大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)管理技術(shù)研究與應(yīng)用

文/馬培賡

大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)因能以較短的運(yùn)距實(shí)現(xiàn)較大的垂深，能夠大幅降低礦井在巷道、設(shè)施建設(shè)方面的投資而倍受煤炭企業(yè)關(guān)注。但隨著膠帶運(yùn)輸機(jī)坡度的增加，物料掉落的情況也會(huì)增多，造成人員傷害或設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)加劇，管理難度大幅增加。如何實(shí)現(xiàn)大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)參數(shù)量化、運(yùn)行管控規(guī)范化，是實(shí)現(xiàn)大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的前提。

一、項(xiàng)目研究背景

大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)因安全防護(hù)設(shè)施比普通坡度膠帶運(yùn)輸機(jī)復(fù)雜，因?yàn)闆]有明確的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范可參考，運(yùn)行管理和維護(hù)難度都更大。經(jīng)查詢，目前國(guó)內(nèi)煤礦傾角達(dá)到30°的強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)已基本退出使用，傾角能達(dá)到27°的強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)也不多見。

為了回收工業(yè)廣場(chǎng)煤柱，鄭煤集團(tuán)超化煤礦技改工程中主提升系統(tǒng)由立井提升變?yōu)樾本嵘?。斜井通過(guò)舊巷道改造而成，受巷道布局條件限制，其坡度局部超過(guò)30°。加之超化煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，矸石多、雜物多、坡度大，礦井主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)存在較大安全隱患。為此，對(duì)提升大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)可靠性的技術(shù)研究成為緊迫課題。

二、項(xiàng)目研究的目的和意義

1.消除運(yùn)輸事故

大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)管理技術(shù)研究的目的，是消除大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過(guò)程可能出現(xiàn)的物料滾動(dòng)、滑動(dòng)現(xiàn)象，避免一般性事故的發(fā)生。

2.量化運(yùn)行參數(shù)，為可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“在大于16°的傾斜井巷中使用的帶式輸送機(jī)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置防護(hù)網(wǎng)，并采取防止物料下滑、滾落等的安全措施?！彪S著膠帶運(yùn)輸機(jī)傾角的增加，所運(yùn)送物料的穩(wěn)定性下降，通過(guò)分析研究，完善設(shè)施及管理手段，使大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行的可靠性指標(biāo)參數(shù)化，為礦井優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、減少基本建設(shè)投資提供依據(jù)。

三、運(yùn)送物料受力分析

圖1 皮帶機(jī)運(yùn)送物料受力示意圖

已知散料堆積角度小于安息角(也稱休止角，散料堆積時(shí)能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的最大單邊對(duì)地角度)是穩(wěn)定堆放散料的必備條件，物料運(yùn)輸也同樣要滿足這個(gè)條件，而且要滿足堆積角小于動(dòng)態(tài)安息角。據(jù)此以圖1中最大塊狀物料為研究對(duì)象，對(duì)其受力情況進(jìn)行基本分析。

1.滑動(dòng)受力分析

查常用材料摩擦系數(shù)表，普通光面膠帶對(duì)煙煤的摩擦系數(shù)取0.35，根據(jù)上面式子計(jì)算得知，要使物料不在膠帶上滑動(dòng)，膠帶運(yùn)輸機(jī)對(duì)應(yīng)的最大傾角γ值不得超過(guò)19°。因膠帶過(guò)托輥存在不穩(wěn)定因素，《煤礦安全規(guī)程》把16°的上傾角作為普通膠帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)控制參數(shù)。

（2）裝載的物料剛拋落到膠帶上時(shí)，因存在速度差，物料與膠帶間會(huì)出現(xiàn)一些滑動(dòng)。根據(jù)受力關(guān)系：

式中，m是物料的質(zhì)量，v0是物料在膠帶運(yùn)行方向上的初速度，v是膠帶運(yùn)行速度，為滑動(dòng)摩擦力，t為物料與膠帶速度達(dá)到一致需要的時(shí)間。在v0、v及滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ已知的前提下，落料處膠帶運(yùn)輸機(jī)的傾角值越小，越大，滑動(dòng)時(shí)間t及滑動(dòng)距離S越短，膠帶的磨損量越小。

2.塊狀物料力矩分析

（1）膠帶上沒有散料，且塊狀物料為球狀。在物料受力示意圖中，支撐點(diǎn)為O，“球狀”物料下側(cè)沒有支撐，為失衡狀態(tài)，只要膠帶運(yùn)輸機(jī)的傾角不為零，就會(huì)出現(xiàn)滾動(dòng)。

（2）膠帶上只有非規(guī)則的塊狀物料。物料受力示意圖中，下支撐點(diǎn)為O′，物料不滑動(dòng)的條件：∠O′MO＞(即O′在過(guò)重心M垂線的左側(cè))，才可能不滾動(dòng)。

（3）膠帶上有散料堆積。在物料受力示意圖中，散料對(duì)塊狀物料的支撐點(diǎn)為O"，O"與塊狀物料重心M及垂點(diǎn)O構(gòu)成的球心角為′(∠O"MO)，要使平均半徑為R的塊狀物料不出現(xiàn)滾動(dòng)，則需要滿足：O"高于O點(diǎn)，有∠O"MO＞，

支撐厚度h滿足上述關(guān)系，是塊狀物料不滾動(dòng)的臨界條件。強(qiáng)力膠帶運(yùn)行過(guò)程中，存在震動(dòng)、變形、支撐點(diǎn)改變等情況，要確保可靠運(yùn)送物料，就需要增加穩(wěn)定系數(shù)s。上式則變?yōu)閔＞s·R·(1-cos)。顯然，堆積的散料越厚，塊狀物料越不易翻動(dòng)，即在散料不滑動(dòng)的前提下，要使塊狀物料不滾動(dòng)就需要有足夠厚度的散料進(jìn)行支撐。根據(jù)膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行測(cè)定數(shù)據(jù)，變頻驅(qū)動(dòng)方式下厚度穩(wěn)定系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值5(非變頻驅(qū)動(dòng)方式取經(jīng)驗(yàn)值7)。即變頻驅(qū)動(dòng)膠帶運(yùn)輸機(jī)，要確保塊狀物料不翻滾，散料最小厚度h＞5R·(1-cos)。

通過(guò)以上分析可知，因運(yùn)輸是連續(xù)性的，要避免塊狀物料出現(xiàn)翻滾，就需要保證物料裝載的連續(xù)性。但物料運(yùn)送是每班或次都要有一個(gè)結(jié)束，只能采取每次或每循環(huán)以一定長(zhǎng)度的散料進(jìn)行收尾。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)測(cè)定，該收尾散料長(zhǎng)度的最小可靠取值是堆積厚度h的50倍。

四、大坡度運(yùn)送的實(shí)現(xiàn)

膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送煤炭，不應(yīng)出現(xiàn)滑動(dòng)，更不能出現(xiàn)滾動(dòng)。由受力分析可知，當(dāng)膠帶運(yùn)輸機(jī)傾角值大于19°時(shí)就會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，如果要增加強(qiáng)力膠帶機(jī)的傾角就必須采取其他措施。

影響運(yùn)送物料狀態(tài)穩(wěn)定的因素除膠帶機(jī)傾角，還有散料間的內(nèi)摩擦系數(shù)μ0、物料與光面膠帶的外摩擦系數(shù)μ、膠帶槽形角、途經(jīng)托輥振動(dòng)等諸多因素。其中通過(guò)增加膠帶的槽形角來(lái)“擠壓”物料及選用表面帶花紋的膠帶來(lái)增加摩擦力，是通用的做法。

增加槽形角和選用帶花絞的膠帶，其機(jī)理是把皮帶對(duì)運(yùn)送物料的外摩擦變成物料的內(nèi)摩擦來(lái)增加摩擦力，使得膠帶運(yùn)輸機(jī)的上行坡度接近運(yùn)送散料的動(dòng)態(tài)安息角。實(shí)驗(yàn)得到無(wú)煙煤的運(yùn)動(dòng)安息角為30°(靜止安息角35°～45°)。煤炭在生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程中有補(bǔ)入水分的環(huán)節(jié)，存在實(shí)際安息角比試驗(yàn)數(shù)據(jù)大的情況，不同煤種的安息角也不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要把最苛刻的情況考慮進(jìn)去，大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)的最大坡度不得超過(guò)所運(yùn)送散料的動(dòng)態(tài)安息角。

五、大坡度膠帶運(yùn)輸機(jī)可靠運(yùn)行實(shí)踐

超化煤礦主斜井強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)長(zhǎng)495m，帶寬1200mm，選用圓坑花紋強(qiáng)力膠帶，采用變頻驅(qū)動(dòng)，速度2.5m/s，最大坡度略超30°，接煤點(diǎn)處坡度10°，運(yùn)輸能力600t/h，全程采用鋼網(wǎng)(縱向鋪設(shè)扁鋼)封蓋。

初期經(jīng)常出現(xiàn)矸石滾動(dòng)，鋼網(wǎng)損壞嚴(yán)重。為消除安全隱患，在鋼網(wǎng)下每隔10m加裝一道緩沖簾(膠帶條制作)，滾動(dòng)矸石得到很好緩沖，鋼網(wǎng)損壞率大幅降低，但膠帶條損壞嚴(yán)重，維護(hù)量仍然較大。因此，矸石滾動(dòng)的問(wèn)題不解決，安全隱患就不能消除，維護(hù)工作量仍然很大。

1.裝載點(diǎn)

增大槽形角并使用圓坑花紋帶，使外摩擦變成內(nèi)摩擦，動(dòng)態(tài)安息角為30°，根據(jù)受力分析：μ≈μ0=tg30°≈0.577。

經(jīng)測(cè)算，物料落到膠帶上時(shí)，在皮帶機(jī)運(yùn)行方向上，其初速度v0=1.0m/s。

即裝載物料滑動(dòng)0.269s，滑行0.20m，是可以接受的結(jié)果。

由于存在震動(dòng)、擺動(dòng)等因素，需增加可靠系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值5，那么，應(yīng)留出的滑行長(zhǎng)度為5S=1m，結(jié)合緩沖空間，最終取長(zhǎng)度不低于2m。

2.滾動(dòng)問(wèn)題

通過(guò)受力分析可知，“支撐”是物料是否發(fā)生滾動(dòng)的關(guān)鍵；由膠帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸機(jī)理可知，運(yùn)送物料均勻連續(xù)，就可以使物料獲得后續(xù)支撐，就能避免出現(xiàn)滾動(dòng)現(xiàn)象。

即h＞5×300×(1-0.866)≈200mm，

式中，d為礦井矸石（物料）最大直徑，為300mm，

收尾散料長(zhǎng)度：50h=50×200mm=10m。

即在要保證該皮帶機(jī)運(yùn)送最大粒度300mm的物料不出現(xiàn)滾動(dòng)，要確保散料堆積厚度應(yīng)大于200mm，每次或循環(huán)收尾散料長(zhǎng)度要大于10m。

3.運(yùn)行管控措施

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，單純的設(shè)施完善還不足以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的實(shí)際工況，還需要采取一系列以“控”為重點(diǎn)的管理措施。由于管控措施相對(duì)復(fù)雜，按控制措施對(duì)膠帶機(jī)集控系統(tǒng)程序進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)為強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)管控措施記憶和理解，編制了大坡度強(qiáng)力膠帶機(jī)運(yùn)行管控口訣，部分內(nèi)容為：

輸送不斷流，矸石不用愁；變頻調(diào)煤量，高效有保障；

承接帶不傷，修補(bǔ)再不慌；出現(xiàn)石頭滾，全憑簾子穩(wěn)；

矸石早破碎，維護(hù)少受罪；散料收好尾，機(jī)工少跑腿。

通過(guò)優(yōu)化集控程序系統(tǒng)，強(qiáng)化管控措施，保障了礦井主運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

六、結(jié)論

通過(guò)對(duì)大坡度強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)及其物料特性進(jìn)行深度分析，結(jié)合具體案例對(duì)大坡度強(qiáng)力膠帶機(jī)應(yīng)用進(jìn)行了具體化、參數(shù)化，找準(zhǔn)問(wèn)題根源，采取針對(duì)性管控措施，保障了礦井主運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行。并通過(guò)研究分析，對(duì)傾角超過(guò)25°的強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)在設(shè)計(jì)及管理方面提出以下建議：

膠帶機(jī)設(shè)計(jì)最大坡度不得超過(guò)運(yùn)送物料的運(yùn)動(dòng)安息角；采用花紋帶面，把外摩擦轉(zhuǎn)為物料的內(nèi)摩擦；采取破碎措施，對(duì)運(yùn)送物料的最大粒度進(jìn)行有效控制；優(yōu)先采用變頻裝置驅(qū)動(dòng)，裝機(jī)容量滿足重載起動(dòng)需要；裝載點(diǎn)坡度應(yīng)小于16°，滑動(dòng)距離取可靠系數(shù)5，但長(zhǎng)度不少于2m；物料的最低厚度由運(yùn)送物料粒度及膠帶機(jī)的最大傾角來(lái)確定，變頻驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)s取5(非變頻驅(qū)動(dòng)取7)；要有確保運(yùn)送物料不斷續(xù)的措施，結(jié)束每次(循環(huán))運(yùn)輸任務(wù)，必須要用粒度較小的散料收尾，收尾散料長(zhǎng)度不低于最低厚度的50倍；管控措施不滿足上述要求的，運(yùn)輸機(jī)須全程封閉，并加裝緩沖簾。