井下矸石翻卸及破碎系统方案优化设计

彭 猛，胡友良，吴云长

（湖南第一工业设计研究院，湖南 长沙 410011）

1 工程概况

官仓煤矿位于遵义市桐梓县官仓镇境内，设计生产能力0.45 Mt／a，服务年限47.4a，为在建矿井。矿井采用平硐—斜井开拓方案，划分+606m、+300m、±0m 三个水平，设置主斜井、副平硐、排矸斜井、风井、13采区进风井等5个井筒，采用综采工艺。为实现连续化运输，排矸斜井安装带式输送机，担负全矿矸石运输任务。排矸斜井通过井底车场与+606m 水平运输大巷相连，矸石通过各采区轨道上山下车场后，沿+606m 大巷编组运至矸石井底车场。井底车场设置矸石翻卸及破碎系统，矸石破碎符合运输要求后，由排矸斜井带式输送机上运至地面临时排矸场地，填沟凹处理。

2 初步设计方案

2.1 技术要求

（1）排矸斜井带式输送机带宽800mm，倾角16°，由于矿井矸石物料大块率在20%左右，为便于运输，根据《带式输送机设计规范》，矸石破碎后粒度要求≤250mm。

（2）矿井矸石含量约占15%，不均衡系数取值1.5，矸石量每年约0.102 Mt。矸石井底车场矸石重车由防爆蓄电池电机车牵引，每列由22辆1t固定式矿车组成，系统工作时间按照年工作2000h计算，为满足翻卸、破碎能力，设备处理能力应大于50t／h。

2.2 初步设计方案

为满足系统设计技术要求，初步设计方案。在排矸井底车场内设有翻车机硐室、缓冲仓、1号矸石仓、2号矸石仓、破碎机硐室、行人及材料运输平巷、矸石皮带转载硐室等（图1）。缓冲仓直径4m，有效容量约35m3；1号矸石仓直径4m，有效容量180m3；2号矸石仓直径4.5m，有效容量100m3。矸石重车运至翻车机处，由1t电动式翻车机翻卸后经格筛初步筛分，格筛网距离为250mm，筛下物直接落入1号矸石仓，筛上物由溜槽溜入矸石缓冲仓，由扇形闸门控制进入破碎机破碎后落入2 号矸石仓。1 号、2号两个矸石仓下口装设往复式给煤机用于排矸斜井带式输送机装载。

图1 初步设计方案

3 初步设计方案可靠性评价

系统可靠性表示系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，从整体上看系统能否完成预期的功能，有多个衡量指标。结合井下矸石翻卸及破碎系统，本文拟从功能可靠性、施工可靠性、管理可靠性等三个方面对初步设计方案进行评价。

3.1 功能可靠性评价

基于服务于排矸斜井带式输送机矸石运输设置井下矸石翻卸及破碎系统，矸石翻卸、破碎、装载为其基本功能，系统自动化控制、设备先进性以及方便操作等为其扩展功能。初步设计方案满足系统技术要求，能够实现系统基本功能，但系统所有设备集中控制、自动化控制难以实现，系统在扩展功能方面有所欠缺。具体分析如下：

（1）翻车机采用电动翻车机，设备基础较为复杂，不能实现正反转，翻车机前未设推车机，矸石重车进罐翻卸需人工推送，自动化程度较低；

（2）选用PLM500型破碎机，此机型为顺槽用破碎机，主要适用于煤矿井下综采工作面原煤的连续破碎，由于矸石硬度相对较大，对矸石破碎能力略显不足，设备故障率较高；

（3）1号、2号矸石仓仓下给料装置选用2台K-1型往复式给煤机，2台设备不能同时给料且给料不好控制，给料不连续，生产率较低。K-1 型往复式给煤机给料机底板在回程中需承受物料很大的摩擦力，结构受力大，设备重，需要有较大的驱动功率，能耗大。同时设备振动、噪声大。

3.2 施工可靠性评价

施工可靠性主要包括井下各硐室、矸石仓施工难易程度、安全程度、工程量等。初步设计方案中共有大小3个矸石仓，1号仓与2号仓间距1.02m，井下施工时需要进行大开挖，仓壁配筋、设备支护较为密集，在破碎机硐室处需要开拓行人及材料运输平巷，工程施工难度大且工程量较大。同时，翻车机轨面距离矸石仓底约有20.5 m 高度成为本方案施工可靠性最大的制约因素或缺陷，因为根据现场施工对岩巷的控制和揭露，排矸斜井井底车场绕道掘进施工中遭遇大溶洞，且与地下暗河有水力联系，为避开溶洞，下部车场绕道布置需要进行调整，矸石仓过高遇到溶洞可能性较大。

3.3 管理可靠性评价

管理可靠性主要包括劳动定员、系统维护、修理、保管和使用、对现场故障进行处理等。功能可靠性对管理可靠性有一定的影响。由于初步设计方案中设备自动化控制程度不高，系统劳动定员相对较多，4个工位至少需要6个工作人员，才能维持系统的正常运行。由于倒装环节较多，系统故障率大为增加，尤其是破碎机的维护相当困难，备品备件需要从行人及材料运输平巷运入。同时，由于系统运行时需要设备联动，这也为管理带来了诸多不可靠因素。

综上所述，初步设计方案能够达到系统基本功能，但系统自动化程度不高，施工工程量大、难度高，安全隐患较多，管理运行较为复杂，评价认为初步设计方案可靠性有待提高。

4 优化设计方案

根据初步设计方案可靠性评价内容，对矸石翻卸、破碎系统从工艺布置、关键设备选型、基础处理等方面均进行了优化设计。

4.1 工艺布置优化

针对初步设计方案中矸石仓数量过多、转载次数多以及系统自动化程度低等问题以及结合工程地质条件，对设计方案进行了优化（见图2）。优化后设计方案充分利用大巷现有基础条件，翻车机、推车机硐室、破碎机硐室、矸石缓冲仓等采用上下一体化设计，上部翻车机和推车机硐室宽7.45m、长22.5 m，下部破碎机硐室宽5.12 m、长17 m，为下挖基坑。矸石缓冲仓位于破碎机硐室下部，直径4 m，有效容量60m3。

矸石重车由电机车牵引至矸石车场，电液动推车机将矸石重车自动推送至翻车机内，翻车机翻卸后经格筛初步筛分，格筛网筛孔为Φ250mm，筛下物直接落入矸石缓冲仓，筛上物直接溜入破碎机，矸石破碎后落入矸石缓冲仓，缓冲仓下口装设甲带式给料机用于排矸斜井带式输送机转载。在最右侧设备检修孔，检修孔上部设置起吊梁，下部在破碎硐室内设置爬梯。

相比初步设计方案，翻车机前布置推车机可实现矿车自动进出，设备布置更为流畅，倒装环节大为减少，矸石仓也减少2个，高度减少至15m，避免遭遇溶洞的状况发生。破碎机硐室不需另外考虑设备运输通道。各硐室周围围岩基本不被破坏，工程量和施工难度大为降低。

4.2 关键设备选型

优化后方案中关键设备主要有推车机、翻车机、破碎机、给料机。

图2 优化后设计方案

（1）推车机：选用cxc型销齿式电液动推车机，能进罐推车，推车行程不小于10m。

（2）翻车机：选用FYZZ型液压翻车机，能适应实际需要的高频率换向操作，液压控制，可实现无级调速。

（3）破碎机：选用PELM-01型煤矿井下颚板轮式破碎机，破碎机采用差动原理，多点分散、挤压、剪切，实现对矸石物料的破碎；采用机械、双重过载保护，安全可靠。出料粒度≤250mm，粒度范围可调。

（4）给料机：选用GLD-800 型甲带给料机，给料均匀、连续，可实现变频无级调速，维修量小，使用寿命长；零部件通用性强，安装、维修简便。

根据工艺流程，选用的设备采用集中液压系统，能够实现推车、翻车、破碎、转运等各工序相互配套的机电液一体化联合作业，设备之间相互闭锁，自动化程度、安全系数大为提高。优化后方案系统正常运行劳动定员为2人，减少了操作人工，同时减轻了劳动强度，彻底改变了初步设计方案中施工强度大、效率低、安全系数小等不利因素。

4.3 设备基础处理

优化设计后，推车机、翻车机下部为基坑，设备基础需要由混凝土结构变为钢结构，其基础处理是本系统的一个难点。设计考虑翻车机、推车机以及矸石重车重量，设备基础取计算载荷20t，设备支撑梁按单跨简支梁计算。通过内力计算、强度和刚度验算，设备基础选用36c工字钢作为支撑梁，破碎硐室基坑顶面采用25b工字钢为支撑梁，硐室周边预留梁窝。待设备安装完毕后，基坑顶面铺设花纹钢板。

5 结语

官仓煤矿井下矸石翻卸及破碎系统方案优化设计后，系统更为简洁、流畅，实现了井下矸石翻卸及破碎系统机电液一体化作业，系统可靠性大为增强。尽管设备投入略有增加，但矿建工程量、施工难度大为降低，劳动定员相应减少，经济效益较好。实践证明：系统一年来正常运行，机械自动化程度达到了较好地效果。对于中西部薄煤层煤矿，由于矸石量较多，本系统具有较大的借鉴意义。

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