自动化充填刮板输送机的研制

孙松，马树伟

（中煤张家口煤矿机械有限责任公司，河北 张家口 076250；河北省高端智能矿山装备技术创新中心，河北 张家口 076250）

0 引言

目前，“三下”（建筑物下、道路下、水体下）压煤已经成为煤炭井工开采不可避免的重要问题，尤其在我国中部和东部矿区，“三下”煤炭储量已普遍超出可采储量的半数以上，尤其是采空区塌陷、矸石污染等问题，不仅危及安全，还对环境造成了破坏。我国提出的“绿色开采，可持续发展”的战略要求对于“三下”压煤问题尤为重要，为解决以上问题而研制了井下采空区吊挂式充填刮板输送机[1]。

1 研制背景

根据环保企业的发展需求，解决空区塌陷以及井下矸石排放问题成为摆在煤矿企业面前的一项重要课题，国内目前在井下矸石充填技术方面尚属空白，为了解决“三下”煤炭开采后的沉陷、环保等问题，研制井下充填输送机对采空区进行回填，将成为未来的主题。根据物料运输方式以及充填物料形式的不同，充填采矿法可分干式法、水力法和胶结法。干式法应用最早，但是它所需的劳动强度较大，生产效率较低，所需的成本较高；水力法对井下要求较高，且容易引起安全事故；胶结法对于煤矿井下采空区回填具有高安全性、高经济性等特点。现阶段我国多数使用的为胶结法充填采煤工艺[1-2]。

2 充填刮板输送机工作原理及主要技术参数

2.1 充填工作原理

（1）充填工作面设备布置。采煤机、运煤输送机、液压充填支架、吊挂式充填输送机和矸石上料皮带机等配合使用，形成一套完整连续的充填工作系统，可实现采煤与充填采空区同步进行。中间的卸载中部槽全部通过吊挂装置悬挂于液压充填支架的后顶梁下，两端的机头部和机尾部则分别置于上、下顺槽中，机尾部与矸石上料皮带机结合，作为矸石的来料端。总体布置如图1 所示。

图1 总体布置

（2）充填物料井下运行过程如下。将矸石破碎为直径不超过φ80mm 的小块颗粒和煤粉灰等按一定比例配比而成的充填物料→运矸皮带机→矸石上料皮带机→充填输送机机尾部→卸载中部槽→工作面采空区→导实机构夯实。

（3）充填顺序。采用先采煤后充填的工艺：采煤工作面铺网→采煤机割煤至两顺槽→移动液压充填支架→推移运煤运输机→拉移充填运输机→顺直充填运输机→开动充填运输机→开启轨道顺槽矸石桥式转载机→开动工作面轨道顺槽运矸皮带运矸→开动充填辅助运输巷运矸皮带→开动回风顺槽运矸皮带→开动矸石上料皮带机→充填采空区→停止运矸皮带→前移充填运输机→清理散落的物料。如此反复以上循环，最终实现工作面采空区的充填。

2.2 主要技术参数

表1 为主要技术参数。

表1 主要技术参数

3 配套设备

表2 为配套设备。

表2 配套设备

4 结构设计

充填刮板输送机的总体结构组成与普通运煤刮板输送机基本相似，但具体结构差异较大，其主要结构组成：机头部、机尾部、机头过渡槽、机尾过渡槽、中部槽、吊挂装置、刮板链和哑铃组件等。

为适应现代煤矿自动化的要求，机头部分采用自动伸缩结构，主要由活动机头架、固定机头架、电器控制系统等组成。自动伸缩机头（图2）可以通过电器控制系统实时监测减速器、电机的油温、油位等，并能及时的反馈给控制室，对链传动系统工作状况进行监测，按预设好的数值及时对链条的张紧力进行调整，使链条的张紧力一直处于设定的正常工作范围内，可有效地减少输送机的紧链及掐链次数，根据负载状态随时对链传动系统进行调整，始终保证链条处于适度张紧状态，使链条与链轮处于良好啮合状态，有效提高链轮及链条的使用寿命[3]。

图2 自动伸缩机头部

机头（尾）的布置方式根据井下条件情况研制设计了两种布置方式。根据运矸皮带机的高度及支架顶梁的高度将充填输送机机头（尾）置于液压升降平台之上，此种布置可以保证机头（尾）较稳固，不会因为液压充填支架顶板的起伏对充填输送机上料和运行造成影响，由于升降平台底座置于工作面底板之上，充填时会造成物料对底座的掩埋，影响升降平台的前移。升降平台如图3 所示。

图3 升降平台

为解决机头、尾底座被掩埋的问题，将充填输送机机头（尾）固定方式进行了优化，全部用吊装链悬挂于液压充填支架顶板之上的设计方案。此方案将吊装链条的直径增大为φ30mm×108mm，此链条的破段负荷为1130kN，以满足吊装强度的要求[4]。机头（尾）悬吊设计方案如图4 所示。

图4 机头（尾）悬吊设计方案

传动装置是充填输送机的动力系统。根据实际需求可以选择普通水冷双速电机驱动和变频电机驱动两种方式，以满足不同的充填速度要求。

中部槽是充填输送机中数量最大且最关键的部件，中部槽能否正常工作直接决定着工作面能否按充填工艺顺利实施，工作面能否实现安全、高效生产。中部槽采用铸焊开底式结构，槽间采用2000kN 哑铃销联接，左、右槽帮均铸有吊挂耳，中板开有不小于450mm×350mm 的窗口，用于落料，同时中部槽还装有推拉板组件及推拉油缸，通过推拉油缸可控制卸料窗口的闭合[4]。中部槽如图5 所示。

图5 中部槽

为降低井下工人劳动强度，提高设备的使用安全性，进一步提升设备的智能化、自动化程度，在研制设计过程中将落料窗口的开合方式更改为自动形式。在控制系统中安装压力及位移传感器、行程开关、油缸张紧力检测传感器。通过控制程序对各传感器信号进行采集和分析来确定伸缩机构的伸缩量。以此来控制落料口挡板开合的大小，实现工作面自动化充填[5]。

每节中部槽吊挂链由4 组φ26×92mm 的圆环链、D型卸扣及销轴等组成，中部槽通过吊挂链悬挂于液压充填支架后顶梁伸缩杆的四个吊装耳下方。可以根据充填工作面的要求对吊挂链进行链环数的增减，用来调整充填中部槽与支架顶梁之间的距离，以满足各种工况下的充填要求。吊装链如图6 所示。

图6 吊装链

为方便运矸皮带机上料，不与充填输送机及液压充填支架发生干涉等问题，根据哑铃连接式中部槽在垂直方向±3°的弯曲特性，充填输送机机头（尾）及过渡段吊装链长度按逐渐下垂设计。

刮板链采用对称型边双链刮板链，可以避免刮板链与中板落料口的刮卡现象，并且与中部槽卸料窗口相互配合，不会阻挡物料下落，最大限度的提高物料的运输效率和物料卸载空间。

机尾部主要由机尾架体、链轮轴组、盲轴、链轮清煤板、舌板等组成。简易机尾架结构方式是当刮板链运行到达机尾时，经链轮改向导入溜槽中。采用简易机尾架有利于降低设备卸载高度，且具有回煤少，卸载完全，少粉尘，配套性强等诸多优点。但是由于中部槽为开底式设计，导致刮板链在机尾处回转时偶尔会发生跳链现象，为此在机尾过渡槽处增加了刮板导入装置。

5 结语

自动化无人工作面已是当今井工开采的主流，充填刮板输送机作为充填开采系统的一个重要组成部分，拥有广阔的市场前景。在充填采煤工艺中，工作面采煤过后，后部的充填系统必须在采空区顶板垮落之前，将矸石等充填物料安全高效地运送至采空区进行充填并夯实，实现采空区固体密实充填，有效的解决了“三下”煤炭开采之后的隐患。本设备的研制成功，为自动化综合机械化连续开采、充填提供了有利保证，填补了我国井工巷道矸石充填技术的一项空白，实现了煤矿井下矸石不升井，地面矸石不堆积，减轻了矸石对自然环境的污染和危害，提高了煤炭回收率，经济效益显著，对建设环保、绿色矿山具有重大意义。