美國(guó)成本更低運(yùn)力更強(qiáng)的煤礦帶式輸送設(shè)備

斯蒂夫·費(fèi)思科

對(duì)井下采礦作業(yè)來(lái)說(shuō)，帶式輸送機(jī)是最重要的系統(tǒng)之一，它們不僅將原煤從井下輸送到地面，還負(fù)責(zé)將煤從工作面運(yùn)走，從而保證了采區(qū)的達(dá)產(chǎn)。成功的煤礦運(yùn)營(yíng)商都知道得當(dāng)?shù)哪z帶輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性及其中暗藏的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)閹捷斔蜋C(jī)的運(yùn)營(yíng)存在很多問(wèn)題，任何有過(guò)拼接膠帶或更換膠帶刮片經(jīng)歷的人員都深知盡快完成這些工作并恢復(fù)生產(chǎn)，往往是一項(xiàng)壓力巨大且吃力不討好的工作。因此，先進(jìn)高效的帶式輸送機(jī)是降低成本、保證礦井利潤(rùn)的關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)一條能長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)哪z帶以替換多段傳送膠帶是降低成本的思路之一，但這通常需要一些投資來(lái)購(gòu)買更好的膠帶、鋼結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)。前期科學(xué)合理的工程設(shè)計(jì)可以消除這種投資風(fēng)險(xiǎn)，以獲得較好的投資回報(bào)。通過(guò)近期2個(gè)應(yīng)用案例，可以了解美國(guó)伊利諾斯盆地(Illinois Basin)煤炭運(yùn)營(yíng)商是如何應(yīng)用這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)去發(fā)揮他們的優(yōu)勢(shì)的。

1 美國(guó)騎士霍克公司(Knight Hawk)新型長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)

美國(guó)騎士霍克公司的普雷益而高(Prairie Eagle)煤礦近期調(diào)試了一條約6437 m的長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)，如圖1所示。與其他長(zhǎng)距離輸送膠帶輸送系統(tǒng)相比，這套系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于其有5個(gè)水平轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)。

隨著普雷益而高煤礦開采的不斷推進(jìn)，需要新建一個(gè)工作面。老采區(qū)距離選煤廠較近，但距離新采區(qū)較遠(yuǎn)，所以騎士霍克公司決定采用地面長(zhǎng)距離膠帶輸送系統(tǒng)，以省去數(shù)千米的地下帶式輸送機(jī)。

圖1 普雷益而高(Prairie Eagle)煤礦新型跨越式膠帶輸送系統(tǒng)

1.1 項(xiàng)目背景

騎士霍克公司為了開展這項(xiàng)工程，進(jìn)行了充分的調(diào)研。他們最終選擇了比優(yōu)默公司(Beumer)提供的可轉(zhuǎn)彎的膠帶輸送系統(tǒng)。比優(yōu)默公司輸送裝載事業(yè)部銷售和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁布拉德·威廉姆斯(Brad Williams)介紹道，騎士霍克公司最開始向他們?cè)儍r(jià)的方案由4個(gè)獨(dú)立的膠帶輸送系統(tǒng)以及它們之間的3個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)組成。最后比優(yōu)默公司建議其采用一個(gè)長(zhǎng)距離并帶有水平轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)的新型跨越式膠帶輸送系統(tǒng)。并且由比優(yōu)默公司負(fù)責(zé)機(jī)械和電控設(shè)計(jì)，同時(shí)負(fù)責(zé)系統(tǒng)安裝和調(diào)試。

輸送的具體過(guò)程如下：一條采區(qū)膠帶先把原煤送到堆放管路，從而形成采區(qū)地面堆場(chǎng)；另一條設(shè)在采區(qū)堆場(chǎng)下方的取料膠帶再把原煤轉(zhuǎn)送至跨越式膠帶輸送設(shè)備。

這條跨越式膠帶輸送設(shè)備除了要經(jīng)受約6437 m的輸送距離和約27 m的高差外，去往選煤廠的路徑還蜿蜒曲折，所以設(shè)計(jì)難度非常大。但比優(yōu)默公司在北美已經(jīng)鋪設(shè)過(guò)多條長(zhǎng)距離帶有轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)的新型跨越式膠帶輸送系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)十分豐富。

此次給普雷益而高煤礦設(shè)計(jì)的帶有5個(gè)水平轉(zhuǎn)彎的長(zhǎng)距離輸送設(shè)備，可減少3個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)及其揚(yáng)塵，其中一個(gè)水平轉(zhuǎn)彎如圖2所示。此外還避免了潛在的堵塞，節(jié)省了相關(guān)清理工作，大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。這套系統(tǒng)在普雷益而高煤礦運(yùn)行后取得巨大成功?！白畛躜T士霍克公司對(duì)改變傳統(tǒng)直線短距離膠帶運(yùn)輸還是有點(diǎn)擔(dān)心的?！蓖匪狗Q，“我們需要讓他們相信系統(tǒng)的能力，令人欣喜的是，他們思維開放并理解這套系統(tǒng)的優(yōu)越性，實(shí)施這樣的系統(tǒng)是一個(gè)大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@是一項(xiàng)巨大的投資，同時(shí)也是煤礦的命脈，如果這套系統(tǒng)失敗，那么整個(gè)煤礦的運(yùn)營(yíng)將被摧毀”。

圖2 長(zhǎng)距離膠帶輸送系統(tǒng)中的水平轉(zhuǎn)彎

1.2 先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和3D運(yùn)輸路線展示

威廉姆斯介紹道，為了獲得項(xiàng)目所有的地理信息資料，比優(yōu)默公司使用了一架無(wú)人機(jī)在空中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，計(jì)算出項(xiàng)目所需挖掘和回填的精確的土方工程量，并及時(shí)告訴業(yè)主。隨著項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，比優(yōu)默公司還通過(guò)3D可視化的方式將運(yùn)輸系統(tǒng)的路線以及如何跨越公路和濕地等信息展現(xiàn)給業(yè)主方。騎士霍克公司通過(guò)對(duì)比優(yōu)默公司提供的各種選項(xiàng)進(jìn)行全面評(píng)估和衡量，了解了其潛在優(yōu)勢(shì)，最終決定實(shí)施這一方案。

1.3 設(shè)計(jì)施工水平轉(zhuǎn)彎膠帶輸送設(shè)備的豐富經(jīng)驗(yàn)

帶有水平轉(zhuǎn)彎的膠帶輸送系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)量很大，但比優(yōu)默公司在這個(gè)領(lǐng)域具有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)積累，早在1971年就完成了第一套帶有轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)的膠帶輸送系統(tǒng)項(xiàng)目。這類工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于托輥的角度設(shè)計(jì)。比優(yōu)默公司工程師團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了大量時(shí)間去研究轉(zhuǎn)彎處的膠帶張緊和托輥角度，從而使膠帶平穩(wěn)地傾斜運(yùn)行。

在安裝普雷益而高煤礦這套系統(tǒng)后，比優(yōu)默公司的工程技術(shù)人員非常清楚轉(zhuǎn)彎處每一個(gè)托輥的安裝角度。在調(diào)試整套系統(tǒng)時(shí)，這個(gè)輸送系統(tǒng)就可以開始運(yùn)轉(zhuǎn)了。而如果業(yè)主方采用其他膠帶輸送系統(tǒng)，可能需要花費(fèi)數(shù)周時(shí)間去培訓(xùn)和調(diào)試。

1.4 變頻驅(qū)動(dòng)器(VFDs)更好地控制膠帶的運(yùn)行速度

普雷益而高煤礦這條長(zhǎng)距離輸送膠帶寬約106 cm并帶有轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)，對(duì)粒度200 mm以下的原煤設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力為1500 t/h，輸送速度約為271 m/min。

這套膠帶輸送系統(tǒng)中的耐磨鋼絲繩芯膠帶由德國(guó)瑞馬蒂普拓普公司(REMA Tip Top)提供。系統(tǒng)中使用的4組400馬力螺旋傘齒輪驅(qū)動(dòng)裝置由西門子公司和弗蘭德公司提供，其中3組驅(qū)動(dòng)放置在帶式輸送機(jī)頭，另1組在帶式輸送機(jī)尾，并在膠帶輸送系統(tǒng)的出料端設(shè)置了1個(gè)液壓絞車張緊裝置。其中，變頻驅(qū)動(dòng)器(VFDs)確保了系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動(dòng)和帶速調(diào)節(jié)，使得騎士霍克公司可以更好地控制膠帶的運(yùn)行速度和運(yùn)輸能力。

1.5 滿意的應(yīng)用效果

威廉姆斯稱，普雷益而高煤礦原來(lái)使用推土機(jī)和裝載機(jī)在膠帶給料和出料端進(jìn)行物料的裝卸和堆放，而現(xiàn)在即省去了兩端的設(shè)備，還通過(guò)這個(gè)跨越式膠帶輸送系統(tǒng)把煤很好地從礦井送到跨越式帶式輸送機(jī)上，然后輸送至約6437 m以外的選煤廠。

由于這種新型的長(zhǎng)距離膠帶輸送系統(tǒng)的張緊力很大，比優(yōu)默公司選擇了鋼絲繩芯膠帶，并使用膠帶翻轉(zhuǎn)裝置來(lái)確保膠帶凈面和托輥始終保持接觸，同時(shí)他們?cè)谳斔拖到y(tǒng)末端安裝了翻轉(zhuǎn)裝置，這樣物料在通過(guò)托輥時(shí)就不會(huì)落下來(lái)。

另一項(xiàng)讓騎士霍克公司放心的舉措是其中的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，可以讓他們和比優(yōu)默公司能實(shí)時(shí)監(jiān)控跨越式膠帶輸送系統(tǒng)。威廉姆斯表示，了解到比優(yōu)默公司也可以遠(yuǎn)程監(jiān)控整個(gè)輸送系統(tǒng)的運(yùn)行情況后，他們感到非常安心。

該項(xiàng)目從收到訂單到整套系統(tǒng)的移交前后用了不到12個(gè)月。同時(shí)作為一個(gè)免維護(hù)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)自2018年夏天交付使用后，沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。普雷益而高煤礦只要每天啟動(dòng)一次帶式輸送機(jī)，確保運(yùn)轉(zhuǎn)正常就可以了，因?yàn)閮H有的轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)在帶式輸送機(jī)頭和機(jī)尾。

2 北美一條強(qiáng)度最高的輸煤膠帶

2018年春天，芬納鄧祿普公司(Fenner Dunlop)花費(fèi)了4周左右的時(shí)間成功完成了一項(xiàng)最具挑戰(zhàn)的項(xiàng)目——Dynaflight ST7000膠帶項(xiàng)目，包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、供貨和安裝。這是一個(gè)位于伊利諾斯州的煤礦運(yùn)營(yíng)商對(duì)膠帶輸送系統(tǒng)的獨(dú)特需求，是北美強(qiáng)度最高的鋼絲繩芯加固膠帶項(xiàng)目之一，如圖3所示。

圖3 Dynaflight ST7000膠帶

2.1 膠帶設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其材質(zhì)

經(jīng)驗(yàn)豐富的芬納鄧祿普公司礦業(yè)銷售經(jīng)理杰瑞·洛維茲(Jerry Lovitz)直面難題，組織團(tuán)隊(duì)完成了寬約1.82 m的Dynaflight ST7000膠帶的4級(jí)拼接和安裝工程。其中包含1個(gè)約13 mm×9 mm的芬納鄧祿普公司的Fire Boss SAR 保護(hù)層，即Dynabreaker骨架和撕裂檢測(cè)回路，總重量約為363 t。

Dynaflight膠帶采用單平面精心設(shè)計(jì)的預(yù)張緊鋼絲繩芯加固膠帶，可承受最苛刻應(yīng)用的最大拉力考驗(yàn)；Dynabreaker技術(shù)是芬納鄧祿普公司擁有專利的骨架技術(shù)，該技術(shù)使得這個(gè)項(xiàng)目和其他項(xiàng)目技術(shù)不同，具有獨(dú)特編織結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是從芬納鄧祿普公司偉創(chuàng)力(UsFlex)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，具有極好的抗撕裂和抗沖擊能力。這種結(jié)構(gòu)的組合創(chuàng)造了一種鋼加固的偉創(chuàng)力復(fù)合材料膠帶，在采礦應(yīng)用領(lǐng)域顯現(xiàn)出非常優(yōu)異的耐久性。

Fire Boss SAR高性能耐磨保護(hù)層材質(zhì)和一級(jí)物理性質(zhì)材料的結(jié)合制造出了當(dāng)今采礦行業(yè)中最安全、最堅(jiān)固和最耐用的總長(zhǎng)約為6.1 m的傳送帶。這種4級(jí)拼接的膠帶設(shè)計(jì)是由應(yīng)用工程和膠帶標(biāo)準(zhǔn)部的高級(jí)經(jīng)理明子若月(Akiko Wakatsuki)帶領(lǐng)芬納鄧祿普輸送帶環(huán)球公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施

在該項(xiàng)目實(shí)施前的幾個(gè)月，芬納鄧祿普公司將一些新型鋼絲膠帶運(yùn)到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，由芬納鄧祿普公司負(fù)責(zé)北阿巴拉契亞的高級(jí)運(yùn)營(yíng)經(jīng)理泰德·特尼(Ted Trenney)負(fù)責(zé)安裝工作。特尼曾經(jīng)負(fù)責(zé)過(guò)無(wú)數(shù)安裝工程，他和客戶以及即將執(zhí)行這個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)和主管團(tuán)隊(duì)一起制定了一個(gè)十分周詳?shù)挠?jì)劃。

項(xiàng)目前期準(zhǔn)備工作包括對(duì)這個(gè)大型而復(fù)雜的膠帶安裝設(shè)備的協(xié)調(diào)工作，包括2臺(tái)芬納鄧祿普公司扭矩超過(guò)13.86 N·m的卷帶機(jī)和2臺(tái)用于完成約6.1 m膠帶拼接工作的框架式硫化壓力機(jī)。

該項(xiàng)目的膠帶部分需要來(lái)自芬納鄧祿普公司4個(gè)服務(wù)部門的工程師合作完成才能達(dá)到安全按時(shí)完成的要求。該團(tuán)隊(duì)有6個(gè)全方位服務(wù)小組負(fù)責(zé)芬納鄧祿普公司北美地區(qū)的安裝和拼接工程。

芬納鄧祿普輸送帶環(huán)球公司在北美地區(qū)有個(gè)可進(jìn)行操作培訓(xùn)的工廠，并擁有膠帶工程師認(rèn)證的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，因此公司可完成諸多極高標(biāo)準(zhǔn)的膠帶安裝和拼接項(xiàng)目，在業(yè)界享譽(yù)頗高；但這個(gè)項(xiàng)目對(duì)他們?nèi)詷O具挑戰(zhàn)性。這條膠帶是拼接而成的，總連續(xù)長(zhǎng)度約為2895.6 m。整個(gè)團(tuán)隊(duì)夜以繼日地施工了10多天才完成了這項(xiàng)膠帶拼接工程。芬納鄧祿普輸送帶環(huán)球公司富有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)技術(shù)人員承接了這項(xiàng)由專家獨(dú)特設(shè)計(jì)的4級(jí)拼接設(shè)計(jì)的重大膠帶拼搭工作。

這項(xiàng)膠帶更換工程的不同之處在于安裝新的膠帶之前，需要把3個(gè)工段現(xiàn)有的膠帶先拆走。因此，芬納鄧祿普輸送帶環(huán)球公司的高扭矩卷帶機(jī)發(fā)揮了重要作用，如圖4所示。這種卷帶機(jī)與多組氣動(dòng)制動(dòng)器一起協(xié)作，將新膠帶拖拽至機(jī)架下方，以便在機(jī)尾接收最終的膠帶拼接。

圖4 高扭矩卷帶機(jī)將膠帶拖拽至機(jī)架下方

正是由于整個(gè)芬納鄧祿普公司團(tuán)隊(duì)的努力、專注以及對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注，這個(gè)項(xiàng)目才得以安全和成功完成?！拔覀兊目蛻粢笠粋€(gè)解決方案，芬納鄧祿普公司就給他們提供了一個(gè)從舊膠帶到新膠帶的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，而且運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)并沒(méi)有被中斷?！?洛維茲指出，“在極其嚴(yán)苛的訴求和復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境下，芬納鄧祿普輸送帶環(huán)球公司完成了北美地區(qū)強(qiáng)度最高膠帶的設(shè)計(jì)、制造、交付和安裝工作。而這條約2895.6 m長(zhǎng)的膠帶由多條膠帶拼接和折疊而成。

(Coal Age, 2019, No.11, 15～19;劉德健編譯)