減少[3]。

1.4 相關技術參數的設計

工作面煤質的硬度、脆性、開采的地質條件以及施工環境等均會對破碎裝置滾筒的功率造成影響，且根據礦井長期以來實際的生產情況而言，大塊煤在冒落時不確定性極高，為了保證體積較大的煤塊可以被有效地破碎，通常將破碎功率值設計的較大。考慮到已有的破碎裝置的技術參數，將該大塊煤炭的破碎裝置的功率設計為了200 kW。其中破碎裝置主要的技術參數如表1所示。

表1 大塊煤破碎裝置的主要技術參數

2 大塊煤破碎裝置綜合配套技術設計

2.1 截齒布置方式設計

采煤機在進行開采的過程中，不同的截齒布置方式會對采煤機的截割效率造成不同的影響，導致塊煤的產生率不同，同理破碎裝置截齒的布置方式也會對煤塊破碎的效率產生影響。由于該破碎裝置在對煤塊進行破碎時采用的是間歇性破煤的方式，因此當工作面冒落下來的大塊煤炭經過刮板輸送機過渡槽時，破碎滾筒工作的時間遠遠小于采煤機截齒工作的時間，因此為了充分利用破碎裝置的截齒，使每個截齒都能夠發揮其作用，將截齒設計為棋盤式即可，設計不僅能滿足煤塊破碎的要求，還提高了截齒的利用率[4]。

2.2 過載保護設計

由于破碎裝置的電動機的額定破碎功率設計為200 kW，轉矩也比較大，因此為了保證其設備的安全性，減少事故的發生，對破碎裝置的動力部進行了過載保護設計。首先對破碎裝置的傳動機構采用了機械過載保護，在太陽輪的中間位置處增設了一個剪切槽，一旦實際的轉矩大于額定轉矩時，剪切槽就會斷裂，從而導致破碎滾筒停機，以免對電動機造成影響；其次對液壓缸進行了過載保護，在液壓缸的進液口上增加了一個安全閥，通過該安全閥，當液壓缸內壓力過高時，安全閥開啟，油液向外滲出，避免了缸體內壓力過高而爆炸；另外還對電動機進行了電器過載保護，通過安裝在電動機上的傳感器來監測電機的電流以及溫度，一旦超過限定值，則高壓開關跳閘，聲光報警裝置啟動，警示工作人員對其進行檢查和維修。

3 實際應用效果分析

通過上述研制設計后，將該大塊煤破碎裝置應用于實際礦井中發現，該礦工作面在未使用破碎裝置之前，煤塊冒落的最大直徑為2.5 m，由于體積過大，在運輸時常常會造成煤流的堵塞，這不僅降低了井下生產的效率，還增加了工作人員清理巷道的難度和工作量，而在利用該裝置后，煤塊的破碎情況得到了良好改善，在試驗期間未出現煤流擁堵的現象，不僅提高了破碎裝置的自動化程度，減輕了工人的勞動負擔，還降低了事故發生的可能性，在煤礦井下得到了廣泛的應用。

4 結論

1）確定了破碎裝置的最佳安裝位置為靠近刮板輸送機機頭架附近的中部槽上；

2）并對破碎裝置以及減速器的相關技術參數進行了設置，確定了電動機、減速器和截齒為一體的破碎滾筒結構，實現了安裝方便、運行靈活可靠的目標；

3）進行了截齒布置方式與過載保護的設計，在提高滾筒截割效率的同時，降低了工作面發生故障的幾率，不僅具有良好的破煤效果，還為煤礦企業創造了更大的經濟效益，為中厚煤層工作面煤塊的破碎提供了新的解決思路。