王 健

（山西晉煤集團坪上煤業(yè)有限公司，山西晉城 048203）

0 引言

對于高效率、大產(chǎn)量的礦井而言，皮帶運輸機已經(jīng)成為礦井開展機械化開采的核心設備，而作為原煤運輸?shù)囊粋€關(guān)鍵組成，落煤設備在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通常情況下，落煤設備處于皮帶運輸機的下部，利用緩沖裝置來降低煤流速度，使皮帶所受到的沖擊力降低，保障煤炭可以在皮帶上正常運行；但是由于礦井生產(chǎn)的環(huán)境較為復雜，工人操作較為繁瑣，時常會產(chǎn)生落煤現(xiàn)象，從而對皮帶運輸機的裝煤效率及礦井的正常生產(chǎn)造成嚴重的影響。因此，設計一臺實用性較強、效率較高的井下落煤裝置對煤炭的運輸有著十分重要的作用[1]。本文把落煤裝置設計成三角形結(jié)構(gòu)，并從緩沖片三角形夾角的具體設計、材料的選取、具體結(jié)構(gòu)設計等方面介紹了落煤裝置的設計。該設計促使煤炭精確地下落至下方皮帶運輸機上，減輕漏煤井的損傷，提高工作效率。

1 皮帶運輸機運送煤炭存在問題

在煤礦開展運輸作業(yè)的過程中，由皮帶運輸機所運輸?shù)拿禾繌母咛幝湎聲r，是利用漏煤井與下部皮帶運輸機進行連接的；同時，在實際的生產(chǎn)中，礦井中的生產(chǎn)環(huán)境較為復雜，存在較多無法控制的因素。由于皮帶運輸具有較高的運行速率，因此當煤炭由一臺皮帶運輸機下落至另一臺皮帶運輸機上的時候，煤炭與皮帶、漏煤井壁及煤壁之間會產(chǎn)生碰撞，從而出現(xiàn)了磨損，導致皮帶受到損壞及斷裂，煤炭產(chǎn)生浪費。

在設計與制造漏煤井的過程中，其內(nèi)部大多采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，由普通鋼板所制成。這類鋼板有著較大的硬度，不能產(chǎn)生緩沖的效果，因此在長時間的運煤后，漏煤井會因碰撞而出現(xiàn)變形，導致漏煤井受到損壞；煤塊與漏煤井壁或煤壁產(chǎn)生碰擊之后，會四處濺落，這些破碎的煤塊會對井下生產(chǎn)人員的安全造成威脅，同時對生產(chǎn)設備造成損壞；這些煤塊在濺落之后一般不會精確地落至下一個皮帶運輸機上，因此導致煤炭產(chǎn)生了浪費，運輸效率不斷降低。因此，在設計漏煤井的時候必須增加漏煤裝置，該裝置可以緩沖煤炭的下落沖擊，降低煤炭的重力勢能，避免皮帶受到煤炭的沖擊，在對漏煤井進行保護的基礎上來降低漏煤井的損傷，同時使煤炭的運輸效率得以提升，改善煤炭的浪費問題，延長皮帶的壽命[2]。

2 落煤裝置研制設計的必要性

當漏煤井尚未安裝落煤裝置的時候，漏煤井壁的受力圖如圖1所示。由圖可知，在與漏煤井產(chǎn)生碰擊之后，其碰撞部位會出現(xiàn)一個力F，根據(jù)相關(guān)定理可知，這個力可以被分為水平向左的力F1和垂直向下的力F2。其中，F(xiàn)1代表的為井壁撞擊的力，該力大小與漏煤井壁的撞擊程度存在一定的關(guān)系，其數(shù)值越大，撞擊程度越大；F2是煤塊向下運動時與漏煤井壁所形成的摩擦力。而在漏煤井內(nèi)安裝落煤設備之后，由于緩沖裝置的存在，煤塊將會在以往下落部位的上部與井壁產(chǎn)生碰撞，此時將會形成 F′，F(xiàn)1′，F(xiàn)2′。根據(jù)三角形定理可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1=F·cosθ2，F(xiàn)1′=F′·cosθ，又因為θ1＞θ2，F(xiàn)′＜F，因此F·cosθ2＞ F′·cosθ1，即F1＞F1′。因此通過上述受力分析可以看出，在安裝落煤裝置之后，漏煤井壁所受到的撞擊力不僅極大降低，而且落煤裝置所受到的撞擊力也得以緩沖，從源頭上降低撞擊力的同時，對漏煤井也起到了保護作用，保障了落煤設備的安裝，促使落煤裝置得以持久使用[3]。

圖1 漏煤井內(nèi)壁的受力分析

此外，由圖1可知，F(xiàn)1=F sinθ2，F(xiàn)2′=F′sinθ1，根據(jù)這 2個式子可知，在沒有安裝落煤裝置的時候，煤塊發(fā)生碰撞之后由于受到F2的作用將會持續(xù)進行向下運動，從而與漏煤井壁產(chǎn)生摩擦，導致其受到損壞；而在加裝落煤裝置之后，煤炭會由落煤裝置中落下，不會與井壁產(chǎn)生接觸，自然不會對井壁造成損壞。綜上所述，在漏煤井中安裝落煤裝置有著十分重要的作用[4]。

3 落煤裝置的設計

3.1 緩沖片三角形夾角的設計

在煤塊由高處落下之后，由于重力勢能的影響，會對皮帶造成較大的沖擊。在這種狀況下，由于漏煤井的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由鋼板所焊接，其形狀為網(wǎng)格狀，若落煤部位產(chǎn)生了偏差，則沖擊力將會對網(wǎng)格構(gòu)造產(chǎn)生破壞，對漏煤井的使用造成影響。因此為了使漏煤井免受煤塊的沖擊，落煤裝置可以設計為三角形，如圖2所示。這種三角形結(jié)構(gòu)有著較強的穩(wěn)定性，利用這個特性，三角形的斜邊可以有效地分解撞擊力，以加強該裝置的耐受性及穩(wěn)定性[5]。

根據(jù)煤塊下落的過程可以看出，煤塊與漏煤井壁產(chǎn)生碰撞的過程屬于平拋運動，通過圖2中受力進行分析可知，設皮帶運輸機運行的速度為v0，煤塊下落的時間為t，則煤塊在碰撞漏煤井壁時水平方向與垂直方向的速度分別為vx=v0和vy=gt，因此，其合速度為；由于水平方向所產(chǎn)生的位移為y=gt2/2，因此其下落的時間t= 2y/g，垂直方向與合速度之間的夾角為tanα=vx/vy=v0/gt，α=arctan(v0/gt)，由此將緩沖片三角形夾角加以明確。

圖2 運動分解

當煤塊從皮帶運輸機上下落之時會形成1個煤流范圍，即y2-y1，如果要所有煤塊精確落到落煤裝置上，則必須進行詳細地計算，以此來明確緩沖片三角形的夾角[6]。以某礦作為案例，該礦井下皮帶運輸機的運行速度為v0=3.9 m/s，并且可以通過實際測量來獲取y1與y2分別為2.1 m和3 m，則煤塊在漏煤井中的下落時間分別為：

其中g(shù)為9.8 m/s2。因此緩沖片三角形的夾角α1和α2分別為31.48°和27.03°，最終將該角度明確為29°。

3.2 材料的選取

由于礦井開采所具有的特殊性，煤炭運輸系統(tǒng)大約每天有20 h在進行煤炭的運送工作，因此落煤裝置也處于長時間工作狀態(tài)，每天都要受到20 h的沖擊力。該狀況下，落煤裝置必須采用高強度、高耐磨性能的鋼板材料，以避免板材出現(xiàn)不必要的損耗。這類型的鋼板專門應用于大面積磨損的狀況，其構(gòu)成主要由低合金鋼或普通低碳鋼和耐磨層復合所成，經(jīng)過復合的鋼板具有較大的耐磨性，可以很好的承受工況點的沖擊與震動。另外，強度較高的耐磨板還具有較好的耐熱性，即便處于高速摩擦的狀況下，該鋼板也不會產(chǎn)生較大的變形[7]。

3.3 結(jié)構(gòu)設計

在實際應用中，為了確保落煤裝置的性能得以充分發(fā)揮，對其結(jié)構(gòu)進行了以下設計：

（1）將組成落煤井壁網(wǎng)格構(gòu)造的每塊鋼板設計為三角形，并且將與煤流相接觸的斜邊設計為銳角，這樣可以使大塊煤受到破碎，避免其對煤炭運輸造成影響；

（2）各個鋼板之間應當運用100 mm的距離套來進行隔離，該距離套所具有的作用是在煤炭下落的過程中完成自動篩選，其中在距離套的作用下超出100 mm的煤塊會先粉碎再下落，小于100 mm的煤塊將直接落下，不僅可以提升煤塊的運輸速率，而且可以增強煤炭的質(zhì)量，促使煤塊更加順利的傳送至下1臺皮帶運輸機上；

（3）為了使落煤裝置具備較強的穩(wěn)定性，運用100 mm的軸來連接落煤裝置，再運用雙螺母，同時加設銷軸來進行加固，避免該裝置因煤塊的撞擊而松動，同時還具有預緊力，確保該緩沖片始終維持水平方向，以便于工作人員的安裝與維護。

4 使用效果

這種落煤裝置在經(jīng)過以上的設計與研制之后，在煤礦下進行了應用。根據(jù)實際測量可知，該裝置可以使漏煤井的受損問題得以解決，極大降低了漏煤井壁與落煤間的磨損狀況，提高了漏煤井的使用期限；在緩沖片三角形鋼板的影響下，煤塊的重力勢能不斷降低，不僅避免了煤炭及資源的浪費，還使皮帶所受到的沖擊力得到極大地緩解；另外，落煤的運輸效率得到極大提升，使煤礦生產(chǎn)更加安全高效[8]。

5 結(jié)束語

本文通過緩沖片三角形夾角、材料及結(jié)構(gòu)的設計選擇，促使煤炭精確地下落至下方皮帶運輸機上，增強了裝煤效率，使漏煤井得到較好地保護，在提升工作效率的同時，極大降低了工作人員的作業(yè)強度，另外通過設計與制作落煤裝置，還可以為其他礦井漏煤井出現(xiàn)的問題提供有效的解決思路。