工作面大块煤破碎的技术途径.docx

工作面大块煤破碎的技术途径1天地科技股份有限公司开采设计事业部 北京 1000132中国矿业大学 (北京) 机电与信息工程学院张德生1, 2，王国法1，范迅2，任怀伟1，侯刚1摘要：大采高工作面的大块落煤是影响开机率的重要因素，目前尚无适应综放工作面前后部大块的有效破碎装置。分析了水射流等非机械破岩方式，以及冲击破碎对大块煤的适应性，介绍了现有液压 锤、单辊冲击破碎机、液压冲击破碎机以及液压行走破碎机在井下大块破碎中的应用和局限性。在此 基础上指出便于移设、安全高效是工作面大块破碎装置发展方向，并提出了依靠工作面乳化液介质， 重载冲击的解决方案。关键词：大块煤； 破碎； 乳化液； 技术途径中图分类号：td451文献标志码：a文章编号：1001-3954(2012)07-0017-04technical methods of breaking large lump coal in mining faceszhang desheng1, 2，wang guofa1，fan xun2，ren huaiwei1，hou gang11coal mining & designing dept., tiandi science & technology co., ltd., beijing 100013, china2school of mechanical electronic & information engineering, china university of mining & technology (beijing)abstract：the large lump coal on the large mining-height working face is the important factor of influencingoperating ratio of equipments, and there are not suitable device to break the large lump coal on the fully- mechanized caving face at present. in the paper, adaptability of breaking large lump coal by non-mechanical rock breaking methods such as water jet as well as impact breaking was analyzed. the application and limitation of hydraulic hammer, single-roll impact crusher, hydraulic impact crusher and hydraulic walk breaking device to breaking of underground lump coal were introduced. it was pointed out that easiness of moving and mounting, safety and efficiency were development direction of lump coal crushing device. and a scheme of heavy load impact using emulsion liquid as power source was proposed.keywords：lump coal; breaking; emulsion liquid; technical way对 于硬度大、结构致密、整体性强、顶煤不易冒(停机后由矿工在运输槽帮上用锤或手持风镐进行破碎)，极大地影响了矿井的高效生产，同时存在安全隐 患。为减轻工人的劳动强度，提高作业效率，已有利 用冲击原理的机械破碎装置，对一次采全高工作面大 块煤进行破碎，如液压破碎防堵装置2 (转载点)、油 压锤头破碎装置3 (工作面) 和旋转锤头冲击式破碎机 4 (转载机头) 等，由于连续作业性差和体积庞大等原 因，上述设备均存在一定局限性，无法用于放顶煤后 部工作面。笔者通过分析比较破碎原理和现有的大块煤破碎 方式，探讨适宜大块煤破碎的有效技术途径，为工作 面大块煤破碎装置研发打下基础。落的煤层而言，随煤层厚度和矿压的增加，工作面煤壁片帮频繁，产生的大块煤直径甚至超过 1.5m1，阻碍采煤机的通过。对于特厚煤层放顶煤开采 而言，由于放煤高度较大，更易形成大块煤冒落，在 运输过程中碰坏支架尾梁千斤顶及管路，甚至压死后 部刮板输送机。大块煤经输送机运至煤流转载点时， 会卡在转载机入口或破碎机入料口处无法继续输送， 并对经过的煤流形成阻滞，导致系统停机。目前，工作面前部大块煤靠采煤机破碎滚筒进 行破碎，后部大块煤主要靠支架插板往复摆动破碎。 但仍有很多大块煤无法有效破碎，只能依赖人工处理基金项目：“十二五”863 高技术研究发展计划项目 (2012aa06a407)作者简介：张德生，男，1982 年生，博士后，主要研究方向为 矿山支护理论与装备。1破碎方式按破碎作业所消耗能量形式的不同，煤岩体的破17采掘本栏目编辑李文民fig. 2 process of breaking large lump coal by water cannon考虑到大块煤的特性，冲击破碎是最适宜的方破岩效果。试验表明6，在 100 l/ min 流量，调定压最常用的破碎方式是利用破碎头的强烈冲击作达 0.43 m。构两种。动力系统可置于远离工作点的位置，灵活性大，因此(rapid excavation and mining)，利用普通的武器或坦破碎。冲击破碎原理破岩。3现有工作面大块煤破碎装置果差。因此，应通过研究喷嘴布置方式、供水压力及采掘本栏目编辑李文民第 40 卷 2012 年第 7 期18碎方式可分为机械能破碎和非机械能破碎 (见图 1)。 首先钻一个孔 (见图 2(a)，然后高速投射一定量水到 机械破碎包括挤压、摩擦、剪切、冲击、劈裂和研磨 孔的底部 (见图 2(b)，钻孔底部返回的冲击波产生很 等，需要指出的是，任何一种机械破碎都不仅局限于 高的放射状压力，在钻孔内产生径向和轴向裂缝并 单一破碎方式。非机械能破碎指利用电能、热能、激 以极高的速度扩展 (见图 2(c)，最终将煤岩完全破碎 光和超声波破碎物料。 (见图 2(d)。由于水不可压缩，到达煤岩表面后立即失压，可有效避免大块煤破碎过程的崩溅。图 1 煤岩体破碎方式fig. 1 breaking methods of coal rock(a)(b) (c)(d)块煤属于脆性软物料，其抗压强度抗剪强度抗 图 2 水炮破碎大块煤过程拉强度1(0.250.50)(0.020.10)2，因此冲击和劈裂破碎是优选方式。考虑工作面隔爆等特殊条件及 水炮劈裂法的缺点是需要钻孔环节，连续作业性能量发生装置的布局，热力和电磁等非机械破碎方式 差，限制了其应用。应进一步研究煤的破碎机理，通有很大局限性。 过改进作业方式或提高水炮投射能量等措施，强化无孔条件下的破煤效果。2 大块煤破碎途径 2.2 机械破碎2.1非机械破碎式，具有能量集中和效率高的特点，对脆性的煤破碎 由于井下防爆等特殊要求和空间限制，在各种非效果较好。机械破碎方式中，水射流是相对合适的。 2.2.1 高频冲击2.1.1 射流切割 (外作用) 凿岩机是利用钢钎的高速冲击破碎矿物。当活塞水射流作用下煤岩体的破坏形式表现为沿着低强冲击钎杆的尾部时，钢钎内产生的应力以波的形式由度微元产生径向裂纹、锥状裂纹和横向裂纹并扩展， 钎尾向钎头传递，钎头应力波一部分进入矿石，一部属于拉应力作用下的脆性破坏。裂隙形成和汇交后， 分反射回来。当应力波产生的合力超过岩石破坏强度水射流将进入裂隙空间，在水楔作用下，裂隙尖端产 时，大块矿石便破碎。利用该原理，文献 8 提出了生拉应力集中，使裂隙迅速发展和扩大，致使煤岩体 一种地面大块矿石破碎装置，对矿车内的大块煤进行破碎。供水压力为 60 mpa 时，破岩深度可达 0.5 m5 破碎。该装置由操作部分、行走部分、伸缩部分和冲(试验煤块的弹性模量为 1 750 mpa，泊松比为 0.3， 击凿岩部分组成，安装在轨道旁，可以直接对装运在单轴抗压强度为 13 mpa)。 矿车里的大块煤进行破碎。值得注意的是，射流中加入磨料后，可显著提高2.2.2 冲击破碎力 30 mpa 下，对于 f3.54 的泥质灰岩，终止深度可用，将大块煤破碎。主要有旋转破碎机和冲击破碎机 在高压水射流作用下，煤岩体会发生破坏，而且美国国防部技术规划局组织研究的 ream 法 在对块度和时间要求不严格的前提下，可考虑水射流克炮发射混凝土弹头使岩石产生破碎，也是利用高速射流破煤的缺点是作用时间长，效率低，且对于 硬质及裂隙发育不完全的煤以切割方式为主，破碎效相对移动速度等因素，提高破煤效率和效果。 3.1 液压锤头冲击破碎装置32.1.2 水炮 (内作用)液压锤头冲击破碎装置结构如图 3 所示，回转机构 煤岩的抗拉强度远低于抗压强度，因此可利通过联接装置固定在底座上，由回转液压缸定位，升降用膨胀力从内部破碎煤体，以减小破碎能量需求。 液压缸根据块煤的大小调整锤头高度，锤头调整液压缸crac200 型碎石设备就是采用该原理进行工作的7。 通过锤头的连杆机构调整锤头的角度，使之能够正面有销排上行走，液压缸对大块煤进行破碎，可在中部槽内与采煤机保持同步行走。图 3液压破碎装置结构示意图 6 行走破碎装置fig. 4 flapping device for breaking large lump coal3.3单辊冲击破碎装置4现有解决方案，寻求便于移动，能够跟踪大块煤的高采掘本栏目编辑李文民第 40 卷 2012 年第 7 期效冲击大块煤。该装置已在河南煤化集团赵固矿采煤工3.4筛分破碎机作面中使用，减少了停机率和人工破煤作业。兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿针对放顶煤工作面冒落的矸石及顶煤块度较大，破碎不充分，大块 煤矸进入煤流增多，经常导致堵仓事故发生，影响矿 井正常生产的难题，将新型齿辊式筛分破碎机安装在 运输巷溜煤眼上口，小于 200 mm 的物料直接进入溜 煤眼，对大块矸石进行破碎，增大破碎能力，减少了 能量损耗。3.5 乳化液行走破碎装置9乳化液行走破碎装置如图 6 所示，由乳化液泵站 提供动力源，2 台液压马达通过传动链条驱动轮齿在1. 支架底座 2. 回转液压缸 3. 升降液压缸 4. 锤头调整液压缸5. 连杆 6. 锤头 7. 大块煤 8. 旋转臂 9. 支撑臂 10. 回转机构fig. 3 structural sketch of hydraulic breaking device3.2拍击破碎装置2破碎装置与转载机连为一体，包括机械和液压两 部分，机械部分主要由冲击液压缸、锤头组件及联接 固定架组成，结构如图 4 所示，锤头上布有截齿，提 高了破碎大煤块的能力和效率。只需将支架液压泵站 接入拍击破碎装置液压系统，通过操作手动换向阀，锤头上下拍击，对大块煤进行破碎。该装置已在山西1. 液压马达 2. 上位液压缸 3. 下位液压缸潞安集团潞宁煤矿 22105 大采高工作面进行了工业性fig. 6 walking breaking device试验。4 工作面大块煤破碎装置分析比较4.1 现有装置解决思路上述井下大块煤破碎解决方案从以下两点出发： 破碎装置固定，置于煤流系统之中，将移动的大 块煤破碎； 破碎装置可运动，破碎滞留或运动的 大块煤。固定式破碎装置主要解决转载机头拥堵和避免 转载破碎机卡料问题，只能保证转载破碎机处的通过 性，而无法从根本上解决大块煤卡堵问题。图 4 拍击大块破碎装置由于受工作面空间和动力源限制，以及破碎装置结构的局限性，现有装置适应性较差。因此，需突破锤头冲击破碎装置安装在转载机入口处上方，结效破碎方式。构如图 5 所示。高速旋转的破碎头给经过的大块煤一4.2方向和研究重点个强冲击力，将煤块破碎。该破碎装置已用于焦煤公根据工作面条件，利用工作面乳化液为动力，开司赵固二矿工作面。发冲击式 (体积紧凑)、高能量密度 (保证冲击效率)、可移动的大块煤破碎装置，对前后大块煤进行破碎。 有两种方案： 液压镐式反复冲击； 单次冲击。液压镐式反复冲击的后座力大 (无法手持，且对 固定基础影响大)，高频次冲击，对高水基介质适应 性差；单次冲击需要的冲击能量高，装置体积大。1. 电动机 2. 小带轮 3. 传动带 4. 大带轮 5. 破碎头 6. 壳体 针对上述情况，应开发出重载、低频次冲击破图 5 单辊冲击破碎装置碎装置，以克服高水基介质制约，利用高能量快速破fig. 5 single-roll impact breaking device碎。重点在对以下方面进行研究。19学，2010.5结语6 王晓川，卢义玉，康 勇，等. 磨料水射流切割岩体试验研究7 孙 牧. 大块岩 (矿) 石新型破碎装置 j. 煤矿机械，1983(3)：国专利：201110071347.1，2011-10-05. (修订日期：2012-04-11)1 李军霞，寇子明，王志刚. 基于大煤块的液压冲击破碎装置特采掘本栏目编辑李文民第 40 卷 2012 年第 7 期20基于 amesim 的乳化液泵 节能型检测系统仿真分析李一磊，邵杏国中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州 221116摘要：针对乳化液泵检测过程中能耗高、能源浪费严重的问题，提出了一种具有功率回收功能的新型 检测系统方案，介绍了该方案的工作原理，并通过软件仿真分析了该方案的可行性与功率回收性能。 仿真结果证明该系统满足检测标准的要求并可以高效地回收能量，较大程度地降低了能源消耗和装机 功率。关键词：乳化液泵；检测系统；功率回收；仿真分析中图分类号：th322 文献标志码：a 文章编号：1001-3954(2012)07-0020-05simulation analysis of energy-recovery test system for emulsion pump based on amesimli yilei，shao xingguoschool of mechatronic engineering, china university of mining & technology, xuzhou 221116, jiangsu, chinaabstract：the paper presented a novel test system for emulsion pump to solve the high energy consumption during testing for emulsion pumps, the test system had the function of recovering energy. it also introduced the working principle of the system, and analyzed the feasibility and energy recovery performance through基金项目：江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(cx