大坡度強力膠帶運輸機管理技術(shù)研究與應(yīng)用

文/馬培賡

大坡度強力膠帶運輸機因能以較短的運距實現(xiàn)較大的垂深，能夠大幅降低礦井在巷道、設(shè)施建設(shè)方面的投資而倍受煤炭企業(yè)關(guān)注。但隨著膠帶運輸機坡度的增加，物料掉落的情況也會增多，造成人員傷害或設(shè)備損壞的風(fēng)險也會加劇，管理難度大幅增加。如何實現(xiàn)大坡度強力膠帶運輸機參數(shù)量化、運行管控規(guī)范化，是實現(xiàn)大坡度強力膠帶運輸機管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的前提。

一、項目研究背景

大坡度強力膠帶運輸機因安全防護設(shè)施比普通坡度膠帶運輸機復(fù)雜，因為沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范可參考，運行管理和維護難度都更大。經(jīng)查詢，目前國內(nèi)煤礦傾角達到30°的強力膠帶運輸機已基本退出使用，傾角能達到27°的強力膠帶運輸機也不多見。

為了回收工業(yè)廣場煤柱，鄭煤集團超化煤礦技改工程中主提升系統(tǒng)由立井提升變?yōu)樾本嵘Ｐ本ㄟ^舊巷道改造而成，受巷道布局條件限制，其坡度局部超過30°。加之超化煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，矸石多、雜物多、坡度大，礦井主煤流運輸系統(tǒng)存在較大安全隱患。為此，對提升大坡度強力膠帶運輸機可靠性的技術(shù)研究成為緊迫課題。

二、項目研究的目的和意義

1.消除運輸事故

大坡度強力膠帶運輸機管理技術(shù)研究的目的，是消除大坡度強力膠帶運輸機在運行過程可能出現(xiàn)的物料滾動、滑動現(xiàn)象，避免一般性事故的發(fā)生。

2.量化運行參數(shù)，為可靠性設(shè)計提供依據(jù)

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“在大于16°的傾斜井巷中使用的帶式輸送機，應(yīng)當(dāng)設(shè)置防護網(wǎng)，并采取防止物料下滑、滾落等的安全措施。”隨著膠帶運輸機傾角的增加，所運送物料的穩(wěn)定性下降，通過分析研究，完善設(shè)施及管理手段，使大坡度強力膠帶運輸機運行的可靠性指標(biāo)參數(shù)化，為礦井優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、減少基本建設(shè)投資提供依據(jù)。

三、運送物料受力分析

圖1 皮帶機運送物料受力示意圖

已知散料堆積角度小于安息角(也稱休止角，散料堆積時能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的最大單邊對地角度)是穩(wěn)定堆放散料的必備條件，物料運輸也同樣要滿足這個條件，而且要滿足堆積角小于動態(tài)安息角。據(jù)此以圖1中最大塊狀物料為研究對象，對其受力情況進行基本分析。

1.滑動受力分析

查常用材料摩擦系數(shù)表，普通光面膠帶對煙煤的摩擦系數(shù)取0.35，根據(jù)上面式子計算得知，要使物料不在膠帶上滑動，膠帶運輸機對應(yīng)的最大傾角γ值不得超過19°。因膠帶過托輥存在不穩(wěn)定因素，《煤礦安全規(guī)程》把16°的上傾角作為普通膠帶運輸機設(shè)計的一個控制參數(shù)。

（2）裝載的物料剛拋落到膠帶上時，因存在速度差，物料與膠帶間會出現(xiàn)一些滑動。根據(jù)受力關(guān)系：

式中，m是物料的質(zhì)量，v0是物料在膠帶運行方向上的初速度，v是膠帶運行速度，為滑動摩擦力，t為物料與膠帶速度達到一致需要的時間。在v0、v及滑動摩擦系數(shù)μ已知的前提下，落料處膠帶運輸機的傾角值越小，越大，滑動時間t及滑動距離S越短，膠帶的磨損量越小。

2.塊狀物料力矩分析

（1）膠帶上沒有散料，且塊狀物料為球狀。在物料受力示意圖中，支撐點為O，“球狀”物料下側(cè)沒有支撐，為失衡狀態(tài)，只要膠帶運輸機的傾角不為零，就會出現(xiàn)滾動。

（2）膠帶上只有非規(guī)則的塊狀物料。物料受力示意圖中，下支撐點為O′，物料不滑動的條件：∠O′MO＞(即O′在過重心M垂線的左側(cè))，才可能不滾動。

（3）膠帶上有散料堆積。在物料受力示意圖中，散料對塊狀物料的支撐點為O"，O"與塊狀物料重心M及垂點O構(gòu)成的球心角為′(∠O"MO)，要使平均半徑為R的塊狀物料不出現(xiàn)滾動，則需要滿足：O"高于O點，有∠O"MO＞，

支撐厚度h滿足上述關(guān)系，是塊狀物料不滾動的臨界條件。強力膠帶運行過程中，存在震動、變形、支撐點改變等情況，要確保可靠運送物料，就需要增加穩(wěn)定系數(shù)s。上式則變?yōu)閔＞s·R·(1-cos)。顯然，堆積的散料越厚，塊狀物料越不易翻動，即在散料不滑動的前提下，要使塊狀物料不滾動就需要有足夠厚度的散料進行支撐。根據(jù)膠帶運輸機運行測定數(shù)據(jù)，變頻驅(qū)動方式下厚度穩(wěn)定系數(shù)取經(jīng)驗值5(非變頻驅(qū)動方式取經(jīng)驗值7)。即變頻驅(qū)動膠帶運輸機，要確保塊狀物料不翻滾，散料最小厚度h＞5R·(1-cos)。

通過以上分析可知，因運輸是連續(xù)性的，要避免塊狀物料出現(xiàn)翻滾，就需要保證物料裝載的連續(xù)性。但物料運送是每班或次都要有一個結(jié)束，只能采取每次或每循環(huán)以一定長度的散料進行收尾。根據(jù)現(xiàn)場反復(fù)測定，該收尾散料長度的最小可靠取值是堆積厚度h的50倍。

四、大坡度運送的實現(xiàn)

膠帶運輸機運送煤炭，不應(yīng)出現(xiàn)滑動，更不能出現(xiàn)滾動。由受力分析可知，當(dāng)膠帶運輸機傾角值大于19°時就會產(chǎn)生滑動，如果要增加強力膠帶機的傾角就必須采取其他措施。

影響運送物料狀態(tài)穩(wěn)定的因素除膠帶機傾角，還有散料間的內(nèi)摩擦系數(shù)μ0、物料與光面膠帶的外摩擦系數(shù)μ、膠帶槽形角、途經(jīng)托輥振動等諸多因素。其中通過增加膠帶的槽形角來“擠壓”物料及選用表面帶花紋的膠帶來增加摩擦力，是通用的做法。

增加槽形角和選用帶花絞的膠帶，其機理是把皮帶對運送物料的外摩擦變成物料的內(nèi)摩擦來增加摩擦力，使得膠帶運輸機的上行坡度接近運送散料的動態(tài)安息角。實驗得到無煙煤的運動安息角為30°(靜止安息角35°～45°)。煤炭在生產(chǎn)、運輸過程中有補入水分的環(huán)節(jié)，存在實際安息角比試驗數(shù)據(jù)大的情況，不同煤種的安息角也不同，系統(tǒng)設(shè)計需要把最苛刻的情況考慮進去，大坡度強力膠帶運輸機的最大坡度不得超過所運送散料的動態(tài)安息角。

五、大坡度膠帶運輸機可靠運行實踐

超化煤礦主斜井強力膠帶運輸機長495m，帶寬1200mm，選用圓坑花紋強力膠帶，采用變頻驅(qū)動，速度2.5m/s，最大坡度略超30°，接煤點處坡度10°，運輸能力600t/h，全程采用鋼網(wǎng)(縱向鋪設(shè)扁鋼)封蓋。

初期經(jīng)常出現(xiàn)矸石滾動，鋼網(wǎng)損壞嚴(yán)重。為消除安全隱患，在鋼網(wǎng)下每隔10m加裝一道緩沖簾(膠帶條制作)，滾動矸石得到很好緩沖，鋼網(wǎng)損壞率大幅降低，但膠帶條損壞嚴(yán)重，維護量仍然較大。因此，矸石滾動的問題不解決，安全隱患就不能消除，維護工作量仍然很大。

1.裝載點

增大槽形角并使用圓坑花紋帶，使外摩擦變成內(nèi)摩擦，動態(tài)安息角為30°，根據(jù)受力分析：μ≈μ0=tg30°≈0.577。

經(jīng)測算，物料落到膠帶上時，在皮帶機運行方向上，其初速度v0=1.0m/s。

即裝載物料滑動0.269s，滑行0.20m，是可以接受的結(jié)果。

由于存在震動、擺動等因素，需增加可靠系數(shù)，取經(jīng)驗值5，那么，應(yīng)留出的滑行長度為5S=1m，結(jié)合緩沖空間，最終取長度不低于2m。

2.滾動問題

通過受力分析可知，“支撐”是物料是否發(fā)生滾動的關(guān)鍵；由膠帶運輸機的運輸機理可知，運送物料均勻連續(xù)，就可以使物料獲得后續(xù)支撐，就能避免出現(xiàn)滾動現(xiàn)象。

即h＞5×300×(1-0.866)≈200mm，

式中，d為礦井矸石（物料）最大直徑，為300mm，

收尾散料長度：50h=50×200mm=10m。

即在要保證該皮帶機運送最大粒度300mm的物料不出現(xiàn)滾動，要確保散料堆積厚度應(yīng)大于200mm，每次或循環(huán)收尾散料長度要大于10m。

3.運行管控措施

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，單純的設(shè)施完善還不足以應(yīng)對復(fù)雜的實際工況，還需要采取一系列以“控”為重點的管理措施。由于管控措施相對復(fù)雜，按控制措施對膠帶機集控系統(tǒng)程序進行優(yōu)化。同時為強化現(xiàn)場人員對管控措施記憶和理解，編制了大坡度強力膠帶機運行管控口訣，部分內(nèi)容為：

輸送不斷流，矸石不用愁；變頻調(diào)煤量，高效有保障；

承接帶不傷，修補再不慌；出現(xiàn)石頭滾，全憑簾子穩(wěn)；

矸石早破碎，維護少受罪；散料收好尾，機工少跑腿。

通過優(yōu)化集控程序系統(tǒng)，強化管控措施，保障了礦井主運輸系統(tǒng)的安全運行。

六、結(jié)論

通過對大坡度強力膠帶運輸機及其物料特性進行深度分析，結(jié)合具體案例對大坡度強力膠帶機應(yīng)用進行了具體化、參數(shù)化，找準(zhǔn)問題根源，采取針對性管控措施，保障了礦井主運輸系統(tǒng)的安全運行。并通過研究分析，對傾角超過25°的強力膠帶運輸機在設(shè)計及管理方面提出以下建議：

膠帶機設(shè)計最大坡度不得超過運送物料的運動安息角；采用花紋帶面，把外摩擦轉(zhuǎn)為物料的內(nèi)摩擦；采取破碎措施，對運送物料的最大粒度進行有效控制；優(yōu)先采用變頻裝置驅(qū)動，裝機容量滿足重載起動需要；裝載點坡度應(yīng)小于16°，滑動距離取可靠系數(shù)5，但長度不少于2m；物料的最低厚度由運送物料粒度及膠帶機的最大傾角來確定，變頻驅(qū)動穩(wěn)定系數(shù)s取5(非變頻驅(qū)動取7)；要有確保運送物料不斷續(xù)的措施，結(jié)束每次(循環(huán))運輸任務(wù)，必須要用粒度較小的散料收尾，收尾散料長度不低于最低厚度的50倍；管控措施不滿足上述要求的，運輸機須全程封閉，并加裝緩沖簾。