煤礦井下運輸方式設計及設備選型研究

杜強國

（山西陽煤集團南嶺煤業有限公司，山西 太原 030400）

引言

隨著我國煤礦機械化水平的提高，大部分煤礦已經采用綜合機械化采煤法。其中，原煤運輸系統的選型是否合理，是煤礦機械化程度的標志性關鍵點，同時也是關系到煤礦經濟高效生產的重要環節。利用帶式輸送機利于井下煤炭資源的高效運輸，因其具有運量大、效率高、成本低、易維護等優點，在我國井下有著廣泛的應用。

原煤經工作面采出后，需通過計算設計選用合理的運輸設備運至地面煤倉，當設備的運輸能力不足時，則會對工作面的正常生產造成影響[1-2]。因此，對井下運輸設備進行準確的研究選型，可以為礦井安全高效生產提供重要保障。

1 南嶺煤業工程概況

山西陽煤集團南嶺煤業（以下簡稱“南嶺煤礦”）位于太原市清徐縣，南北長約4.1 km、東西長約3.5 km，井田面積9 km2，由原南嶺煤礦和桑樹洼煤礦兼并重組而成。目前礦井內可采煤層包括4號、5號、8號和9號煤層，保有資源儲量超過1億t，產能高達90萬t/a。由于南嶺煤礦在整合后產能有了顯著提升，原有的運輸方式及設備無法滿足當前生產的需要，對煤礦的高效安全生產有一定的抑制作用，因此需要針對重組后的南嶺煤礦的煤炭運輸方式及相應的設備進行重新設計和選型。

2 井下煤炭運輸

根據井田開拓部署和礦井規模，結合目前國內井下煤炭運輸設備的發展趨勢，采用膠帶輸送機進行原煤運輸，具體運輸路線設計為：綜采工作面→順槽膠帶輸送機→水平膠帶巷膠帶輸送機→集中膠帶大巷→井底煤倉→主斜井大傾角膠帶輸送機→地面。

2.1 集中膠帶大巷原煤運輸設備

南嶺煤礦完成充足后，原有設備難以負擔全礦產能，特別是集中膠帶大巷部分，將承擔礦井90萬t/a的原煤運輸任務。該巷道總長度510 m，傾角9°，需要對膠帶機進行選型，并結合本巷道的特點和采區運輸所需能力進行設計[3]。

2.2 驅動方式的確定

輸送機的驅動方式主要分為軟啟動和硬啟動兩種方式。硬啟動具有成本低廉安裝簡單的優勢，但軟啟動具有高效避震的功能，對井下動應力波所產生的震動有著很好的減免效果，可以有效防治波動對帶式輸送機造成的損害，因此在本次設計中排除硬啟動方式，選擇軟啟動方案。

根據巷道布置情況來看，應選擇長度較短、角度較小、功耗較低的膠帶輸送機安裝在大巷中。根據井下實際情況調研發現，液力偶合器具有安裝容易、管理簡潔、性價比高的特點。因此在本次設計中，膠帶輸送機采用液力偶合器驅動方式來對輸送機進行啟動。

2.3 膠帶輸送機簡要設計計算

2.3.1 裝料輸送能力的計算

改造升級后的大巷帶式輸送機，需要對裝料斷面輸送能力進行預算，最大輸送能力Qmax為：

式中：S為輸送帶上物料橫截面積，取0.125 m2；v為帶速，2.5 m/s；α為帶式輸送機傾角，即巷道傾角，取9°；ρ為物體密度，取0.9 t/m3。

代入數據計算得Qmax=911 t/h。

2.3.2 運行圓周力的計算

滿載運行圓周力Fu的計算：

式中：C為附加阻力系數，取C=1.20；Fh為主要阻力，經計算為12 829 N；FS1、FS2、FSt分別為導料槽阻力（285 N）、清掃器阻力（3 600 N）、傾斜阻力（19 280 N）。

代入數據計算得Fu＝52 300 N。

2.3.3 電機功率的計算

考慮到設備的負載，需要對電機功率Nd根據公式（3）進行計算：

式中：N0為軸功率，為131 kW；η為總效率，取0.7。

經計算Nd=187 kW，因此選電機功率2×110 kW。

2.4 帶式輸送機選型結果

經計算，將選取型號DTII的固定帶式輸送機對南嶺礦原煤進行輸運，該輸送機為雙滾筒雙電機驅動，功率配比1∶1，運量最高可達425 t/h，安裝長度510 m。膠帶選用型號為PVC800S的整芯膠帶具有阻燃、抗靜電的功能，帶寬1 000 mm、帶強800 N/mm、帶速2.5 m/s。

3 輔助運輸方式及設備

根據井下部署，對巷道的輔助運輸系統和運輸方式進行相應的設計與提升，初步路線為：副斜井→井底車場→一水平軌道大巷連續牽引絞車→順槽小絞車→采掘工作面。

3.1 軌道巷材料運輸設備

軌道大巷主要用于井下矸石、設備、材料的運輸工作，經過研究分析，設計采用無級繩連續牽引絞車進行物料的提升，具體選型的計算需參考絞車牽引力、鋼絲繩張力、強度等因素。

3.1.1 絞車牽引力的F絞車計算

式中：G為礦車載重，取1800 kg；G0為礦車自重，取600 kg；β為巷道傾角，取8°；qR為鋼絲繩單位質量，取1.44 kg/m；a為加速度，取0.2g；L為斜巷運輸長度，1 100 m。經過計算得F絞車=36 622 N。

3.1.2 絞車電機功率N絞車的計算

絞車所需電機功率驗算根據公式（5）計算：

式中：Vmax為絞車最大運行速度，即空載速度，取1.12 m/s；η絞車為絞車傳動效率，取0.9。計算得N絞車=51.9 kW。

3.1.3 運輸時效T的計算

絞車運輸一個周期的時效主要受運行速度和載重的影響，需根據公式（6）對絞車運輸時效進行計算：

式中：Vmin為絞車滿載運行速度，取0.67 m/s；Vmax為空載速度，取1.12 m/s。經計算T=43.7 min。

3.1.4 無極繩連續牽引絞車的選型

經過技術選型，設計選用SQ-60/55型礦用無極繩連續牽引絞車，可以滿足南嶺煤礦井下實際工作，具體參數如表1所示。

表1 礦用無極繩連續牽引絞車參數

4 礦井車輛的配備

4.1 礦車的選型

針對南嶺煤礦矸石考慮采用1.0 t固定箱式礦車進行運輸，針對材料、設備、重物等考慮選用平板車和材料車運輸，各類礦車詳細規格配備見表2。

表2 各類礦車規格特征表

4.2 各類礦車的數量

對礦車數量和類型的選用，主要以礦井產能達到最高點時，地面與井下各地點所需車輛的共和進行計算。為降低企業生產成本，將對原先車輛進行合理安排，并新增部分車型，其中所需1.0 t的固定礦車總計150輛、礦用平板車45輛、材料車45輛、支架平板車25輛，具體參見表3。

表3 礦井達產時各類礦車數量

5 結論

南嶺煤礦在兼并重組之后，產能得到了大幅提升，通過對礦井產能和巷道的設計研究，決定對大巷運輸設備、提升設備和車輛進行補充選型。

1）運輸方面：選取型號DTII的固定帶式輸送機對南嶺礦原煤進行輸運，最高運量可達425 t/h；膠帶選用型號為PVC800S的整芯膠帶，具有阻燃、抗靜電的功能，帶寬1 000 mm、帶強800 N/mm、帶速2.5 m/s。

2）輔助運輸方面：選取功率為55kW的SQ-60/55型礦用無極繩連續牽引絞車，滿載和回程速度設定為0.67 m/s和1.12 m/s。

3）礦井車輛配備方面：共設計需要1.0 t的固定礦車150輛，礦用平板車和材料車各45輛、支架平板車25輛。

實際應用表明，所選用的井下運輸設備可以較好地滿足礦井的安全高效生產要求，并可以降低運輸成本和勞動強度，減少事故發生的概率，提高生產效率，值得推廣應用。