井下矸石翻卸及破碎系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計

彭 猛，胡友良，吳云長

（湖南第一工業(yè)設(shè)計研究院，湖南 長沙 410011）

1 工程概況

官倉煤礦位于遵義市桐梓縣官倉鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計生產(chǎn)能力0.45 Mt／a，服務(wù)年限47.4a，為在建礦井。礦井采用平硐—斜井開拓方案，劃分+606m、+300m、±0m 三個水平，設(shè)置主斜井、副平硐、排矸斜井、風(fēng)井、13采區(qū)進風(fēng)井等5個井筒，采用綜采工藝。為實現(xiàn)連續(xù)化運輸，排矸斜井安裝帶式輸送機，擔(dān)負(fù)全礦矸石運輸任務(wù)。排矸斜井通過井底車場與+606m 水平運輸大巷相連，矸石通過各采區(qū)軌道上山下車場后，沿+606m 大巷編組運至矸石井底車場。井底車場設(shè)置矸石翻卸及破碎系統(tǒng)，矸石破碎符合運輸要求后，由排矸斜井帶式輸送機上運至地面臨時排矸場地，填溝凹處理。

2 初步設(shè)計方案

2.1 技術(shù)要求

（1）排矸斜井帶式輸送機帶寬800mm，傾角16°，由于礦井矸石物料大塊率在20%左右，為便于運輸，根據(jù)《帶式輸送機設(shè)計規(guī)范》，矸石破碎后粒度要求≤250mm。

（2）礦井矸石含量約占15%，不均衡系數(shù)取值1.5，矸石量每年約0.102 Mt。矸石井底車場矸石重車由防爆蓄電池電機車牽引，每列由22輛1t固定式礦車組成，系統(tǒng)工作時間按照年工作2000h計算，為滿足翻卸、破碎能力，設(shè)備處理能力應(yīng)大于50t／h。

2.2 初步設(shè)計方案

為滿足系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要求，初步設(shè)計方案。在排矸井底車場內(nèi)設(shè)有翻車機硐室、緩沖倉、1號矸石倉、2號矸石倉、破碎機硐室、行人及材料運輸平巷、矸石皮帶轉(zhuǎn)載硐室等（圖1）。緩沖倉直徑4m，有效容量約35m3；1號矸石倉直徑4m，有效容量180m3；2號矸石倉直徑4.5m，有效容量100m3。矸石重車運至翻車機處，由1t電動式翻車機翻卸后經(jīng)格篩初步篩分，格篩網(wǎng)距離為250mm，篩下物直接落入1號矸石倉，篩上物由溜槽溜入矸石緩沖倉，由扇形閘門控制進入破碎機破碎后落入2 號矸石倉。1 號、2號兩個矸石倉下口裝設(shè)往復(fù)式給煤機用于排矸斜井帶式輸送機裝載。

圖1 初步設(shè)計方案

3 初步設(shè)計方案可靠性評價

系統(tǒng)可靠性表示系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，從整體上看系統(tǒng)能否完成預(yù)期的功能，有多個衡量指標(biāo)。結(jié)合井下矸石翻卸及破碎系統(tǒng)，本文擬從功能可靠性、施工可靠性、管理可靠性等三個方面對初步設(shè)計方案進行評價。

3.1 功能可靠性評價

基于服務(wù)于排矸斜井帶式輸送機矸石運輸設(shè)置井下矸石翻卸及破碎系統(tǒng)，矸石翻卸、破碎、裝載為其基本功能，系統(tǒng)自動化控制、設(shè)備先進性以及方便操作等為其擴展功能。初步設(shè)計方案滿足系統(tǒng)技術(shù)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)基本功能，但系統(tǒng)所有設(shè)備集中控制、自動化控制難以實現(xiàn)，系統(tǒng)在擴展功能方面有所欠缺。具體分析如下：

（1）翻車機采用電動翻車機，設(shè)備基礎(chǔ)較為復(fù)雜，不能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，翻車機前未設(shè)推車機，矸石重車進罐翻卸需人工推送，自動化程度較低；

（2）選用PLM500型破碎機，此機型為順槽用破碎機，主要適用于煤礦井下綜采工作面原煤的連續(xù)破碎，由于矸石硬度相對較大，對矸石破碎能力略顯不足，設(shè)備故障率較高；

（3）1號、2號矸石倉倉下給料裝置選用2臺K-1型往復(fù)式給煤機，2臺設(shè)備不能同時給料且給料不好控制，給料不連續(xù)，生產(chǎn)率較低。K-1 型往復(fù)式給煤機給料機底板在回程中需承受物料很大的摩擦力，結(jié)構(gòu)受力大，設(shè)備重，需要有較大的驅(qū)動功率，能耗大。同時設(shè)備振動、噪聲大。

3.2 施工可靠性評價

施工可靠性主要包括井下各硐室、矸石倉施工難易程度、安全程度、工程量等。初步設(shè)計方案中共有大小3個矸石倉，1號倉與2號倉間距1.02m，井下施工時需要進行大開挖，倉壁配筋、設(shè)備支護較為密集，在破碎機硐室處需要開拓行人及材料運輸平巷，工程施工難度大且工程量較大。同時，翻車機軌面距離矸石倉底約有20.5 m 高度成為本方案施工可靠性最大的制約因素或缺陷，因為根據(jù)現(xiàn)場施工對巖巷的控制和揭露，排矸斜井井底車場繞道掘進施工中遭遇大溶洞，且與地下暗河有水力聯(lián)系，為避開溶洞，下部車場繞道布置需要進行調(diào)整，矸石倉過高遇到溶洞可能性較大。

3.3 管理可靠性評價

管理可靠性主要包括勞動定員、系統(tǒng)維護、修理、保管和使用、對現(xiàn)場故障進行處理等。功能可靠性對管理可靠性有一定的影響。由于初步設(shè)計方案中設(shè)備自動化控制程度不高，系統(tǒng)勞動定員相對較多，4個工位至少需要6個工作人員，才能維持系統(tǒng)的正常運行。由于倒裝環(huán)節(jié)較多，系統(tǒng)故障率大為增加，尤其是破碎機的維護相當(dāng)困難，備品備件需要從行人及材料運輸平巷運入。同時，由于系統(tǒng)運行時需要設(shè)備聯(lián)動，這也為管理帶來了諸多不可靠因素。

綜上所述，初步設(shè)計方案能夠達到系統(tǒng)基本功能，但系統(tǒng)自動化程度不高，施工工程量大、難度高，安全隱患較多，管理運行較為復(fù)雜，評價認(rèn)為初步設(shè)計方案可靠性有待提高。

4 優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)初步設(shè)計方案可靠性評價內(nèi)容，對矸石翻卸、破碎系統(tǒng)從工藝布置、關(guān)鍵設(shè)備選型、基礎(chǔ)處理等方面均進行了優(yōu)化設(shè)計。

4.1 工藝布置優(yōu)化

針對初步設(shè)計方案中矸石倉數(shù)量過多、轉(zhuǎn)載次數(shù)多以及系統(tǒng)自動化程度低等問題以及結(jié)合工程地質(zhì)條件，對設(shè)計方案進行了優(yōu)化（見圖2）。優(yōu)化后設(shè)計方案充分利用大巷現(xiàn)有基礎(chǔ)條件，翻車機、推車機硐室、破碎機硐室、矸石緩沖倉等采用上下一體化設(shè)計，上部翻車機和推車機硐室寬7.45m、長22.5 m，下部破碎機硐室寬5.12 m、長17 m，為下挖基坑。矸石緩沖倉位于破碎機硐室下部，直徑4 m，有效容量60m3。

矸石重車由電機車牽引至矸石車場，電液動推車機將矸石重車自動推送至翻車機內(nèi)，翻車機翻卸后經(jīng)格篩初步篩分，格篩網(wǎng)篩孔為Φ250mm，篩下物直接落入矸石緩沖倉，篩上物直接溜入破碎機，矸石破碎后落入矸石緩沖倉，緩沖倉下口裝設(shè)甲帶式給料機用于排矸斜井帶式輸送機轉(zhuǎn)載。在最右側(cè)設(shè)備檢修孔，檢修孔上部設(shè)置起吊梁，下部在破碎硐室內(nèi)設(shè)置爬梯。

相比初步設(shè)計方案，翻車機前布置推車機可實現(xiàn)礦車自動進出，設(shè)備布置更為流暢，倒裝環(huán)節(jié)大為減少，矸石倉也減少2個，高度減少至15m，避免遭遇溶洞的狀況發(fā)生。破碎機硐室不需另外考慮設(shè)備運輸通道。各硐室周圍圍巖基本不被破壞，工程量和施工難度大為降低。

4.2 關(guān)鍵設(shè)備選型

優(yōu)化后方案中關(guān)鍵設(shè)備主要有推車機、翻車機、破碎機、給料機。

圖2 優(yōu)化后設(shè)計方案

（1）推車機：選用cxc型銷齒式電液動推車機，能進罐推車，推車行程不小于10m。

（2）翻車機：選用FYZZ型液壓翻車機，能適應(yīng)實際需要的高頻率換向操作，液壓控制，可實現(xiàn)無級調(diào)速。

（3）破碎機：選用PELM-01型煤礦井下顎板輪式破碎機，破碎機采用差動原理，多點分散、擠壓、剪切，實現(xiàn)對矸石物料的破碎；采用機械、雙重過載保護，安全可靠。出料粒度≤250mm，粒度范圍可調(diào)。

（4）給料機：選用GLD-800 型甲帶給料機，給料均勻、連續(xù)，可實現(xiàn)變頻無級調(diào)速，維修量小，使用壽命長；零部件通用性強，安裝、維修簡便。

根據(jù)工藝流程，選用的設(shè)備采用集中液壓系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)推車、翻車、破碎、轉(zhuǎn)運等各工序相互配套的機電液一體化聯(lián)合作業(yè)，設(shè)備之間相互閉鎖，自動化程度、安全系數(shù)大為提高。優(yōu)化后方案系統(tǒng)正常運行勞動定員為2人，減少了操作人工，同時減輕了勞動強度，徹底改變了初步設(shè)計方案中施工強度大、效率低、安全系數(shù)小等不利因素。

4.3 設(shè)備基礎(chǔ)處理

優(yōu)化設(shè)計后，推車機、翻車機下部為基坑，設(shè)備基礎(chǔ)需要由混凝土結(jié)構(gòu)變?yōu)殇摻Y(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)處理是本系統(tǒng)的一個難點。設(shè)計考慮翻車機、推車機以及矸石重車重量，設(shè)備基礎(chǔ)取計算載荷20t，設(shè)備支撐梁按單跨簡支梁計算。通過內(nèi)力計算、強度和剛度驗算，設(shè)備基礎(chǔ)選用36c工字鋼作為支撐梁，破碎硐室基坑頂面采用25b工字鋼為支撐梁，硐室周邊預(yù)留梁窩。待設(shè)備安裝完畢后，基坑頂面鋪設(shè)花紋鋼板。

5 結(jié)語

官倉煤礦井下矸石翻卸及破碎系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計后，系統(tǒng)更為簡潔、流暢，實現(xiàn)了井下矸石翻卸及破碎系統(tǒng)機電液一體化作業(yè)，系統(tǒng)可靠性大為增強。盡管設(shè)備投入略有增加，但礦建工程量、施工難度大為降低，勞動定員相應(yīng)減少，經(jīng)濟效益較好。實踐證明：系統(tǒng)一年來正常運行，機械自動化程度達到了較好地效果。對于中西部薄煤層煤礦，由于矸石量較多，本系統(tǒng)具有較大的借鑒意義。

〔1〕竇曉峰.煤礦井下矸石充填工藝系統(tǒng)研究〔J〕.河北煤炭，2007（6）：12-13.

〔2〕佘夢桐，馮麗萍.邢東礦副井矸石系統(tǒng)及環(huán)形車場的優(yōu)化與設(shè)計〔J〕.煤炭工程，2001（12）：14-15.

〔3〕呂慶濤，張全川，等.東港煤礦井下煤矸篩分、矸石破碎、充填系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用〔J〕.山東煤炭科技，2011（4）：177-178.

〔4〕鞏玉華，陳士軍，等.井下充填矸石破碎、供給系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用〔J〕.山東煤炭科技，2012（6）：51-53.