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★世界煤炭★

美国成本更低运力更强的煤矿带式输送设备

斯蒂夫·费思科

摘 要 带式输送机是井下采矿作业的一个重要环节,是控制煤矿成本、保证利润的关键所在。从设计理念、技术团队、运营过程等方面介绍了美国伊利诺斯煤炭运营商2个带式输送设备的应用案例。

关键词 美国 带式输送机 水平转弯设计 远程监控 4级拼接 高性能耐磨材料

对井下采矿作业来说,带式输送机是最重要的系统之一,它们不仅将原煤从井下输送到地面,还负责将煤从工作面运走,从而保证了采区的达产。成功的煤矿运营商都知道得当的胶带输送系统结构设计的重要性及其中暗藏的风险。因为带式输送机的运营存在很多问题,任何有过拼接胶带或更换胶带刮片经历的人员都深知尽快完成这些工作并恢复生产,往往是一项压力巨大且吃力不讨好的工作。因此,先进高效的带式输送机是降低成本、保证矿井利润的关键。

设计一条能长距离运输的胶带以替换多段传送胶带是降低成本的思路之一,但这通常需要一些投资来购买更好的胶带、钢结构、驱动装置和控制系统。前期科学合理的工程设计可以消除这种投资风险,以获得较好的投资回报。通过近期2个应用案例,可以了解美国伊利诺斯盆地(Illinois Basin)煤炭运营商是如何应用这些知识和经验去发挥他们的优势的。

1 美国骑士霍克公司(Knight Hawk)新型长距离带式输送机

美国骑士霍克公司的普雷益而高(Prairie Eagle)煤矿近期调试了一条约6437 m的长距离带式输送机,如图1所示。与其他长距离输送胶带输送系统相比,这套系统的独特之处在于其有5个水平转弯设计。

随着普雷益而高煤矿开采的不断推进,需要新建一个工作面。老采区距离选煤厂较近,但距离新采区较远,所以骑士霍克公司决定采用地面长距离胶带输送系统,以省去数千米的地下带式输送机。

图1 普雷益而高(Prairie Eagle)煤矿新型跨越式胶带输送系统

1.1 项目背景

骑士霍克公司为了开展这项工程,进行了充分的调研。他们最终选择了比优默公司(Beumer)提供的可转弯的胶带输送系统。比优默公司输送装载事业部销售和业务发展副总裁布拉德·威廉姆斯(Brad Williams)介绍道,骑士霍克公司最开始向他们询价的方案由4个独立的胶带输送系统以及它们之间的3个转运点组成。最后比优默公司建议其采用一个长距离并带有水平转弯设计的新型跨越式胶带输送系统。并且由比优默公司负责机械和电控设计,同时负责系统安装和调试。

输送的具体过程如下:一条采区胶带先把原煤送到堆放管路,从而形成采区地面堆场;另一条设在采区堆场下方的取料胶带再把原煤转送至跨越式胶带输送设备。

这条跨越式胶带输送设备除了要经受约6437 m的输送距离和约27 m的高差外,去往选煤厂的路径还蜿蜒曲折,所以设计难度非常大。但比优默公司在北美已经铺设过多条长距离带有转弯设计的新型跨越式胶带输送系统,经验十分丰富。

此次给普雷益而高煤矿设计的带有5个水平转弯的长距离输送设备,可减少3个转运点及其扬尘,其中一个水平转弯如图2所示。此外还避免了潜在的堵塞,节省了相关清理工作,大大降低了系统的运营和维护成本。这套系统在普雷益而高煤矿运行后取得巨大成功。“最初骑士霍克公司对改变传统直线短距离胶带运输还是有点担心的。”威廉姆斯称,“我们需要让他们相信系统的能力,令人欣喜的是,他们思维开放并理解这套系统的优越性,实施这样的系统是一个大的挑战,因为这是一项巨大的投资,同时也是煤矿的命脉,如果这套系统失败,那么整个煤矿的运营将被摧毁”。

图2 长距离胶带输送系统中的水平转弯

1.2 先进的数据采集和3D运输路线展示

威廉姆斯介绍道,为了获得项目所有的地理信息资料,比优默公司使用了一架无人机在空中进行数据采集,计算出项目所需挖掘和回填的精确的土方工程量,并及时告诉业主。随着项目的不断推进,比优默公司还通过3D可视化的方式将运输系统的路线以及如何跨越公路和湿地等信息展现给业主方。骑士霍克公司通过对比优默公司提供的各种选项进行全面评估和衡量,了解了其潜在优势,最终决定实施这一方案。

1.3 设计施工水平转弯胶带输送设备的丰富经验

带有水平转弯的胶带输送系统的工程设计量很大,但比优默公司在这个领域具有数十年的经验积累,早在1971年就完成了第一套带有转弯设计的胶带输送系统项目。这类工程设计的关键在于托辊的角度设计。比优默公司工程师团队花费了大量时间去研究转弯处的胶带张紧和托辊角度,从而使胶带平稳地倾斜运行。

在安装普雷益而高煤矿这套系统后,比优默公司的工程技术人员非常清楚转弯处每一个托辊的安装角度。在调试整套系统时,这个输送系统就可以开始运转了。而如果业主方采用其他胶带输送系统,可能需要花费数周时间去培训和调试。

1.4 变频驱动器(VFDs)更好地控制胶带的运行速度

普雷益而高煤矿这条长距离输送胶带宽约106 cm并带有转弯设计,对粒度200 mm以下的原煤设计运输能力为1500 t/h,输送速度约为271 m/min。

这套胶带输送系统中的耐磨钢丝绳芯胶带由德国瑞马蒂普拓普公司(REMA Tip Top)提供。系统中使用的4组400马力螺旋伞齿轮驱动装置由西门子公司和弗兰德公司提供,其中3组驱动放置在带式输送机头,另1组在带式输送机尾,并在胶带输送系统的出料端设置了1个液压绞车张紧装置。其中,变频驱动器(VFDs)确保了系统的平稳启动和带速调节,使得骑士霍克公司可以更好地控制胶带的运行速度和运输能力。

1.5 满意的应用效果

威廉姆斯称,普雷益而高煤矿原来使用推土机和装载机在胶带给料和出料端进行物料的装卸和堆放,而现在即省去了两端的设备,还通过这个跨越式胶带输送系统把煤很好地从矿井送到跨越式带式输送机上,然后输送至约6437 m以外的选煤厂。

由于这种新型的长距离胶带输送系统的张紧力很大,比优默公司选择了钢丝绳芯胶带,并使用胶带翻转装置来确保胶带净面和托辊始终保持接触,同时他们在输送系统末端安装了翻转装置,这样物料在通过托辊时就不会落下来。

另一项让骑士霍克公司放心的举措是其中的数据收集系统,可以让他们和比优默公司能实时监控跨越式胶带输送系统。威廉姆斯表示,了解到比优默公司也可以远程监控整个输送系统的运行情况后,他们感到非常安心。

该项目从收到订单到整套系统的移交前后用了不到12个月。同时作为一个免维护系统,这套系统自2018年夏天交付使用后,没有出现任何问题。普雷益而高煤矿只要每天启动一次带式输送机,确保运转正常就可以了,因为仅有的转运点在带式输送机头和机尾。

2 北美一条强度最高的输煤胶带

2018年春天,芬纳邓禄普公司(Fenner Dunlop)花费了4周左右的时间成功完成了一项最具挑战的项目——Dynaflight ST7000胶带项目,包括设计、生产、供货和安装。这是一个位于伊利诺斯州的煤矿运营商对胶带输送系统的独特需求,是北美强度最高的钢丝绳芯加固胶带项目之一,如图3所示。

图3 Dynaflight ST7000胶带

2.1 胶带设计特点及其材质

经验丰富的芬纳邓禄普公司矿业销售经理杰瑞·洛维兹(Jerry Lovitz)直面难题,组织团队完成了宽约1.82 m的Dynaflight ST7000胶带的4级拼接和安装工程。其中包含1个约13 mm×9 mm的芬纳邓禄普公司的Fire Boss SAR 保护层,即Dynabreaker骨架和撕裂检测回路,总重量约为363 t。

Dynaflight胶带采用单平面精心设计的预张紧钢丝绳芯加固胶带,可承受最苛刻应用的最大拉力考验;Dynabreaker技术是芬纳邓禄普公司拥有专利的骨架技术,该技术使得这个项目和其他项目技术不同,具有独特编织结构。这种结构是从芬纳邓禄普公司伟创力(UsFlex)技术发展而来的,具有极好的抗撕裂和抗冲击能力。这种结构的组合创造了一种钢加固的伟创力复合材料胶带,在采矿应用领域显现出非常优异的耐久性。

Fire Boss SAR高性能耐磨保护层材质和一级物理性质材料的结合制造出了当今采矿行业中最安全、最坚固和最耐用的总长约为6.1 m的传送带。这种4级拼接的胶带设计是由应用工程和胶带标准部的高级经理明子若月(Akiko Wakatsuki)带领芬纳邓禄普输送带环球公司的技术团队创造的。

2.2 项目实施

在该项目实施前的几个月,芬纳邓禄普公司将一些新型钢丝胶带运到项目现场,由芬纳邓禄普公司负责北阿巴拉契亚的高级运营经理泰德·特尼(Ted Trenney)负责安装工作。特尼曾经负责过无数安装工程,他和客户以及即将执行这个项目的技术和主管团队一起制定了一个十分周详的计划。

项目前期准备工作包括对这个大型而复杂的胶带安装设备的协调工作,包括2台芬纳邓禄普公司扭矩超过13.86 N·m的卷带机和2台用于完成约6.1 m胶带拼接工作的框架式硫化压力机。

该项目的胶带部分需要来自芬纳邓禄普公司4个服务部门的工程师合作完成才能达到安全按时完成的要求。该团队有6个全方位服务小组负责芬纳邓禄普公司北美地区的安装和拼接工程。

芬纳邓禄普输送带环球公司在北美地区有个可进行操作培训的工厂,并拥有胶带工程师认证的内部网络,因此公司可完成诸多极高标准的胶带安装和拼接项目,在业界享誉颇高;但这个项目对他们仍极具挑战性。这条胶带是拼接而成的,总连续长度约为2895.6 m。整个团队夜以继日地施工了10多天才完成了这项胶带拼接工程。芬纳邓禄普输送带环球公司富有经验的团队技术人员承接了这项由专家独特设计的4级拼接设计的重大胶带拼搭工作。

这项胶带更换工程的不同之处在于安装新的胶带之前,需要把3个工段现有的胶带先拆走。因此,芬纳邓禄普输送带环球公司的高扭矩卷带机发挥了重要作用,如图4所示。这种卷带机与多组气动制动器一起协作,将新胶带拖拽至机架下方,以便在机尾接收最终的胶带拼接。

图4 高扭矩卷带机将胶带拖拽至机架下方

正是由于整个芬纳邓禄普公司团队的努力、专注以及对细节的关注,这个项目才得以安全和成功完成。“我们的客户要求一个解决方案,芬纳邓禄普公司就给他们提供了一个从旧胶带到新胶带的无缝转换,而且运输系统的正常运转并没有被中断。” 洛维兹指出,“在极其严苛的诉求和复杂的应用环境下,芬纳邓禄普输送带环球公司完成了北美地区强度最高胶带的设计、制造、交付和安装工作。而这条约2895.6 m长的胶带由多条胶带拼接和折叠而成。

(Coal Age, 2019, No.11, 15~19;刘德健编译)

The coal mine belt conveyer equipments with lower costs and stronger transport capacity in the USA

Steven Fiscor

Abstract Belt conveyers are the key link of underground mining operation, and also play a vital role in controlling costs and ensuring profits.The paper showed two application cases of belt conveyers from design philosophy, technology team, running process and other aspects in Illinois, USA.

Key words USA, belt conveyers,horizontal turning design, remote monitor, four class matching, high quality resistant material

中图分类号 TD52

文献标识码 A

引用格式:斯蒂夫·费思科.美国成本更低运力更强的煤矿带式输送设备[J].中国煤炭,2020,46(3): 105-108.

Steven Fiscor.The coal mine belt conveyer equipments with lower costs and stronger transport capacity in the USA[J].China Coal, 2020,46(3): 105-108.

作者简介:斯蒂夫·费思科,男,毕业于密苏里大学罗拉分校采矿工程专业并获得学士学位,发表过诸多关于矿业和矿物加工的文章。从事矿业媒体之前的近30年间,在科罗拉多一个矿业公司任项目工程师;现任环球矿业媒体集团(MMI)出版人和主编。E-mail: sfiscor@mining-media.com。

(责任编辑 张 梦)