長距離水平轉彎帶式輸送機在肥田煤礦的應用設計

于 泓

(貴州省煤礦設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000)

1 概 述

近年來帶式輸送機相關理論的研究取得了很大進展，帶式輸送機主要部件的技術性能也明顯提高，為帶式輸送機向長距離、大型化方向發展奠定了基礎。目前，國內長距離大運量帶式輸送機已經在許多工程項目上得以運用，帶式輸送機已不只是廠內及車間與車間之間的輸送設備，而成為可以與汽車運輸相競爭的輸送設備。無論國外還是國內的建材及礦山行業，在這兩種運輸方案的對比選擇后，最終還是較多地選擇以長距離、大運量的帶式輸送機代替汽車運輸的方案[1]。

長距離水平轉彎帶式輸送機和管狀帶式輸送機是近年來應用較為廣泛的長距離輸送設備，二者各具特色。

1.1 長距離水平轉彎帶式輸送機

長距離水平轉彎帶式輸送機應用于輸送機線路的起點和終點不能直線連接時的情況。采用彎曲的運行線路以繞開障礙物或不利地段，實現少設或不設中間轉載站，從而達到減少設備的數量，使系統的供電和控制系統更為集中[2]。中間轉載站的取消，解決了轉載站帶來的一系列問題，如：取消了緩沖站、清掃器、導料槽等磨損件；無物料溢出或堵塞的危險；取消了中間環節，大大減少系統的設備數量，系統簡單、維護量?。粶p少了粉塵飛揚和燥聲，有利于保護環境；另外由于長距離水平轉彎帶式輸送機取消了中間轉載的卸料高度，減少了系統運行的耗能，在一定程度上減少投資。

在國外，平面轉彎帶式輸送機已在露天礦、地下煤礦的彎曲巷道、水電站建設工程、礦山輸送、港口以及其它生產系統中推廣使用。

目前，國內已在應用的單機輸送長度，國外最長達20.3km ，國內最長達16.6km；國外最大帶速已達12m/s。國內的最大帶速達5.6m/s ，最大輸送量8900t/h。

1.2 管狀帶式輸送機

管狀帶式輸送機(簡稱管狀帶式輸送機)是在普通帶式輸送機基礎上發展的一種新型連續輸送設備，管狀帶式輸送機的頭尾部結構與普通帶式輸送機的結構并無太大的區別。管狀帶式輸送機中部輸送帶被六邊形布置的輥子強行裹成圓管，輸送物料被完全封閉在圓管內隨輸送穩定運行[3]。

管狀帶式輸送機由于特殊的托輥布置形式，其沿程的轉動件的慣量遠遠高于其他形式的帶式輸送機，導致管狀帶式輸送機起制動困難，由于需要驅動數量多于普通帶式輸送機2倍輥子旋轉，驅動裝置需要為此單獨提供足夠的驅動力，所以管狀帶式輸送機的無功功率非常高，其無功功率約占系統裝機功率的50%以上甚至更高，由此導致管狀帶式輸送機的運行電耗遠高于普通結構的帶式輸送機，其帶來的后果就是系統的運行功率居高不下，采用這種設備的系統運行成本較高[4]。

由于管狀帶式輸送機對輸送帶要求很高，不但要求有縱向強度，還要求輸送帶橫向剛度，而這種特性的長期保持在技術上難以保證，這樣會大大增加管狀帶式輸送機的運行風險，特別是當輸送帶的橫向剛性難以維持時，輸送帶的重心將變得難以捉摸，這將為輸送帶的扭轉帶來誘因，一旦發生扭轉，如此長度的管狀帶式輸送機若要恢復原狀，對于礦井生產和裝車系統的生產都將要付出停產待料的代價[5-7]。

由于管狀帶式輸送機特殊結構，輸送帶的縱向撕裂也是難以解決的問題，管狀帶式輸送機由于輸送帶包裹成圓管，監測探頭無法對輸送機全斷面進行監測，距離較短的管狀帶式輸送機更換整個輸送機相對容易，而該工程14km長的輸送帶若需全程更換，僅硫化接頭一項就需最少30d才能帶式完成。

1.3 運輸方式選擇

1.3.1 采用汽車(租賃)運輸

根據該工程所在地的當前的運輸現狀，煤炭外運方式單一，幾乎全部依靠公路運輸，尚未形成多元、靈活的煤炭綜合運輸體系。本工程若繼續沿用汽車輸送方式，自礦井選煤廠的儲煤場至白馬洞鐵路集運站儲煤場間沒有既有的道路可以利用，借用最近的縣級公路和省道也需要新建公路至少5.61km，汽車運輸距離累積38.31km，滿足肥田礦井生產能力運煤汽車的配置參數為：汽車運輸時間153.24min；自卸汽車臺班運輸能力A為85t/臺·班；自卸車周轉一次時間為169.24min；汽車數量N為155臺。參考貴州省畢節地區貨運價格約1.8元/t·km，采用汽車運輸建設時年運輸費用見表1。

表1 汽車年運輸費用

由表1可知，由于汽車運輸距離過長及當地貨運單價相對較高，致使年運輸成本較高，導致礦井產煤在運至火車裝車后每噸需增加近69元的成本，極大削弱了礦井產煤的市場競爭力。

1.3.2 采用一段式管狀帶式輸送機運輸

采用一段式管狀帶式輸送機，線路布置可滿足規劃要求，但該工程輸送線路過長，選擇管狀帶式輸送機作為主要輸送設備，需倍加謹慎，1段式管狀帶式輸送機配置技術參數見表2。據有關數據統計，管狀帶式輸送機在布置機長超過5km后，其綜合運營成本甚至超過汽車運輸方案。

表2 1段式管狀帶式輸送機配置技術參數

1.3.3 設備投資估算

針對1段式管狀帶式輸送機和2段式長距離水平轉彎帶式輸送機方案設備配置選型進行比較。

方案一：1段式管狀帶式輸送機布置方案

方案二：2段式長距離水平轉彎帶式輸送機運輸方案。

1.4 運營分析

本運輸系統的根據年運輸240萬t能力要求，對采用長距離水平轉彎、管狀帶式輸送機和汽車運輸三種方案進行運營成本的分析與比較。

1.4.1 運營成本

1)按照系統的運營周期為20a計算，自2012年投入運營，運營期限為20a至2031年止。

2)為利于方案比選長距離水平轉彎帶式輸送機和管狀帶式輸送機方案均按照6400萬元申請款，年利率6.14%，16年還清，每年還400萬元；3年期短期貸款，到期后就未歸還貸款借新貸還舊貸。項目建設周期1a，自2011年申請貸款；則第一年貸款利息資本化計入資產原值，以后每年計入當期損益。

3)帶式輸送機按20a計提折舊，5%預留殘值。

4)汽車運輸按照當地汽車貨運單價1.8元/t·km計費。

5)帶式輸送機運行功耗電價參照當地普通工業用電0.58元/度計取。

6)操作人員人工成本4萬元/a。(人員組成為兩班制，每班4人)。

1.4.2 方案運營分析比較

方案運營比較見表3。

表3 方案運營比較 萬元

注：方案一為2段式長距離水平轉彎帶式輸送機運輸方案；方案二為1段式管狀帶式輸送機布置方案；方案三為汽車運輸方案。

對上述數據的對比分析可以得出：

1)采用長距離水平轉彎帶式輸送機運輸方案(方案一)作為本項目原煤輸送的方式，由于綜合投資較少、節能效果明顯，使得運營成本最低。

2)采用管狀帶式輸送機運輸方案(方案二)作為本項目原煤輸送的方式，由于設備投資較高、耗能量大、造成運營期成本較高。

3)汽車運輸方案(方案三)，雖然修建道路的固定投入相對較低，但其運行成本相對固定在高位，故其運營成本最高。

根據目前燃油價格的不斷增高，汽車運輸的運行成本還會不斷地向上調整，而電費受國家宏觀調控的影響，上調的幅度始終會低于燃油價格上調幅度，故上述比較是相對準確，具有實際意義的。汽車運輸由于成本過高，不推薦采用；而管狀帶式輸送機輸送方案由于運營成本與汽車方案接近故也不推薦采用。所以本工程推薦采用長距離水平轉彎帶式輸送機運輸方案作為礦井原煤運輸的主要手段。

2 長距離水平轉彎輸送機的設計

2.1 運輸線路

采用長距離水平轉彎帶式輸送機方式運輸，利用設備可在水平和豎向彎曲的特點，采用迂回布置方式以避開線路中地形復雜區段實現自礦井至火車集運站的不間斷連續輸送。

2.1.1 線路規化

輸煤系統線路方案如圖1所示，由于區域內地形較為復雜，多為巖溶溝谷、峰叢洼地及中等切割的構造、剝蝕山地地貌，山高坡陡，溝谷縱橫，地形高差變化較大，帶式輸送機線路選擇時遵循“線路最短”、“地勢相對平坦”、“避免大規模道路橋隧施工”、“避免林地和耕地占用”、“施工條件具備”等原則，經篩選后可供比對的線路共有2條，按照線路自短至長分別定義為線路1～2，以下就各線路規劃的優缺點及與該工程實際情況的吻合度進行分析比較。

方案一的帶式輸送機線路豎向有兩處需考慮隧道通過，隧道長度分別為1182m和1895m，整個線路水平無彎曲段，豎向起伏較小，故長距離帶式輸送機可滿足布置條件。線路1剖面圖如圖2所示。

圖2 方案一(線路1)剖面圖

方案二：該方案為一水平曲線布置方案，水平長度為7024m，線路2剖面圖如圖3所示。

圖3 方案二(線路2)剖面圖

該方案較線路1水平長度均有所增加，需考慮2處穿越隧道，隧道長度分別為1347m、1230m，整個線路水平及豎向均有彎曲段，采用長距離曲線帶式輸送機能滿足布置要求。

2.1.2 線路比較及選擇

線路1和線路2比較見表4。

表4 線路1和線路2比較

通過分析比較，選擇“線路2”作為運輸的推薦方案。

2.1.3 方案比較及選擇

方案一：1段式長距離曲線帶式輸送機布置。輸送機沿著“線路2”走向布置，由于設備轉彎曲率半徑的布置要求限制，線路偏離規劃線路中心線較多。故此方案不推薦采用。

方案二：2段式長距離曲線帶式輸送機布置。在規劃線路近三分之一處設一全封閉無人值守轉運站T1，從礦井選洗煤廠到T1轉運站間采用長距離曲線帶式輸送機BC1，帶式輸送機總長度約2780m；從T1轉運站到鐵路集運站儲煤場側T2轉運站間布置長距離曲線帶式輸送機BC2，輸送機總長度約4273m。

采用2段式帶式輸送機布置方式，首先解決了方案一中所遇到的水平曲線彎曲半徑對線路規劃的影響，分段布置后，布置線路基本符合規劃路徑要求；其次，由于帶式輸送機采用了分段布置方式，輸送帶張力分布與帶式輸送機側型布置相匹配，從BC1帶式輸送機的側型布置可以總結出，整機布置成V字形，以線路規劃中跨越的歹陽河為界，左側區段帶載時，整機有下運趨勢；右側區段帶載時，整機負荷最大；滿載停車時V字形底部有負張力的趨勢；BC1帶式輸送機工況十分復雜，而BC2帶式輸送機由于地形相對平緩，整機運行工況相對簡單，所以整個線路經此分段后，系統運行工況也得到了較為清晰的分離，為后期安全穩定運行提供了條件；再次，系統分段布置后，較1段式布置相當于增加了中部助推裝置，帶式輸送機最大張力顯著下降，系統負載隨之降低，為輸送帶本體及機械設備選型小型化通用化奠定了基礎，設備土建荷載也隨之減小，雖然系統中增加了T1轉運站，但由于可實現全封閉、無人值守和遠程監控，故對生產管理和安全運行不會造成負面影響。采用2段式長距離水平轉彎帶式輸送機布置，如圖4所示。

圖4 長距離水平轉彎帶式輸送機纏繞形式

2.2 長距離水平轉彎帶式輸送機選型

1#長距離水平轉彎帶式輸送機[6，7]。

2.2.1 原始技術參數

輸送能力：700t/h，運輸距離：2780m，提升高度：156m。

2.2.2 主要參數確定

1)傳動滾筒圓周驅動力計算：

Fu=CNflg[qt+(2qB+qG)cosβ]+qGHg=131010N

式中，CN為附加阻力影響系數；f為模擬摩擦系數；g為重力加速度；qRO為承載托滾旋轉部分質量；qRU為空載托滾旋轉部分質量；qB為輸送帶的質量；qG為輸送物料的質量。

2)軸功率：

P=10-3FV=524.04kW

3)電機功率的確定：根據本驅動系統的特性，取驅動系統正功率運行時的傳動效率η1=0.85～0.95。額定功率Pd為：

故選用一臺防爆電機YB450-50-4，額定功率630kW。采用電機+高壓變頻軟起動+減速器的驅動形式。

2.2.3 選型結果

1#長距離水平轉彎帶式輸送機：機長L=2780m，輸送能力Q=700t/h，帶寬B=1000mm，速度v=4m/s，帶強ST=2000N/mm，電動機YB450-50-4功率P=630kW，尾部單驅動，減速機H2SH16+2FAN，i=20，風油冷卻裝置，10kV高壓變頻軟啟動，盤式制動器KPZ-1600/182/364自動液壓拉緊裝置ZLY-01-14/100。

2#長距離水平轉彎帶式輸送機主要參數計算同上(略)。

3 結 論

1)首次將長距離水平轉彎帶式輸送機應用于肥田礦井及選煤廠產品煤運至白馬洞鐵路貨運站運輸。

2)實現散貨大批量、高效率、安全可靠、環保的運輸，滿足用戶對大宗散貨的運輸要求；也為長距離水平轉彎帶式輸送機在礦山的使用提供依據。