井下鼠籠式選擇性煤矸分離裝備關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、矸石是煤炭開采的伴生物,其在地面大量堆積形成矸石山,對人體健康和礦區(qū)環(huán)境均造成不利影響。如從根源上消除矸石排放和堆集造成的危害,其理想方法是在井下實現(xiàn)煤和矸石的分離,并進(jìn)行矸石的井下填充。根據(jù)煤和矸石的物理機(jī)械特性差異并結(jié)合已有井下煤矸分選設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點,提出一種新的井下煤矸分離設(shè)備—井下鼠籠式選擇性煤矸分離裝備。該設(shè)備對于煤和矸石的井下選擇性破碎分離,實現(xiàn)煤礦的綠色開采具有重要意義。為此,本論文采用理論分析、仿真與實驗研究相結(jié)合的方法

2、,對井下鼠籠式選擇性煤矸分離裝備的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。
　　針對鼠籠式選擇性煤矸分離裝備的結(jié)構(gòu)特點和破碎過程,基于赫茲理論和鐵摩辛柯理論,建立了煤矸顆粒之間、煤矸顆粒與破碎桿及煤矸顆粒與筒壁的接觸碰撞動力學(xué)模型,以此為基礎(chǔ),推導(dǎo)出煤矸顆粒沖擊破碎速度的理論表達(dá)式。該表達(dá)式為分離裝備結(jié)構(gòu)參數(shù)及運動參數(shù)的選取提供了理論指導(dǎo)。
　　采用離散單元法進(jìn)行了單顆粒煤巖材料的沖擊破碎行為仿真研究,建立了單顆粒煤巖材料沖擊破碎的離散元仿真模型

3、,并通過實驗驗證了模型的正確性;采用有限元和離散元相結(jié)合的方法對煤巖顆粒沖擊破碎機(jī)理進(jìn)行了研究,分析了沖擊速度對煤巖破碎形態(tài)的影響規(guī)律;利用單顆粒煤巖材料沖擊破碎離散元模型研究了煤巖特性參數(shù)、破碎桿截面形狀參數(shù)對煤巖沖擊破碎行為的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:煤巖沖擊破碎速度與材料抗壓強度、彈性模量和密度均成冪函數(shù)關(guān)系,仿真結(jié)果與理論結(jié)果具有較好的一致性,由此證明沖擊破碎速度理論公式的正確性;破碎桿截面形狀及參數(shù)對煤巖沖擊破碎速度及沖擊載荷也

4、有較顯著的影響,對于三角形破碎桿,煤巖沖擊破碎速度隨破碎桿截面角度的增加而減小,沖擊載荷隨截面角度的增加而增大;對于圓柱形破碎桿,煤巖沖擊破碎速度隨圓柱半徑的增大而減小,沖擊載荷隨圓柱半徑的增大而增大。
　　開展了選擇性煤矸分離的實驗研究,揭示了滾筒數(shù)量、煤矸性質(zhì)、滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)、滾筒運動參數(shù)及落料高度等因素對煤和矸石選擇性破碎效果的影響規(guī)律。研究表明,三滾筒結(jié)構(gòu)形式的分離裝備能較好的滿足煤和矸石的選擇性破碎分選要求;不同硬度煤和矸

5、石具有不同的最佳轉(zhuǎn)速,煤矸破碎率與自身所占比例成二次函數(shù)變化關(guān)系;在滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)中,破碎桿桿徑對煤矸破碎效果影響較小,破碎桿數(shù)目對煤矸破碎率影響較顯著;煤矸破碎率與滾筒轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系,其受落料高度的影響較小。
　　利用離散單元法開展了分離裝備內(nèi)顆粒群的動力行為研究。建立了煤巖顆粒與破碎桿的接觸數(shù)學(xué)模型,并通過正交實驗法對影響煤矸破碎率的相關(guān)因素進(jìn)行了顯著性分析。分析表明,單顆粒煤巖沖擊破碎桿時,滾筒轉(zhuǎn)速、破碎桿間距和入料口位置對破

6、碎率的影響較為顯著。采用離散元法研究了在不同滾筒、破碎桿間距及入料口位置情況下,滾筒內(nèi)顆粒群的動力學(xué)行為及煤矸破碎率,研究發(fā)現(xiàn):顆粒在分離裝備中的碰撞行為主要發(fā)生在破碎滾筒與分離裝備殼體之間的區(qū)域;中間滾筒沖擊顆粒產(chǎn)生的速度幅值較小,而上滾筒和下滾筒沖擊顆粒產(chǎn)生的速度幅值則較大;當(dāng)滾筒擁有六根破碎桿時,煤和矸石的選擇性破碎效果最佳。
　　對分離裝備滾筒上破碎桿的可靠性開展了仿真研究,分析了破碎桿桿徑、桿長等幾何參數(shù)對破碎桿的固有頻