地下鋁土采礦機(jī)新型截割裝置的進(jìn)刀工藝與裝載效果

章立強(qiáng)

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)上海有限公司，上海 200030；2.天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030）

0 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，近年國(guó)內(nèi)鋁需求持續(xù)增加，缺口很大。國(guó)內(nèi)鋁企一方面大量進(jìn)口鋁土礦，另一方面積極探尋鋁土礦資源，同時(shí)不斷革新開(kāi)采技術(shù)（提高開(kāi)采效率、增加回收率、降低貧化等）［1-7］以降低生產(chǎn)成本。目前地下鋁土礦主要采用有色采礦傳統(tǒng)方法［8］，鑒于煤礦綜采高效安全的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)近年已嘗試將煤礦綜采技術(shù)引入地下鋁土的開(kāi)采，針對(duì)鋁土礦物理特性與開(kāi)采要求進(jìn)行了理論研究與應(yīng)用實(shí)踐［9-11］。雖然鋁土綜采技術(shù)應(yīng)用初步驗(yàn)證可行［12-14］，并取得一定經(jīng)驗(yàn)［15-17］，但是地質(zhì)條件的復(fù)雜性與現(xiàn)有設(shè)備的適應(yīng)性，針對(duì)下限薄、硬度高的高品位礦料的開(kāi)采問(wèn)題成為難點(diǎn)。

現(xiàn)有煤炭綜采技術(shù)中對(duì)于配套較小直徑滾筒的搖臂在斜切過(guò)程下切時(shí)容易出現(xiàn)底板割不透引起開(kāi)采上飄導(dǎo)致無(wú)法正常開(kāi)采的問(wèn)題，對(duì)于鋁土綜采該問(wèn)題依然存在，甚至影響更大（考慮到礦料嚴(yán)重的磨蝕特性，輸送機(jī)采用了厚度更高的重型槽幫）。小直徑滾筒的下切量影響，主要原因?yàn)樾鼻羞^(guò)程中由于采礦機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)輸機(jī)S彎時(shí)，在一定位置截割裝置會(huì)出現(xiàn)偏向槽幫的狀態(tài)，導(dǎo)致非斜切過(guò)程富裕的滾筒下切量見(jiàn)圖1（a），在斜切過(guò)程中出現(xiàn)滾筒下切量不足的問(wèn)題見(jiàn)圖1（b）。

為了解決下限薄、硬度高的高品位鋁土礦料的開(kāi)采問(wèn)題，結(jié)合鋁土綜采新型斜切進(jìn)刀工藝［18］的研究，研制適合地下鋁土綜采的特殊截割裝置［19-21］，同時(shí)處理好新型進(jìn)刀工藝方法、裝備帶來(lái)的裝載新問(wèn)題［22］，實(shí)現(xiàn)地下鋁土的綜采應(yīng)用，成為重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

1 新型截割裝置的斜切進(jìn)刀工藝與結(jié)構(gòu)

1.1 截割裝置對(duì)斜切進(jìn)刀工藝的影響

為了提高開(kāi)采效率，現(xiàn)有綜采工藝在實(shí)際推溜作業(yè)時(shí)通常使斜切段與端頭停機(jī)段臨靠，以便與采礦機(jī)更快地斜切進(jìn)入礦壁：采礦機(jī)在開(kāi)始斜切進(jìn)入礦壁時(shí)，前滾筒一般割底刀（割除這一刀的底部礦料并裝載，便于減少推移阻力，尤其是薄礦層開(kāi)采時(shí)），后滾筒割底刀（割除前一刀留下的下部礦料，該滾筒前一刀采的是頂?shù)叮?，如圖2（a）所示。當(dāng)滾筒直徑（同時(shí)考慮臂架厚度）相對(duì)槽幫厚度偏小時(shí)，就出現(xiàn)斜切進(jìn)刀滾筒割不透底板的情況（輸送槽底浮料、底板起伏等影響下，情況更加嚴(yán)重），如圖2（a）。

1.2 鋁土開(kāi)采新型斜切進(jìn)刀工藝

針對(duì)下限薄的高品位鋁土礦層開(kāi)采的需要，小直徑滾筒、厚槽幫已無(wú)法改變，只能從開(kāi)采工藝的方向去尋求解決方案，鋁土開(kāi)采新型斜切進(jìn)刀工藝如圖2（b）所示。與常規(guī)斜切進(jìn)刀工藝的區(qū)別在于：在端頭停機(jī)段與斜切進(jìn)刀段增加了“留距段”，該段（L1）長(zhǎng)度與采礦機(jī)跨距相近；當(dāng)采礦機(jī)完全進(jìn)入該段時(shí)，后滾筒已完成底刀的截割與裝載，前滾筒繼續(xù)保持下切狀態(tài)進(jìn)行礦料的輔助裝載，但輸送機(jī)仍保持與端頭段（L0段）平直，從而輸送機(jī)不影響小直徑滾筒的下切作業(yè)；當(dāng)采礦機(jī)開(kāi)始進(jìn)入斜切段（L2）前，前后搖臂均抬起（臂架高于槽幫），開(kāi)始直至完全進(jìn)入礦壁；最后L2、L1、L0段拉架推溜后，采礦機(jī)向端頭開(kāi)采，開(kāi)始該刀的正式開(kāi)采。雖然新型斜切進(jìn)刀工藝會(huì)在端頭降低部分效率，損失局部的高品位礦料，但全局上解決了下限薄的高品位鋁土礦料的開(kāi)采問(wèn)題，使得地下鋁土高品位礦層綜采變得可行。

1.3 新型截割裝置

雖然截割裝置臂架與輸送機(jī)槽幫保留一定的安全間隙（圖1的C值），但是在小直徑滾筒與厚槽幫條件下，該值較小時(shí)仍可能會(huì)使截割裝置臂架與槽幫發(fā)生干涉（機(jī)身與軌道存在的運(yùn)行間隙、推溜致使輸送槽不平直等多種可能原因的影響），較大時(shí)又會(huì)影響滾筒的裝載效果。同時(shí)截割裝置還需要滿足大扭矩輸出以適應(yīng)高硬度的鋁土礦的截割，因此現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的彎搖臂或直搖臂均無(wú)法滿足鋁土該種工況開(kāi)采。

為了徹底解決截割裝置的適應(yīng)性問(wèn)題，處理好下切量、挑頂量與大扭矩的匹配性問(wèn)題，新型截割裝置的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是必然的。新型截割裝置末端應(yīng)具有薄臂架結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)下切與挑頂；同時(shí)應(yīng)具有更少的傳動(dòng)比與更低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力。新型截割裝置的外型如圖3所示，薄臂架結(jié)構(gòu)可以在小直徑滾筒、厚槽幫、厚頂梁的條件下仍保持足夠的滾筒下切量與挑頂量，同時(shí)連接端寬厚配合末端扁薄的臂架結(jié)構(gòu)利于滾筒側(cè)礦料容易翻入輸送機(jī)槽內(nèi)。新型截割裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，臂架中間的兩級(jí)傳動(dòng)具有較小的傳動(dòng)比主要起動(dòng)力傳遞，而輸入端與輸出端的行星機(jī)構(gòu)起主要減速作用，同時(shí)采用低速的多極電機(jī)驅(qū)動(dòng)以降低轉(zhuǎn)速利于簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)，輸出端行星機(jī)構(gòu)可保證滾筒具有大的扭矩與單齒截割力，該結(jié)構(gòu)的使用目前為首次提出與實(shí)踐。為了適應(yīng)更薄的高品位礦層的開(kāi)采，同時(shí)提出了輸出端無(wú)行星機(jī)構(gòu)的同樣具有末端薄臂架與小傳動(dòng)比的截割裝置，如圖5所示，具有更好的適應(yīng)性，同時(shí)保證具有較大的輸出扭矩，在迷你滾筒配套的少截齒數(shù)條件下也可保證足夠的單齒截割力，保證截割能力。

2 新型截割裝置的裝載效果

現(xiàn)有的薄礦層開(kāi)采中，通常采用彎搖臂的結(jié)構(gòu)，便于礦料從臂架下方自滾筒側(cè)裝入輸送槽內(nèi)。然而鋁土開(kāi)采中采用了具有末端扁薄的臂架結(jié)構(gòu)，采底刀時(shí)臂架下基本沒(méi)有過(guò)料通道，礦料只能從臂架頂部翻裝入輸送槽內(nèi)，這種裝載方式相比彎搖臂結(jié)構(gòu)存在裝載效果的不確定性。

2.1 裝載問(wèn)題

在實(shí)際應(yīng)用中，由于滾筒直徑小裝載能力低、槽幫厚度高、扁薄臂架的阻擋作用等多種因素影響下，出現(xiàn)滾筒后方的礦料堆積較多現(xiàn)象。尤其是臂架對(duì)應(yīng)的后方，滾筒甩出的礦料自臂架頂部直接滑落至鏟板位置堆積，無(wú)法有效進(jìn)入輸送槽內(nèi)，如圖6（a）所示，這一部分礦料成為滾筒后方浮料占比很大的部分。

2.2 頂部裝料機(jī)構(gòu)

為針對(duì)性地解決臂架頂部翻出礦料不入槽的問(wèn)題，增加了頂部裝料機(jī)構(gòu)，以引導(dǎo)臂架上方的礦料進(jìn)入輸送槽內(nèi)，如圖7所示。頂部裝料機(jī)構(gòu)安裝于滾筒端的扁薄型臂架的頂部并近外端，其頂部設(shè)置有滾筒側(cè)向輸送槽方向由高至低變化的引流槽，引流槽的頂面與臂架的頂面銜接便于礦料自傾斜的臂架頂面流向引流槽；引流槽的出口遠(yuǎn)離臂架端面并偏向輸送槽，便于礦料拋落入輸送槽內(nèi)。頂部裝料機(jī)構(gòu)安裝于滾筒端的扁薄臂架的外端部，不影響截割裝置的挑頂作業(yè)。裝有頂部裝料機(jī)構(gòu)的裝載效果如圖6（b）所示，效果明顯。

3 關(guān)鍵點(diǎn)與進(jìn)展

3.1 關(guān)鍵點(diǎn)

（1）新型斜切進(jìn)刀工藝的影響。如前文所述，針對(duì)小直徑滾筒、厚槽幫條件下的滾筒下切問(wèn)題，新型斜切進(jìn)刀工藝是從開(kāi)采工藝上解決下限薄的高品位鋁土礦料的開(kāi)采問(wèn)題，是采礦機(jī)使用的基礎(chǔ)。推溜時(shí)應(yīng)保留出斜切進(jìn)刀S彎段與端頭停機(jī)段之間的“留距段”，同時(shí)在斜切進(jìn)刀S彎段前應(yīng)采用“抬搖臂”切入礦壁，這是關(guān)鍵。

（2）滾筒旋向?qū)ρb載效果的影響。頂部裝料機(jī)構(gòu)主要針對(duì)滾筒外旋，礦料由兩滾筒之間的里側(cè)向外拋甩裝出，因此若滾筒左右對(duì)調(diào)、旋轉(zhuǎn)方向改為內(nèi)旋時(shí)，將不起輔助裝料作用；使用時(shí)需保持滾筒外旋方向截割與裝載。

3.2 進(jìn)展

地下鋁土礦特殊的綜采技術(shù)，是煤礦綜采技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，目前處于實(shí)施過(guò)程中，并取得初步效果。

4 結(jié) 論

（1）“新型斜切進(jìn)刀工藝”與“具有末端薄型臂架與小傳動(dòng)比的新型截割裝置”的結(jié)合應(yīng)用，可適用于地下鋁土礦綜采下限薄、硬度高的高品位礦料的開(kāi)采。

（2）“新型斜切進(jìn)刀工藝”與“新型截割裝置”，對(duì)具有“下限薄、硬度高”及“品位高”的其他礦料綜采同樣適用。