卜侃侃，劉金有，張 鵬，胡萬(wàn)飛

寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏銀川 750001

鋁 土礦山井工開(kāi)采主要以壁式崩落法、房柱法 開(kāi)采工藝為主，與煤礦相比，缺少大型現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備。落后的開(kāi)采工藝導(dǎo)致礦石回采率低、貧化率高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，而且安全性差、生產(chǎn)效率低。將煤礦井工綜合機(jī)械化開(kāi)采工藝與設(shè)備引進(jìn)到鋁土礦井工開(kāi)采，對(duì)提高鋁土礦床開(kāi)采的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益、安全程度和機(jī)械化水平，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)鋁土礦山開(kāi)始嘗試采用煤礦綜采工藝。國(guó)家電投集團(tuán)貴州遵義產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司于 2019 年在瓦廠坪鋁土礦投產(chǎn)試運(yùn)行了第 1 個(gè)鋁土礦綜采工作面，驗(yàn)證了綜采工藝在鋁土礦山井工開(kāi)采中應(yīng)用的可行性[1]。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用效果，工作面采礦機(jī)和液壓支架基本可滿足使用要求，但工作面刮板輸送機(jī)由于運(yùn)輸物料的變化，設(shè)備磨損嚴(yán)重，且故障率較高，備品備件成本較高。首采工作面使用的國(guó)內(nèi)某廠家的刮板輸送機(jī)整機(jī)壽命約為 30 萬(wàn) t 過(guò)礦量，無(wú)法滿足礦方的使用要求。寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司針對(duì)鋁土礦工作面特殊工況及設(shè)備運(yùn)輸物料特性的變化，采取了多種措施提高設(shè)備的耐磨性，并應(yīng)用于瓦廠坪礦 1101 工作面，取得較好效果。

1 工作面概況及綜采配套設(shè)備

1.1 工作面概況

瓦廠坪鋁土礦位于貴州省務(wù)川縣浞水鎮(zhèn)北部，礦床類型屬一水硬鋁石沉積型鋁土礦，賦存較穩(wěn)定，累計(jì)探獲鋁土礦石各級(jí)資源儲(chǔ)量約為 3 890 萬(wàn) t，為一大型地下鋁土礦床。礦山采用平硐、上山開(kāi)拓方式，走向長(zhǎng)壁后退式采礦方法，綜合機(jī)械化開(kāi)采工藝，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 100 萬(wàn) t/a[2-3]。

1101 工作面為瓦廠坪礦第 2 個(gè)綜采工作面，平均埋深為 300 m，走向長(zhǎng)度約為 500 m，工作面投影長(zhǎng)度為 135 m，傾角平均約為 20°，局部可達(dá) 25°。地質(zhì)較為簡(jiǎn)單，礦體厚度變化不大，為單一層狀構(gòu)造，平均厚度約為 2.3 m。鋁土礦呈土狀、半土狀、碎屑狀、致密狀，礦質(zhì)優(yōu)良。礦石密度為 2.76 t/m3，松散系數(shù)為 1.56，普氏硬度系數(shù)f=4～ 6，無(wú)瓦斯粉塵爆炸危險(xiǎn)[4]。

1.2 綜采工作面配套設(shè)備

與煤礦綜采工作面配套設(shè)備一致，瓦廠坪鋁土礦綜采工作面配套設(shè)備有采礦機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架，具體型號(hào)及設(shè)備生產(chǎn)廠家如表 1 所列。

表1 綜采工作面配套設(shè)備Tab.1 Matching equipments on fully-mechanized work face

2 工作面刮板輸送機(jī)提高耐磨性的改進(jìn)措施

2.1 磨損原因分析

原先選用的工作面刮板輸送機(jī)在瓦廠坪礦首采工作面試驗(yàn)中暴露出的最主要問(wèn)題是設(shè)備磨損嚴(yán)重，無(wú)法滿足礦方的使用要求。刮板輸送機(jī)磨損情況主要表現(xiàn)在刮板輸送機(jī)鏈輪軸組、刮板、鏈條及中部槽中板磨損嚴(yán)重，主要原因是運(yùn)輸物料特性發(fā)生了根本性改變。在運(yùn)輸煤炭時(shí)，由于煤炭自身具有“潤(rùn)滑”作用，物料與設(shè)備間的摩擦較小。鋁土礦石主要成分為 Al2O3，含量高達(dá) 65% 以上。鋁土礦石硬度高，其普氏硬度系數(shù)f=4～ 6，且多以土狀、半土狀、碎屑狀為主。刮板輸送機(jī)工作時(shí)，受鏈輪驅(qū)動(dòng)的刮板和鏈條在中部槽上循環(huán)往復(fù)，帶動(dòng)中部槽上的鋁土礦物料向前輸送，產(chǎn)生磨粒磨損。物料散料在輸送過(guò)程中由刮板鏈推動(dòng)前進(jìn)，僅由物料散料作用于中板造成的磨損為兩體磨粒磨損；當(dāng)土狀顆粒鋁土礦物料作為磨粒介質(zhì)進(jìn)入刮板、鏈條與中部槽等相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件之間，產(chǎn)生三體磨粒磨損。由于運(yùn)動(dòng)表面接觸壓力大，磨粒介質(zhì)硬度高，產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損現(xiàn)象，加速了刮板輸送設(shè)備中部槽、鏈輪軸組、刮板鏈等部件的磨損。

2.2 提高耐磨性的改進(jìn)措施

刮板輸送機(jī)在鋁土礦井下工況實(shí)際的磨損過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多種因素綜合作用的摩擦學(xué)系統(tǒng)，其影響因素包括設(shè)備材料特性、磨料特征、工況條件等[5]。通過(guò)分析影響設(shè)備耐磨性的主要因素，在刮板輸送機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)主要通過(guò)以下措施提高設(shè)備的耐磨性。

2.2.1 提升關(guān)鍵零部件材料性能

(1) 改進(jìn)鏈輪材質(zhì)。以現(xiàn)有鏈輪材質(zhì)為基礎(chǔ)，適當(dāng)增加 C 含量，降低 Ni 含量，適當(dāng)添加 V 元素。

(2) 改進(jìn)熱處理工藝，提高鏈窩感應(yīng)淬火硬度及深度，提高鏈輪的耐磨性。

(3) 提升中部槽槽幫材質(zhì)。以現(xiàn)有中部槽鑄造材料為基礎(chǔ)，進(jìn)行微合金化處理，提高槽幫耐磨性。

(4) 提升中部槽中板材質(zhì)。選用進(jìn)口高強(qiáng)度耐磨板替代國(guó)產(chǎn)耐磨板，提高中部槽的耐磨性。

2.2.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)

(1) 改進(jìn)刮板輸送機(jī)中部槽斷面結(jié)構(gòu)，增大刮板與中部槽中板、槽幫接觸面積，降低接觸比壓，減緩磨損。

(2) 增大鏈條與中板配合間隙。鏈條不直接接觸中板，降低鏈條與中板接觸壓力，減緩磨損。

(3) 增加槽幫側(cè)板、上沿等易磨損部位厚度等，提高設(shè)備的耐磨性與使用壽命。

2.2.3 提高易磨損部件的維護(hù)便捷性

(1) 設(shè)計(jì)可快速更換鏈輪的鏈輪軸組。鏈輪磨損后可在井下快速更換，不需整體拆除鏈輪軸組，提高設(shè)備維護(hù)便捷性。

(2) 將過(guò)渡槽上沿、伸縮機(jī)尾上沿等易磨損部位設(shè)計(jì)為可更換結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備維護(hù)便捷性，延長(zhǎng)整機(jī)使用壽命。

2.2.4 降低刮板鏈速度

通過(guò)采用雙速電動(dòng)機(jī)和變頻控制等手段，降低刮板鏈鏈速，使相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨損面滑動(dòng)速度降低，達(dá)到提高設(shè)備耐磨性的目的。

3 工作面刮板輸送機(jī)磨損情況實(shí)測(cè)與分析

1101 工作面設(shè)備投入使用 11 個(gè)月后，因工作面推進(jìn)至溶洞區(qū)域，頂、底板條件差，而且工作面礦層變化，可采礦體厚度變薄，造成開(kāi)采的礦石質(zhì)量急劇下降，計(jì)劃停采此工作面，進(jìn)行工作面搬家。截至停采，工作面共推進(jìn)約 350 m，生產(chǎn)礦石 32 萬(wàn) t。設(shè)備生產(chǎn)廠家在井下工作面對(duì)刮板輸送機(jī)關(guān)鍵零部件的磨損情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)，在此重點(diǎn)分析中部槽及刮板的實(shí)際磨損情況。

3.1 中部槽磨損量實(shí)測(cè)分析

中部槽為刮板輸送機(jī)的核心部件，其耐磨性和壽命直接關(guān)系到整機(jī)壽命[6]。為了提高耐磨性，主要對(duì)中部槽中板材質(zhì)及厚度，槽幫材質(zhì)、熱處理工藝，以及中部槽鏈道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。中部槽初始中板厚度和內(nèi)槽寬度分別為 50 和 722 mm，通過(guò)測(cè)量中部槽中板厚度和內(nèi)槽寬度判斷磨損情況。在靠近機(jī)頭處、設(shè)備中間部位和靠近機(jī)尾處各取 3 節(jié) (共 9 節(jié)) 中部槽作為測(cè)量樣本，測(cè)量部位如圖 1 所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表 2 所列。其中中板厚度是擋板側(cè)、中間部位、鏟板側(cè)測(cè)量值。

表2 中部槽中板厚度及內(nèi)槽寬度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.2 Measurements of middle plate thickness and inner groove width of middle groove mm

圖1 中部槽測(cè)量部位示意Fig.1 Measured location of middle groove

中板厚度測(cè)量值、平均值及磨損量變化趨勢(shì)如圖 2 所示。

圖2 中板厚度測(cè)量值及磨損量Fig.2 Thickness measurements and wear loss of middle plate

從中部槽中板厚度磨損量測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，由于受鋁土礦井下惡劣工況、工作面起伏變化等影響，中板磨損并不均勻，磨損量最大為 9.3 mm，最小為 4.9 mm，平均磨損量為 6.7 mm。通過(guò)對(duì)機(jī)頭處、設(shè)備中間部位和靠近機(jī)尾處 3 組不同位置處中部槽中板的磨損量分析整機(jī)長(zhǎng)度方向磨損量變化趨勢(shì)?？拷鼨C(jī)頭處 3 節(jié)中部槽中板平均磨損量為 8.1 mm，中間部位 3 節(jié)中部槽中板平均磨損量為 7.1 mm，靠近機(jī)尾處 3 節(jié)中部槽中板平均磨損量為 5.0 mm，總體變化趨勢(shì)為從機(jī)頭到機(jī)尾中板磨損量逐漸減小。這是因?yàn)樵诠伟遢斔蜋C(jī)整機(jī)長(zhǎng)度上，中部槽過(guò)礦量從機(jī)頭到機(jī)尾逐漸減少。通過(guò)比較鏟板側(cè)中板厚度和擋板側(cè)中板厚度可以看出，鏟板側(cè)磨損量較擋板側(cè)大，這是因?yàn)檫\(yùn)輸時(shí)鏟板側(cè)物料較擋板側(cè)多，加之工作面為俯采狀態(tài)，造成鏟板側(cè)磨損較擋板側(cè)嚴(yán)重。

中部槽內(nèi)槽寬度測(cè)量值及磨損量變化趨勢(shì)如圖 3 所示。

圖3 內(nèi)槽寬度測(cè)量值及磨損量Fig.3 Width measurements and wear loss of inner groove

從中部槽內(nèi)槽寬度磨損量測(cè)量情況分析，最大磨損量為 16.0 mm，最小磨損量為 3.0 mm，平均為 10.0 mm。與中板厚度磨損量變化趨勢(shì)一致，靠近機(jī)頭處平均磨損量為 14.3 mm，中間部位平均磨損量為 10.3 mm，靠近機(jī)尾處平均磨損量為 5.3 mm。在整機(jī)長(zhǎng)度方向上，磨損量也是呈從機(jī)頭到機(jī)尾逐漸減小的趨勢(shì)，與中部槽過(guò)礦量從機(jī)頭到機(jī)尾逐漸減小的趨勢(shì)一致。

根據(jù)中板厚度和內(nèi)槽寬度磨損實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合 1101 工作面礦石產(chǎn)量分析，中部槽的耐磨性較首采工作面的設(shè)備提升明顯，證明提高耐磨性的改進(jìn)措施是有效的。目前中部槽的磨損量符合設(shè)計(jì)預(yù)期，可在下一個(gè)工作面繼續(xù)使用，建議礦方在搬家倒面時(shí)將中部槽從機(jī)頭到機(jī)尾調(diào)換安裝，使磨損量基本保持一致，以延長(zhǎng)整機(jī)壽命。按中板厚度磨損量 25 mm 達(dá)到報(bào)廢條件推斷，中部槽整體使用壽命可達(dá)約 120 萬(wàn) t 過(guò)礦量，滿足 100 萬(wàn) t 過(guò)礦量的設(shè)計(jì)要求。

3.2 刮板磨損量實(shí)測(cè)分析

刮板是直接運(yùn)輸物料的關(guān)鍵零部件，是刮板輸送機(jī)最易磨損的零部件，屬于易損件。為了提高耐磨性，鋁土礦用刮板采用了雙金屬分段焊接的結(jié)構(gòu)，并提高了材料的熱處理硬度。刮板主要通過(guò)測(cè)量長(zhǎng)度、厚度、斧頭處寬度、中間段寬度來(lái)評(píng)價(jià)其磨損程度。在刮板輸送機(jī)上隨機(jī)間隔取 3 件刮板進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量部位如圖 4 所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表 3 所列。

圖4 刮板測(cè)量尺寸簡(jiǎn)圖Fig.4 Sketch of measured dimensions of scraper

表3 刮板實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 Measurements of scraper mm

從刮板磨損量測(cè)量數(shù)據(jù)分析，刮板長(zhǎng)度磨損較為嚴(yán)重，最大磨損量為 44.0 mm，最小磨損量為 39.0 mm，平均磨損量為 41.3 mm；刮板厚度磨損量最大為 5.0 mm，最小為 2.0 mm，平均為 3.7 mm；斧頭處寬度磨損量擋板側(cè)最大為 18.0 mm，最小為 14.0 mm，平均為 15.8 mm，鏟板側(cè)最大為 18.0 mm，最小為 15.0 mm，平均為 17.2 mm；中間寬度基本沒(méi)有磨損。從磨損數(shù)據(jù)可以看出，刮板斧頭處寬度磨損量鏟板側(cè)大于擋板側(cè)，可以推斷刮板長(zhǎng)度磨損量也是鏟板側(cè)大于擋板側(cè)，這與中部槽中板厚度磨損量鏟板側(cè)大于擋板側(cè)是一致的，是因?yàn)殓P板側(cè)物料較擋板側(cè)多，而且工作面為俯采狀態(tài)，刮板鏈運(yùn)行時(shí)偏向鏟板側(cè)槽幫，造成鏟板側(cè)磨損大于擋板側(cè)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)刮板鏈運(yùn)行狀態(tài)，雖然刮板長(zhǎng)度磨損嚴(yán)重，但截至 1101 工作面停采還未發(fā)生刮板斷裂、跳出鏈道等事故，其壽命達(dá)到了易損件 30 萬(wàn) t 過(guò)礦量的設(shè)計(jì)要求。建議將刮板長(zhǎng)度采用堆焊方式修復(fù)后在下一個(gè)工作面繼續(xù)使用。需注意的是，刮板長(zhǎng)度磨損至一定程度會(huì)使刮板鏈易從鏈道脫出造成事故，需及時(shí)更換或修復(fù)。

4 結(jié)語(yǔ)

鋁土礦綜采工作面刮板輸送機(jī)因運(yùn)輸物料特性發(fā)生變化，磨損嚴(yán)重，壽命無(wú)法達(dá)到預(yù)期。針對(duì)鋁土礦工作面特殊工況及鋁土礦物料特性，通過(guò)提升關(guān)鍵零部件材料性能、改進(jìn)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)、提高易磨損部件的維護(hù)便捷性、降低刮板鏈速度等多種措施，提高了設(shè)備的耐磨性。通過(guò)對(duì)中部槽和刮板磨損情況進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，中部槽的耐磨性較首采工作面設(shè)備有明顯提高，中部槽的磨損量符合設(shè)計(jì)預(yù)期，預(yù)計(jì)壽命可滿足 100 萬(wàn) t 過(guò)礦量的設(shè)計(jì)要求；刮板長(zhǎng)度磨損較嚴(yán)重，但未發(fā)生刮板斷裂、跳出鏈道等事故。改進(jìn)后的中部槽和刮板壽命均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，中部槽可在下一個(gè)工作面繼續(xù)使用，刮板可采用堆焊方式修復(fù)后在下一個(gè)工作面繼續(xù)使用。