掘進(jìn)用高分子繩牽引裝載機(jī)研究

李士魁

(龍煤集團(tuán)雙煤機(jī)電裝備有限公司,黑龍江 雙鴨山 155100)

1 技術(shù)發(fā)展概況

目前,我國煤礦生產(chǎn)中,當(dāng)采用鉆爆法掘進(jìn)巷道時(shí),爆破下來的巖石需要裝到礦車?yán)?運(yùn)出工作面,提升到地面。這項(xiàng)裝載工序的勞動(dòng)強(qiáng)度高,工作量大,約占整個(gè)掘進(jìn)循環(huán)的35%～50%,為降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)率,保證這項(xiàng)工序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化,煤礦通常使用耙斗裝巖機(jī)、鏟斗裝載機(jī)、蟹爪裝載機(jī)等。由于耙斗裝載機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,容易制造,既能裝大塊巖石,又能用于坡度小于30°的上下山及拐彎巷道,因而耙斗裝巖機(jī)是裝集巖石最好的方法,在煤礦生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。耙斗裝巖機(jī)主要由絞車、槽體、鋼絲繩、耙斗、滑輪等組成,工作時(shí),絞車牽引鋼絲繩,拖動(dòng)耙斗而實(shí)現(xiàn)煤或矸石的裝載。鋼絲繩由于拖動(dòng)不可避免地會(huì)與巖石產(chǎn)生摩擦甚至撞擊,而產(chǎn)生摩擦火花。煤巷還存在大量煤塵,絕大多數(shù)煤塵具有爆炸性。為有效防止瓦斯煤塵爆炸,保障煤礦安全生產(chǎn),必須對(duì)可能產(chǎn)生的包括摩擦火花在內(nèi)的各種火源嚴(yán)加控制。現(xiàn)有國內(nèi)生產(chǎn)的裝載機(jī)較難全面替代耙斗裝巖機(jī),無法滿足生產(chǎn)需要,因此,急需研制開發(fā)替代耙斗裝巖機(jī)作業(yè)的掘進(jìn)裝載設(shè)備。超高分子量聚乙烯纖維稱為高科技纖維,其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于防彈、防刺等輕質(zhì)高強(qiáng)類國防軍需裝備,以及航空航天、海洋產(chǎn)業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材、建筑加固等領(lǐng)域。超高分子量聚乙烯纖維繩(以下簡稱高分子繩)執(zhí)行GB/T 29554-2013《超高分子量聚乙烯纖維》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過阻燃、抗靜電性能檢測,使用壽命和安全性完全可以替代傳統(tǒng)鋼絲繩。眾多性能技術(shù)指標(biāo)比鋼絲繩更優(yōu)越,應(yīng)用到裝巖機(jī)上使用壽命和安全性完全可以替代傳統(tǒng)鋼絲繩。

2 研究的意義

煤礦用耙斗裝巖機(jī)具有裝巖效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、操作方便、使用范圍廣等特點(diǎn),不僅可以用于平巷,而且可以在30°以下的斜巷使用,是提高掘進(jìn)速度、實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)機(jī)械化裝載巖石的最好方法。但由于耙斗裝巖機(jī)本身設(shè)計(jì)所限,在實(shí)際使用過程中,鋼絲繩運(yùn)行時(shí)與其接觸部位及耙斗與槽體之間極易產(chǎn)生火花,造成極大安全隱患,且由于操作不當(dāng),違章作業(yè)或沒有采取必要防護(hù)措施等,也易造成設(shè)備損壞、人員傷亡等事故。因耙斗裝巖機(jī)采用鋼絲繩進(jìn)行牽引作業(yè),存在產(chǎn)生火花引起失爆隱患問題,已被國家煤礦安全監(jiān)管總局下文列入禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄(第一批)。2016 版《煤礦安全規(guī)程》第61 條第七款規(guī)定：高瓦斯礦井煤、半煤掘進(jìn)工作面嚴(yán)禁使用鋼絲繩牽引耙斗機(jī),對(duì)煤礦企業(yè)生產(chǎn)造成一定的影響。耙斗機(jī)能裝大塊巖石,巖石塊度為300-400mm 時(shí)裝載效率最高,目前沒有更好的替代產(chǎn)品。因此,提出了研究開發(fā)新型高分子繩牽引裝載機(jī),通過高分子繩替換鋼絲繩,解決存在產(chǎn)生火花引起失爆隱患的問題,對(duì)現(xiàn)有的耙斗裝巖機(jī)進(jìn)行更新替換,解決煤礦井下嚴(yán)禁使用繩牽引耙斗裝巖機(jī)的限制問題,保證其安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

3 技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)與現(xiàn)有耙斗裝巖機(jī)相同,以裝斗容量0.6m3的裝巖機(jī)為例,主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1

4 技術(shù)方案

為解決耙斗裝巖機(jī)存在產(chǎn)生火花引起失爆隱患問題,提出了采用高分子牽引繩替換鋼絲繩,并在耙斗運(yùn)行過程中與金屬接觸的表面,采用高分子材料襯板,與牽引繩接觸的連接法蘭、擋板、滑輪輪體等部位,采用高分子材料隔離等措施,有效防止繩牽引裝載機(jī)可能產(chǎn)生的摩擦沖擊火花。

4.1 高分子繩研制

研究適用于煤礦井下瓦斯突出工作面用牽引繩,使其具有阻燃、抗靜電、耐磨等特性,解決鋼絲繩工作時(shí)易產(chǎn)生火花問題,研究過程中采用了兩種技術(shù)方案：

第一種,普通鋼絲繩表面采用包覆雙層護(hù)套制造工藝,表面為阻燃抗靜電高分子材料,鋼絲繩選用6x19S+FC-14, 強(qiáng)度1960MPa,鋼絲繩最小破斷拉力≥127KN,索具繩最小破斷拉力≥112KN,滿足索具繩的使用安全系數(shù)不低于4 倍的要求。涂塑后直徑：≤18mm(滿足滾筒容繩量)。繩索具結(jié)構(gòu)形式根據(jù)頭部連接方式,分為單頭索具(圖1)和雙頭索具(圖2)。每一根繩都為獨(dú)立制作,其中一端制做成非金屬套環(huán)聯(lián)接型式,避免鋼絲繩接頭處與金屬之間摩擦產(chǎn)生火花。

圖1 單頭索具

圖2 雙頭索具

第二種,整繩采用高分子材料復(fù)編工藝制造(圖3)。高分子繩除符合GB/T 30668-2014《超高分子量聚乙烯纖維8 股、12 股編繩和復(fù)編繩索》的有關(guān)規(guī)定外,整繩通過阻燃、抗靜電性能檢測。通過與專業(yè)制造廠商多次研討,對(duì)高分子繩的抗靜電性、耐磨性、破斷拉力等技術(shù)要求作了明確要求,進(jìn)行了多次改進(jìn)和驗(yàn)證,最終選擇了整繩復(fù)編工藝。

圖3 整繩復(fù)編

4.2 滑輪的研制

所有導(dǎo)向滑輪及吊滑輪的輪體(圖4),均為整鑄阻燃耐磨高分子材料,采用車削成型工藝制造,使其具有阻燃抗靜電、耐磨、不產(chǎn)生火花。其中,吊滑輪側(cè)板采用側(cè)開更換式結(jié)構(gòu)。

圖4 吊滑輪

4.3 耙斗表面處理

耙斗的兩側(cè)外表面(圖5),設(shè)計(jì)有阻燃耐磨高分子襯板,防止裝巖時(shí)與槽體摩擦產(chǎn)生火花,并所有連接部分均采用阻燃耐磨高分子墊板進(jìn)行隔離處理。

圖5 耙斗表面襯板

4.4 槽體表面處理

裝載機(jī)各槽體底板(圖6),設(shè)計(jì)可更換式阻燃耐磨高分子襯板,防止裝巖時(shí)與槽底板摩擦產(chǎn)生火花。

4.5 牽引繩運(yùn)動(dòng)防護(hù)

圖6 槽體底板襯板

牽引繩工作時(shí)經(jīng)過的槽體下連接法蘭,設(shè)置擋繩裝置,避免晃繩撞擊及摩擦法蘭邊緣,影響牽引繩使用壽命。除以上研究外,所采用的高分子繩及高分子材料均通過MT/T 113-1995 規(guī)定的阻燃抗靜電試驗(yàn)。并在原鋼絲繩牽引耙斗裝巖機(jī)的基礎(chǔ)上,用高分子繩替代鋼絲繩所涉及的安全措施進(jìn)行了專家論證。

5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

5.1 牽引繩采用整繩壓制工藝,整根繩包括套環(huán)及套管的外露表面均為高分子材料；

5.2 所有滑輪的輪體采用阻燃耐磨高分子材料車削成型,吊滑輪側(cè)板采用側(cè)開更換式結(jié)構(gòu)；

5.3 耙斗外表面及所有連接部分均采用阻燃耐磨高分子材料隔離處理；

5.4 各槽體底板設(shè)計(jì)可更換式阻燃耐磨高分子襯板；

5.5 卸料槽下端聯(lián)接法蘭設(shè)計(jì)阻燃耐磨高分子擋板,避免晃繩撞擊法蘭產(chǎn)生火花。

6 工業(yè)性試驗(yàn)情況

試驗(yàn)場地選擇龍煤雙鴨山礦業(yè)集團(tuán)公司東榮一礦,在井下現(xiàn)場進(jìn)行了6 次工業(yè)性試驗(yàn)。首先,采用普通鋼絲繩表面包覆雙層護(hù)套工藝的牽引繩,作業(yè)5 天即出現(xiàn)表層脫落現(xiàn)象?；嗇嗴w采用整鑄阻燃高分子材料,裝載機(jī)槽體表面、裝載斗等金屬零部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)易摩擦產(chǎn)生火花部位,全部采用高分子材料進(jìn)行防護(hù)處理,使用效果良好。最后,通過改進(jìn)整繩復(fù)編工藝的牽引繩,保證了牽引繩使用壽命和強(qiáng)度,有效解決掘進(jìn)工作面牽引裝載機(jī)使用的安全性,提高了掘進(jìn)作業(yè)效率。普通鋼絲繩使用壽命一般掘進(jìn)80～100m 就需要更換,高分子牽引繩在揭煤過程中完全可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。綜合看來,應(yīng)用高分子繩牽引裝載機(jī)替代耙斗裝巖機(jī),牽引繩具有阻燃、抗靜電、作業(yè)安全無火花等特點(diǎn),消除了瓦斯突出時(shí)的作業(yè)安全隱患問題。產(chǎn)品性能與鋼絲繩抗拉強(qiáng)度相同且質(zhì)量更輕、適應(yīng)井下潮濕環(huán)境、不存在斷股和強(qiáng)度折減的影響等優(yōu)點(diǎn)。其適應(yīng)性更廣、事故率大幅少、采用非金屬材料提高了礦井掘進(jìn)作業(yè)的安全性。

7 結(jié)論

研制的高分子繩牽引裝載機(jī)應(yīng)用后,對(duì)當(dāng)前耙斗裝巖機(jī)結(jié)構(gòu)存在的技術(shù)缺陷,提出了創(chuàng)新的技術(shù)方案,通過現(xiàn)場實(shí)踐檢驗(yàn),在揭煤過程中使用壽命和安全性完全可以替代傳統(tǒng)鋼絲繩,使用安全得到了保障,大大降低了事故率與損壞率,減少牽引繩的磨損和導(dǎo)向輪的更換,節(jié)約維護(hù)成本,提高了出矸效率,加快了掘進(jìn)工作面的進(jìn)尺速度,產(chǎn)品填補(bǔ)了國內(nèi)該領(lǐng)域的空白,是煤礦急需的掘進(jìn)裝載裝備,具有全國煤炭系統(tǒng)推廣的應(yīng)用前景。