综采工作面大块破碎装置的研制和应用

2015-08-31张德生

采矿与岩层控制工程学报 2015年4期

张德生，侯刚

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

晋、陕、蒙、宁交界区大部分煤层具有厚度大，硬度中硬以上，结构致密的特点，其煤炭整体性强，开采过程易产生大块。随采高增加和开采强度加大，综采工作面片帮、冒顶更加频繁，产生的大块煤和岩石拉至刮板输送机头转载点会经常性卡住，后部煤流不断堆积造成输送机超载、甚至是压死，停机后人员进入输送机内采用大锤或风镐处理。对于高硬度的矸石，处理难度大，液压支架护帮板压裂大块或采用爆破等方式成为不得已的措施，给人员和设备带来巨大安全隐患。工作面大块煤矸的处理成为目前困扰煤炭企业高效、安全生产的一大技术难题［1－2］。

利用高压乳化液作为动力，开发出乳化液冲击破碎锤，重载冲击实现大块的裂解;根据工作面设备布设特点，研制出双级摇臂式大块煤破碎装置，全液压操控实现大块定位和破碎。该装置在陕煤集团柠条塔矿业有限公司S1205工作面进行了工业试验。

1 乳化液冲击破碎锤原理

常规破碎锤作为机载工具，采用液压油作为工作介质，在挖掘机臂等机构持续下压下，利用高频次的冲击来破碎大块，频率高、行程短、单次冲击功和破块能力相对较小，且采用传统破碎锤需要单独的动力系统，因此其在工作面推广受到限制。另外乳化液介质润滑性差，无法适应滑阀式间隙密封结构，因此现有破碎锤结构无法适用到乳化液破碎锤上，需从原理和结构上全面改进。

工作面大块的破碎，其目的是解决通过性问题，对终块度要求不高，采用低频重载原理［3］可获得较为理想的破断效果，即操纵一次控制阀完成一次冲击过程，活塞高速冲击钎杆并提供持续的高压 (工作面压力接近31.5MPa)。低频次操作，可显著减小活塞运动次数，提高密封件使用寿命。

结构设计上，采用高速液压缸冲击钎杆这种相对简洁的结构型式。蓄能器与破碎锤分离，可采用较大的容积，以满足大行程对供液量要求，避免压力过度下降。冲击过程，需数千升的瞬时流量，单独设计了大流量集成阀块。钎杆采用十字头型，有利于大块的裂解，大的行程有助于超大块的劈裂。基于上述原理，开发出一种乳化液冲击破碎锤［4］(图1)，并申请了发明专利(CN201210585031.9)。

图1 乳化液冲击破碎锤

2 地面破碎试验

在龙门架式刚性支撑试验台上，对破碎锤的破块能力进行检验。采用φ300mm圆柱型钢筋混凝土试件，水泥标号32.5R，试件硬度值达到f=4以上。

图2为单次冲击下试件的破断动态过程，明显区分为压实、侵入、劈裂和飞散4个阶段，钎杆受到活塞碰撞后获得能量，端部和试件压实接触，尖端峰值应力作用下侵入试件，持续压力作用下继续深入并沿着棱向产生裂纹劈裂，最后获得动能的碎块飞散开去。

图2 冲击破碎动态过程

由破断过程可以看出，以下几个要素是产生理想的破断效果的必要条件:

(1)初始的高速碰撞产生集中应力使钎杆侵入试件。

(2)高的压力促使瞬时冲击动能下降后钎杆能够持续深入。

(3)大的冲击行程可实现大范围裂解作用。(4)合理的钎杆型式使尖锐的端部有利于侵入，棱边的分布对初始裂纹扩展有诱导作用。

破碎结果和要素分析验证了提出的低频重载的可行性。进一步对大理石板进行冲击破碎试验，单次冲击即实现了条状大理石板的横向断裂。大理石板硬度f=10以上，钎杆作用在大理石表的侵痕较浅。

3 转载点双级摇臂式破碎装置

利用乳化液破碎锤作为工作机构，开发出了双级摇臂式大块破碎装置 (CN201420337904.9)，如图3(a)所示，包含底座、立柱、活柱、一级臂、二级臂和调节千斤顶等。底座焊接在基础上，立柱与底座通过销轴连接，保障可靠的连接强度，同时便于拆卸。活柱与立柱间内置升降千斤顶，实现机架和破碎锤的升降动作，压实大块的同时便于越过挡煤板。一级摇臂和二级摇臂组成了双摇臂机构，随活柱升降，回转动作靠调节千斤顶组成的气液动连杆机构实现。

图3(b)中A区是工作区域，基本实现了转载回弯处的覆盖，除破碎大块外，还具有拨煤功能。锤体与二级臂间加装调节千斤顶，可增加自由度，进行破煤角度调整并使拨煤效果进一步改善。

图3 二级摇臂式大块煤破碎装置

双级摇臂式破碎装置为悬臂式结构，同时采用升降千斤顶的液压连接，两者均使整体支撑刚性降低，对破块效果有所影响。为此，采用同一批混凝土试件进行了破块试验，仍可在一次冲击下完成破碎作业，只是冲击强度有所弱化，试样破断型式由在四棱主导下的四半开裂变为两半破坏 (图4)。

破碎锤安装在双级摇臂式架体上，可以通过全液压操控实现自动升降和回转定位，低频、重载和大行程实现大块的高效破碎和裂解，保证煤流的正常输送。利用拟人化手臂对拥堵点的大块进行疏通，大大减小因大块堵塞造成的停机概率 (对于悬空待运的大块)。特点如下:

图4 悬臂支撑条件下破块效果

(1)安全性大块目标的定位和破碎全液压实现，在安全区域内操作换向阀组即可完成，人员不需进入靠近转载点的危险区。

(2)适应性调节范围大，高度上限为转载点上方液压支架顶梁底面，破碎区域为一级摇臂和二级摇臂回转覆盖的区域。

(3)配套性非工作状态，可以将摇臂收回到输送机外，并将高度降至最低，避免破碎装置对大块造成的二次阻碍以及对支架升降动作的干涉。

4 井下应用

陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司位于神府矿区南区，煤层厚度大，周期来压过程中综采工作面片帮、冒顶频繁，大块煤矸的处理成为困扰其煤炭生产的一大顽疾。

试验工作面S1205最大采高5.8m，煤层变化大，经过数个构造带，大块煤和矸石造成刮板输送机头处经常性拥堵。破碎装置于2014年6月开始试用，对破碎锤范围内的大块硬煤和矸石显现出较强的破碎能力，平均单次破块比人工省时10min以上;同时，借助拟人化摇臂式结构，可在不停机状态下对拥堵大块进行挑拨和疏通，有效避免大块在输送机上的堆积，大大降低了输送机负荷并减小了停机几率。