井下鼠籠式選擇性煤矸分離裝備關鍵技術研究.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,并進行矸石的井下填充。根據煤和矸石的物理機械特性差異并結合已有井下煤矸分選設備的結構特點,提出一種新的井下煤矸分離設備—井下鼠籠式選擇性煤矸分離裝備。該設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合的方法

2、,對井下鼠籠式選擇性煤矸分離裝備的關鍵技術進行研究。
　　針對鼠籠式選擇性煤矸分離裝備的結構特點和破碎過程,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模型,以此為基礎,推導出煤矸顆粒沖擊破碎速度的理論表達式。該表達式為分離裝備結構參數及運動參數的選取提供了理論指導。
　　采用離散單元法進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合的方法對煤巖顆粒沖擊破碎機理進行了研究,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、破碎桿截面形狀參數對煤巖沖擊破碎行為的影響規(guī)律。研究結果表明: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關系,仿真結果與理論結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,揭示了滾筒數量、煤矸性質、滾筒結構參數、滾筒運動參數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,三滾筒結構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速,煤矸破碎率與自身所占比例成二次函數變化關系;在滾筒結構參數中,破碎桿桿徑對煤矸破碎效果影響較小,破碎桿數目對煤矸破碎率影響較顯著;煤矸破碎率與滾筒轉速成線性關系,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學模型,并通過正交實驗法對影響煤矸破碎率的相關因素進行了顯著性分析。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,滾筒內顆粒群的動力學行為及煤矸破碎率,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生的速度幅值較小,而上滾筒和下滾筒沖擊顆粒產生的速度幅值則較大;當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、桿長等幾何參數對破碎桿的固有頻