自動化充填刮板輸送機的研制

孫松，馬樹偉

（中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北 張家口 076250；河北省高端智能礦山裝備技術創新中心，河北 張家口 076250）

0 引言

目前，“三下”（建筑物下、道路下、水體下）壓煤已經成為煤炭井工開采不可避免的重要問題，尤其在我國中部和東部礦區，“三下”煤炭儲量已普遍超出可采儲量的半數以上，尤其是采空區塌陷、矸石污染等問題，不僅危及安全，還對環境造成了破壞。我國提出的“綠色開采，可持續發展”的戰略要求對于“三下”壓煤問題尤為重要，為解決以上問題而研制了井下采空區吊掛式充填刮板輸送機[1]。

1 研制背景

根據環保企業的發展需求，解決空區塌陷以及井下矸石排放問題成為擺在煤礦企業面前的一項重要課題，國內目前在井下矸石充填技術方面尚屬空白，為了解決“三下”煤炭開采后的沉陷、環保等問題，研制井下充填輸送機對采空區進行回填，將成為未來的主題。根據物料運輸方式以及充填物料形式的不同，充填采礦法可分干式法、水力法和膠結法。干式法應用最早，但是它所需的勞動強度較大，生產效率較低，所需的成本較高；水力法對井下要求較高，且容易引起安全事故；膠結法對于煤礦井下采空區回填具有高安全性、高經濟性等特點。現階段我國多數使用的為膠結法充填采煤工藝[1-2]。

2 充填刮板輸送機工作原理及主要技術參數

2.1 充填工作原理

（1）充填工作面設備布置。采煤機、運煤輸送機、液壓充填支架、吊掛式充填輸送機和矸石上料皮帶機等配合使用，形成一套完整連續的充填工作系統，可實現采煤與充填采空區同步進行。中間的卸載中部槽全部通過吊掛裝置懸掛于液壓充填支架的后頂梁下，兩端的機頭部和機尾部則分別置于上、下順槽中，機尾部與矸石上料皮帶機結合，作為矸石的來料端。總體布置如圖1 所示。

圖1 總體布置

（2）充填物料井下運行過程如下。將矸石破碎為直徑不超過φ80mm 的小塊顆粒和煤粉灰等按一定比例配比而成的充填物料→運矸皮帶機→矸石上料皮帶機→充填輸送機機尾部→卸載中部槽→工作面采空區→導實機構夯實。

（3）充填順序。采用先采煤后充填的工藝：采煤工作面鋪網→采煤機割煤至兩順槽→移動液壓充填支架→推移運煤運輸機→拉移充填運輸機→順直充填運輸機→開動充填運輸機→開啟軌道順槽矸石橋式轉載機→開動工作面軌道順槽運矸皮帶運矸→開動充填輔助運輸巷運矸皮帶→開動回風順槽運矸皮帶→開動矸石上料皮帶機→充填采空區→停止運矸皮帶→前移充填運輸機→清理散落的物料。如此反復以上循環，最終實現工作面采空區的充填。

2.2 主要技術參數

表1 為主要技術參數。

表1 主要技術參數

3 配套設備

表2 為配套設備。

表2 配套設備

4 結構設計

充填刮板輸送機的總體結構組成與普通運煤刮板輸送機基本相似，但具體結構差異較大，其主要結構組成：機頭部、機尾部、機頭過渡槽、機尾過渡槽、中部槽、吊掛裝置、刮板鏈和啞鈴組件等。

為適應現代煤礦自動化的要求，機頭部分采用自動伸縮結構，主要由活動機頭架、固定機頭架、電器控制系統等組成。自動伸縮機頭（圖2）可以通過電器控制系統實時監測減速器、電機的油溫、油位等，并能及時的反饋給控制室，對鏈傳動系統工作狀況進行監測，按預設好的數值及時對鏈條的張緊力進行調整，使鏈條的張緊力一直處于設定的正常工作范圍內，可有效地減少輸送機的緊鏈及掐鏈次數，根據負載狀態隨時對鏈傳動系統進行調整，始終保證鏈條處于適度張緊狀態，使鏈條與鏈輪處于良好嚙合狀態，有效提高鏈輪及鏈條的使用壽命[3]。

圖2 自動伸縮機頭部

機頭（尾）的布置方式根據井下條件情況研制設計了兩種布置方式。根據運矸皮帶機的高度及支架頂梁的高度將充填輸送機機頭（尾）置于液壓升降平臺之上，此種布置可以保證機頭（尾）較穩固，不會因為液壓充填支架頂板的起伏對充填輸送機上料和運行造成影響，由于升降平臺底座置于工作面底板之上，充填時會造成物料對底座的掩埋，影響升降平臺的前移。升降平臺如圖3 所示。

圖3 升降平臺

為解決機頭、尾底座被掩埋的問題，將充填輸送機機頭（尾）固定方式進行了優化，全部用吊裝鏈懸掛于液壓充填支架頂板之上的設計方案。此方案將吊裝鏈條的直徑增大為φ30mm×108mm，此鏈條的破段負荷為1130kN，以滿足吊裝強度的要求[4]。機頭（尾）懸吊設計方案如圖4 所示。

圖4 機頭（尾）懸吊設計方案

傳動裝置是充填輸送機的動力系統。根據實際需求可以選擇普通水冷雙速電機驅動和變頻電機驅動兩種方式，以滿足不同的充填速度要求。

中部槽是充填輸送機中數量最大且最關鍵的部件，中部槽能否正常工作直接決定著工作面能否按充填工藝順利實施，工作面能否實現安全、高效生產。中部槽采用鑄焊開底式結構，槽間采用2000kN 啞鈴銷聯接，左、右槽幫均鑄有吊掛耳，中板開有不小于450mm×350mm 的窗口，用于落料，同時中部槽還裝有推拉板組件及推拉油缸，通過推拉油缸可控制卸料窗口的閉合[4]。中部槽如圖5 所示。

圖5 中部槽

為降低井下工人勞動強度，提高設備的使用安全性，進一步提升設備的智能化、自動化程度，在研制設計過程中將落料窗口的開合方式更改為自動形式。在控制系統中安裝壓力及位移傳感器、行程開關、油缸張緊力檢測傳感器。通過控制程序對各傳感器信號進行采集和分析來確定伸縮機構的伸縮量。以此來控制落料口擋板開合的大小，實現工作面自動化充填[5]。

每節中部槽吊掛鏈由4 組φ26×92mm 的圓環鏈、D型卸扣及銷軸等組成，中部槽通過吊掛鏈懸掛于液壓充填支架后頂梁伸縮桿的四個吊裝耳下方。可以根據充填工作面的要求對吊掛鏈進行鏈環數的增減，用來調整充填中部槽與支架頂梁之間的距離，以滿足各種工況下的充填要求。吊裝鏈如圖6 所示。

圖6 吊裝鏈

為方便運矸皮帶機上料，不與充填輸送機及液壓充填支架發生干涉等問題，根據啞鈴連接式中部槽在垂直方向±3°的彎曲特性，充填輸送機機頭（尾）及過渡段吊裝鏈長度按逐漸下垂設計。

刮板鏈采用對稱型邊雙鏈刮板鏈，可以避免刮板鏈與中板落料口的刮卡現象，并且與中部槽卸料窗口相互配合，不會阻擋物料下落，最大限度的提高物料的運輸效率和物料卸載空間。

機尾部主要由機尾架體、鏈輪軸組、盲軸、鏈輪清煤板、舌板等組成。簡易機尾架結構方式是當刮板鏈運行到達機尾時，經鏈輪改向導入溜槽中。采用簡易機尾架有利于降低設備卸載高度，且具有回煤少，卸載完全，少粉塵，配套性強等諸多優點。但是由于中部槽為開底式設計，導致刮板鏈在機尾處回轉時偶爾會發生跳鏈現象，為此在機尾過渡槽處增加了刮板導入裝置。

5 結語

自動化無人工作面已是當今井工開采的主流，充填刮板輸送機作為充填開采系統的一個重要組成部分，擁有廣闊的市場前景。在充填采煤工藝中，工作面采煤過后，后部的充填系統必須在采空區頂板垮落之前，將矸石等充填物料安全高效地運送至采空區進行充填并夯實，實現采空區固體密實充填，有效的解決了“三下”煤炭開采之后的隱患。本設備的研制成功，為自動化綜合機械化連續開采、充填提供了有利保證，填補了我國井工巷道矸石充填技術的一項空白，實現了煤礦井下矸石不升井，地面矸石不堆積，減輕了矸石對自然環境的污染和危害，提高了煤炭回收率，經濟效益顯著，對建設環保、綠色礦山具有重大意義。