露天煤礦端幫自移式大傾角帶式輸送工藝分析

趙可可

（中聯(lián)潤(rùn)世新疆煤業(yè)有限公司，新疆 昌吉 831800）

物料運(yùn)輸在露天煤礦資源開(kāi)采成本的占比較大，直接影響著煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，選擇更為安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式是煤礦企業(yè)急需解決的問(wèn)題。需要結(jié)合國(guó)內(nèi)煤礦資源賦存條件，采用端幫自移式大傾角帶式輸送工藝，具有占地面積少、爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，同樣高程條件下輸送機(jī)長(zhǎng)度更短，生產(chǎn)系統(tǒng)更為簡(jiǎn)易，也有利于控制生產(chǎn)成本，可以解決物料半連續(xù)運(yùn)輸工藝中存在的問(wèn)題，也是露天煤礦開(kāi)采工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

1 端幫自移式大傾角帶式輸送系統(tǒng)

1.1 輸送機(jī)設(shè)選型

花紋帶式輸送機(jī)占用面積小、運(yùn)輸帶短，可提升物料輸送角度，單位時(shí)間內(nèi)輸送物料量比較大，具有更可靠的輸送性能，多應(yīng)用于露天煤礦物料運(yùn)輸角度不大的情況，運(yùn)輸粘性物料以后可采用清水進(jìn)行沖洗。波狀擋邊大傾角輸送機(jī)設(shè)計(jì)有擋邊輸送帶、壓輪和壓輥，輸送帶具有更大的橫向剛度，間隔一段距離后需要安裝橫隔板，運(yùn)輸角度不大于18°時(shí)不設(shè)置橫隔板，壓輪和壓螺用于調(diào)整輸送帶張力，機(jī)械零部件加工較為精細(xì)，輸送帶更換比較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)安裝難度較大，無(wú)法運(yùn)輸粘性物料需要[1]。壓帶式大傾角帶式運(yùn)輸機(jī)對(duì)物料進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，通過(guò)承載帶和覆蓋帶將物料包裹好，可以減少物料運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生的粉塵污染，也可以防止塊料灑落，具有較高的安全性和環(huán)保性，理論輸送角度可以達(dá)到90°，具有更快的運(yùn)輸速度。通過(guò)對(duì)三種不同的運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行比較來(lái)看，可以采用壓帶式輸送機(jī)，具有很好的自動(dòng)化程度，煤炭運(yùn)輸通過(guò)封閉空間不會(huì)造成粉塵污染，提升角度區(qū)間為0-90°，采用尼龍膠帶作為輸送平面，可應(yīng)用于粘性、含水的物料運(yùn)輸，機(jī)械零部件通用性好，不需要投入太多的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

1.2 輸送設(shè)備形式選擇

剛性單機(jī)提升方案：提升設(shè)備長(zhǎng)度大則需要多個(gè)履帶作為支撐，每個(gè)桁架間連接要求具有很好的靈活性，這樣才能滿足整體長(zhǎng)度的要求，該提升方案不需要太多的設(shè)備，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，物料輸送起來(lái)也比較便利。但移動(dòng)設(shè)備后的調(diào)整難度比較大，需耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。設(shè)備機(jī)頭拉力較大，需要通過(guò)設(shè)備整體與端幫形成的摩擦力來(lái)進(jìn)行平衡，設(shè)備運(yùn)輸工作量較大。對(duì)臺(tái)階地質(zhì)條件適應(yīng)性差，設(shè)備拆卸繁瑣，生產(chǎn)效率無(wú)法得到保證[2]。

單點(diǎn)支撐多機(jī)提升方案：在每個(gè)端幫安裝大傾角輸送設(shè)備，通過(guò)相互連接將物料進(jìn)行多次運(yùn)輸至地面，具有較好的設(shè)備靈活性，但在端幫安裝設(shè)備增加了工作量，還需要通過(guò)多臺(tái)設(shè)備方可將物料送至地面，工藝連續(xù)性較差且對(duì)礦山交通也會(huì)帶來(lái)不利影響，設(shè)備移動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性比較差，對(duì)臺(tái)階高差適應(yīng)性一般。

兩點(diǎn)支撐多機(jī)提升方案：此提升方案與單機(jī)提升較為相近，但對(duì)地質(zhì)臺(tái)階有著更好的適應(yīng)性。

選擇壓帶式運(yùn)輸機(jī)與兩點(diǎn)支撐多機(jī)組合的方案，對(duì)煤礦地質(zhì)條件有著很好的適應(yīng)能力，設(shè)備移動(dòng)也比較簡(jiǎn)單，可以達(dá)到大傾角運(yùn)輸物料的需要。但需要安裝多臺(tái)設(shè)備，前期需要較多基建工程量。

1.3 自移方式選擇

整體自移方案：端幫大傾角帶式輸送機(jī)整機(jī)長(zhǎng)度和重量都比較大，多以簡(jiǎn)支梁方式支撐于平臺(tái)，需要跟破碎站移動(dòng)。自動(dòng)裝置采用履帶式底盤(pán)，兩個(gè)支撐點(diǎn)可同時(shí)移動(dòng)，可以滿足大傾角帶式輸送機(jī)的整體運(yùn)移，移動(dòng)速度較快且更為方便，不會(huì)對(duì)端幫形態(tài)及剝離物運(yùn)輸帶來(lái)太大影響，但移動(dòng)設(shè)備的穩(wěn)定性并不高，無(wú)法滿足端幫地表和臺(tái)階高度調(diào)整的需要[3]。

整體分段自移：端幫中設(shè)置3 個(gè)或6 個(gè)支點(diǎn)，輸送機(jī)懸空長(zhǎng)度較短，多支點(diǎn)的方案有效簡(jiǎn)化支架結(jié)構(gòu)，移動(dòng)重量減小。但多支點(diǎn)移動(dòng)要求較高的同步性，也對(duì)端幫形態(tài)提出了更高的要求，需要將輸送機(jī)支架與支點(diǎn)以十字鉸進(jìn)行連接，還需要預(yù)先放開(kāi)張緊裝置，防止張力集聚而造成設(shè)備損壞。

分段串聯(lián)：在端幫將多個(gè)輸送機(jī)進(jìn)行串聯(lián)，以接力方式完成物料運(yùn)輸，每個(gè)設(shè)備均獨(dú)立設(shè)備，具有較高的靈活性。但設(shè)計(jì)多個(gè)裝載點(diǎn)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，采用波狀擋邊帶的帶式輸送帶，由于輸送長(zhǎng)度較短導(dǎo)致單位投資成本大。

結(jié)合三種自移方式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，選擇整體布置分段的自移方案。

2 端幫大傾角帶式輸送機(jī)工藝設(shè)計(jì)

2.1 輸送工藝布置

某煤礦地表破碎站和選煤廠均位于南幫，將坑下破碎站和帶式輸送機(jī)設(shè)置于南幫，破碎站數(shù)量為3 個(gè)，不會(huì)對(duì)排土空間帶來(lái)太大的影響，但端幫邊坡角度大，要采用 大傾角帶式輸送方式。

坑底煤炭物料采用帶式輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，受到煤礦剝離物雙環(huán)內(nèi)排的影響，會(huì)存在剝離運(yùn)輸卡車(chē)和輸送機(jī)存在交叉的問(wèn)題，輸送機(jī)設(shè)置于端幫可采用臺(tái)階支點(diǎn)架高的方式來(lái)為卡車(chē)預(yù)留出通道，不會(huì)對(duì)工作幫推進(jìn)產(chǎn)生影響，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析該方案更為經(jīng)濟(jì)合理，可以保證輸送機(jī)達(dá)到最大的傾角[4]。

2.2 坑下破碎站匹配選型

端幫自移大傾角帶式輸送機(jī)設(shè)置要結(jié)合坑下破碎站，煤炭要在坑下完成破碎轉(zhuǎn)運(yùn)，出料規(guī)格影響著物料運(yùn)輸，布站位置決定著膠帶開(kāi)始位置、傾斜角度等，兩者共同建立起篩分系統(tǒng)。由于露天煤礦工作幫與排土場(chǎng)的不斷向前推進(jìn)，半固定破碎站要滿足間斷性移設(shè)的要求、投資較小且有著較大的處理能力，產(chǎn)品可靠性較高，但移設(shè)費(fèi)用較大，移設(shè)步距在1000m 以上，移設(shè)周期較長(zhǎng)，要提前做好基礎(chǔ)，可將破碎站設(shè)置于南端幫煤底板。而該煤礦每年產(chǎn)能較大，對(duì)自移大傾角帶式輸送機(jī)有著更高的要求，需要確保每年的輸送能力不低于10Mt，提升高度不低于210m，傾角不低于34°，以運(yùn)輸機(jī)每年運(yùn)行時(shí)間為300d，每天18h，輸送能力發(fā)揮率為85%，每小時(shí)輸送能力為2200t，要求坑底破碎站處理能力不低于2200t，再結(jié)合破碎站運(yùn)行時(shí)間和可靠性等，破碎站處理能力應(yīng)該選擇每小時(shí)2200t～2500t。

2.3 端幫臺(tái)階參數(shù)及穩(wěn)定性分析

煤礦端幫運(yùn)輸平盤(pán)寬度為40m，端幫布置支柱運(yùn)輸臺(tái)階見(jiàn)圖1 所示，安裝大傾角帶式輸送機(jī)以后，平盤(pán)寬度要結(jié)合具體情況進(jìn)行調(diào)整，確保單個(gè)臺(tái)階可在支柱均布荷載條件下保持穩(wěn)定，還需要根據(jù)輸送機(jī)與平盤(pán)的高度，確保平盤(pán)內(nèi)排的卡車(chē)可以順利通過(guò)[5]。

圖1 端幫布置支柱運(yùn)輸臺(tái)階

支架位置由臨近坡頂線部位開(kāi)始不斷向坡后方移動(dòng)，臺(tái)階穩(wěn)定性為1.1 時(shí)進(jìn)行記錄，作為臨界位置并將距離坡頂線距離標(biāo)記為Sn，端幫支點(diǎn)數(shù)量為N。

對(duì)載荷條件下單臺(tái)階穩(wěn)定性進(jìn)行分析，初始狀態(tài)條件下臺(tái)階穩(wěn)定系數(shù)為1.13，為圓弧形滑坡滑移模式。當(dāng)端幫支點(diǎn)數(shù)量N=1 時(shí)，輸送機(jī)的架設(shè)已經(jīng)改變了臺(tái)階滑移模式，轉(zhuǎn)變?yōu)樽浠剖剑@是由于輸送機(jī)的安裝使得臺(tái)階局部應(yīng)力變得集中，架設(shè)位置附近巖體易受到破壞，巖體位移豎直向下表明會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，剪應(yīng)變?cè)隽恳部梢泽w現(xiàn)出滑體后緣存在剪切破壞，支架質(zhì)心距離臺(tái)階段頂15m 時(shí)，穩(wěn)定性可達(dá)到1.1，安全區(qū)間為0～25m。當(dāng)端幫支點(diǎn)數(shù)量N=2 時(shí)，剪應(yīng)變?cè)隽糠植加诨w后緣，表明存在著剪切破壞，巖體位移豎直向下且偏臨空面20～30°，表明存在剪切破壞的同時(shí)，在下滑力牽引影響下存在拉張破壞，支架質(zhì)心距離坡頂線11m，穩(wěn)定性為1.1，安全區(qū)間為0～29m。當(dāng)端幫支點(diǎn)數(shù)量N=2 時(shí)，滑移模式并不明顯，而當(dāng)N ≥3，輸送機(jī)荷載影響下滑移模式與初始狀態(tài)相同，支架質(zhì)心距離坡頂線9m，安全區(qū)間為0～31m。

2.4 端幫整體穩(wěn)定性分析

將南端幫剖面作為研究對(duì)象，創(chuàng)建輸送機(jī)架設(shè)模型，高度、長(zhǎng)度分別為260m、576m，底部、法向位移進(jìn)行全部約束。結(jié)合初始狀態(tài)和單臺(tái)階模擬分析結(jié)果，支架確定為2 個(gè)。N=2 時(shí)，安全區(qū)間為0～29m，為確保模擬結(jié)果具有可靠性，2 個(gè)支架設(shè)置距離兩個(gè)平盤(pán)，支架距離臺(tái)階坡頂線11m。對(duì)端幫初始穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可以有效避開(kāi)潛在滑動(dòng)區(qū)域，模擬結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，南幫具有很好的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到1.64，為圓弧形滑坡模式，高陡邊坡坡腳和煤層坡腳的剪應(yīng)變比較大，表明上述兩個(gè)位置會(huì)先受損，中部高陡臺(tái)階位移大，在進(jìn)行支架設(shè)置時(shí)需要避開(kāi)此臺(tái)階。輸送機(jī)設(shè)置對(duì)南幫端位置和剪應(yīng)變分布不會(huì)造成太大的影響，南端幫存在2 處潛在滑動(dòng)面，輸送機(jī)安裝位置不會(huì)對(duì)南幫整體穩(wěn)定性系數(shù)產(chǎn)生改變，穩(wěn)定性系數(shù)的改變量由高陡泥巖臺(tái)階來(lái)決定。對(duì)運(yùn)輸機(jī)架設(shè)前后應(yīng)力進(jìn)行分析，架設(shè)完成后不會(huì)對(duì)端幫整體應(yīng)力分布帶來(lái)影響，這是因?yàn)槟z帶重量小于巖體自重，不會(huì)對(duì)南幫整體應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。再對(duì)位移云圖和矢量進(jìn)行比較，2 個(gè)承重臺(tái)階的位移方向與大小都發(fā)生了變化，臺(tái)階位移表現(xiàn)為沉降。2 承重臺(tái)階具有底部起鼓趨勢(shì)，安裝完運(yùn)輸機(jī)以后有效緩解該趨勢(shì)，下部承重臺(tái)階從底部起鼓變?yōu)槌两怠Ｉ皫r臺(tái)階在輸送機(jī)的影響下發(fā)生位移變化，但位移大小并不明顯。受到外部荷載影響，位移方向變?yōu)榻椒较?，上部砂巖、中下部煤臺(tái)階受到運(yùn)輸機(jī)支架荷載影響較大，位移方向?yàn)樨Q直向下，位移量顯著增加，但沉降量卻在1cm 以內(nèi)。

結(jié)合運(yùn)輸機(jī)架設(shè)位置和潛在滑動(dòng)面分布條件，端幫穩(wěn)定性系數(shù)受到高陡泥巖臺(tái)階的影響比較大，輸送機(jī)安裝與架設(shè)并沒(méi)有對(duì)端幫穩(wěn)定性系數(shù)產(chǎn)生影響，表明布置膠帶運(yùn)輸機(jī)在保證邊坡安全方面是可行的，也會(huì)對(duì)臺(tái)階原有位移趨勢(shì)產(chǎn)生影響，可以緩解上部砂巖臺(tái)階底部起鼓的趨勢(shì)，也會(huì)將位移趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?，并沒(méi)有對(duì)南幫端應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。對(duì)南端幫整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，初始狀態(tài)下具有2個(gè)潛在的圓弧滑動(dòng)面，剪應(yīng)力位于高陡泥巖臺(tái)階坡腳和煤臺(tái)階坡腳，高陡泥巖臺(tái)階會(huì)先發(fā)生破壞，安裝施工時(shí)要做好上述兩部位的應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，大傾角帶式輸送機(jī)占地小、爬坡能力強(qiáng)，達(dá)到相同高程時(shí)輸送長(zhǎng)度更短，可以與端幫保持垂直，露天生產(chǎn)系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，不需要投入太多的資金，還可以滿足資源綠色開(kāi)采的要求，但隨著煤炭開(kāi)采深度的不斷變大，優(yōu)化坑內(nèi)破碎站位置和最大限度地采用帶式運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，是露天煤礦開(kāi)采輸送工藝的重要內(nèi)容。通過(guò)對(duì)不同大傾角帶式輸送機(jī)類型進(jìn)行分析，確定采用壓帶式輸送機(jī)，具有很好的自動(dòng)化程度，煤炭運(yùn)輸通過(guò)封閉空間不會(huì)造成粉塵污染；對(duì)輸送工藝系統(tǒng)工藝布置進(jìn)行研究，確定選擇壓帶式運(yùn)輸機(jī)與兩點(diǎn)支撐多機(jī)組合的方案，對(duì)煤礦地質(zhì)條件有著很好的適應(yīng)能力；對(duì)不同自移方式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，選擇整體布置分段的自移方案。再?gòu)妮斔凸に嚥贾谩⒖酉缕扑檎酒ヅ溥x型、端幫臺(tái)階參數(shù)及穩(wěn)定性分析和端幫整體穩(wěn)定性分析，可以發(fā)現(xiàn)端幫大傾角帶式輸送機(jī)工藝可以滿足煤礦運(yùn)輸需要，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。