基本信息
- 项目名称：
- 固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品能实现固体物料连续化运输，满足采煤工作面生产的需要，能提高充填采煤的工作效率。 提出了连续、安全、高效的固体物料充填采煤的运输技术； 能够高回收率地开采出“三下”压煤，并将地面固体物料充填于井下采空区，实现对岩层及地表移动变形的控制； 充分利用地面固体废弃物作充填材料，能减少地面固体废弃物堆积及有害化学物质的释放，是一种行之有效的集“节能”与“减排”为一体的新型环境相容采煤技术措施。
- 详细介绍：
- 现阶段，煤炭资源仍是我国主要的支撑能源，其中“三下”压煤储量较大，固体废弃物充填综采技术的目的是安全、高效、高回收率地开采出“三下”压煤，并将地面固体物料充填于井下采空区，实现对岩层及地表移动变形的控制。目前，国内外关于固体物料的运输技术中，采用固体物料投放系统直接从地面垂直投放的方式有系统简单、投料方便、运营成本低、日常维护量小的优点。而传统的垂直固体物料投放系统制造成本高、安全隐患较大，影响工作效率。因此，本文研究了一种能连续、安全、高效地将井上的固体物料输送到采煤工作面的固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统。 （1）通过研究固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统的结构原理，提出固体物料可行的输送方式。 （2）建立固体物料井上运输速度、托盘运行速度及投料孔直径大小三者之间合理的数学模型，并利用粒子群算法独有的速度、位置的记忆能力，求解出最优组合方案。 （3）基于固体物料的运动特征，建立托盘与固体物料相互作用的力学模型，得到合理的托盘间距，保证固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统对固体物料的高效运输。 （4）基于固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统的动力学特征，建立托盘及钢丝绳的振动力学模型，研究托盘、钢丝绳及驱动轮的振动特性，为改进系统结构特征，优化系统参数提供理论及数值依据。 （5）通过对固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统的应用模拟，对系统的经济效率、安全性能、采区沉陷进行计算检验，得固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统具备较好的经济效益和应用前景。 具有如下优点： （1）本作品提出了连续、安全、高效的固体物料充填采煤的运输技术。 （2）该垂直连续输送系统能实现固体物料的高自动化控制连续输送，设计输送的垂直距离达800m，输送能力达500t/h。 （3）本作品能够高回收率地开采 “三下”压煤，并将地面固体物料充填于井下采空区，实现对岩层移动及地表沉陷的控制。 （4）本作品充分利用地面固体物料（矸石、粉煤灰、建筑垃圾等）作为充填材料，能减少地面固体废弃物堆积及有害化学物质的释放，是充填采煤技术技术体系中一种行之有效的集“节能”与“减排”为一体的新型连续运输技术。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计发明目的： 针对国内外现有的固体物料充填采煤运输技术的不足，提出了固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统，该技术能连续、安全、高效地将井上的固体物料输送到采煤工作面，提高充填采煤的工作效率。 基本思路： （1）通过研究固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统的结构原理，提出固体物料可行的输送方式，为深入设计、研究系统的工艺、结构参数等提供依据； （2）通过对系统结构原理研究，建立固体物料井上运输速度、托盘运行速度和投料管直径之间合理的数学模型； （3）基于固体物料的运动特征，建立托盘与固体物料相互作用的力学模型，得到合理的托盘间距； （4）基于系统的动力学特征，建立托盘及钢丝绳的振动力学模型，研究托盘、钢丝绳及驱动轮的振动特性。 创新点、技术关键和主要技术指标： （1）该系统包括固体物料投放控制及运输装置、地面井架、驱动轮、投料管道、耐磨层、钢丝绳、改向轮以及托盘。该系统布置方式为地面设有固体物料投放控制及运输装置，驱动轮布置在地面井架之上，两投料管道从地面垂直对称布置至井下，投料管道内壁设置耐磨层，投料管道下方设置两个改向轮，改向轮与驱动轮通过钢丝绳连接，托盘等间距地安放在钢丝绳上，承载在托盘上的固体物料随托盘垂直运输至井下。 （2）在输送过程中，根据固体物料的运动特征，由第一应力强度理论和托盘的材料属性调整合理的托盘间距，根据系统的动力学特征，由振动力学和有限单元法，检修托盘、钢丝绳及驱动轮由于振动造成的破坏，实现固体物料的连续、安全、高效运输。
科学性、先进性
- 固体物料充填采煤就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采空区，达到控制岩层运动及地表沉陷的目的。 本作品展示的固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统能够实现固体物料连续化运输，满足工作面生产的需要，其结构简单，实施方便，省时省力，高效安全，已经成为固体物料充填采煤运输技术的首选。 同时本项目采用现场调查、实验室试验、理论分析、数值仿真相结合的研究方法对固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统进行系统研究工作。采用理论—数值仿真—实验结合的方法，设计并优化系统的模型，提高其效率及安全性。 通过研究固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统的结构原理，提出固体物料可行的输送方式； 研究固体物料井上运输速度、托盘运行速度及投料孔直径大小三者之间合理的数学模型； 基于固体废弃物的运动特征建立托盘与固体废弃物相互作用的力学模型，运用理论计算、数值模拟和现场实验的方法得到合理的托盘间距； 应用振动力学和有限单元法，研究系统振动特性，为提高系统安全性提供理论依据。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品所研制的实体模型已于2010年10月5日在江苏省江阴市宝华机械有限公司举行启动仪式，并已进入工艺性试验验证阶段。【见附录1】 中试阶段的部分成果已得到江阴市宝华机械有限公司的认证。【见附录2】 在教育部科技查新工作站（G04）完成科技查新，结果为：在国内外公开发表的文献中，未见有与本课题“固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统”查新点综合研究内容完全相同的研究报道。【见附录4】 研究论文《Forecasting of the Fatigue Life of Metal Weld Joints Based on Combined Genetic Neural Network》发表于国际期刊《Key Engineering Materials》，已被EI-Compendex收录。【见附录5】 研究论文《A Robust Design of SD-PID and BP-PID Simulated Control Model for Brake Designing》发表于国际期刊《Applied Mechanics and Materials》，已被EI-Compendex收录。【见附录5】 研究论文《A Particle Swarm Optimization Based Grey Forecast Model of Underground Pressure for Working Surface》发表于国际期刊《Electronic Journal of Geotechnical Engineering》。【见附录5】
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 有偿技术转让
作品可展示的形式
- 模型、现场演示、图片。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品工作特征：由地面控制台控制驱动轮运转，井上运输装置将固体充填材料运输到投料孔，固体物料下落到托盘上，由钢丝绳带动托盘向下运输，井下通过导向轮使托盘倾斜，固体物料滑落到井下固体物料运输装置，空的托盘由钢丝绳驱动通过另一侧管道上升到井上，空的托盘通过驱动轮后，进行下一循环的固体物料输送工作。 技术特点和优势： 本作品首次实现了固体物料充填的连续、安全和高效化运输。同时对系统进行了优化，建立了固体物料井上运输速度、托盘运行速度及投料孔直径大小三者之间合理的数学模型；采用ANSYS数值计算软件模拟出托盘的合理间距；研究了托盘、钢丝绳及驱动轮的振动特性，为系统相关参数的合理选取提供理论依据。 该系统其结构简单，实施方便，高效安全，是“综合机械化固体物料充填采煤技术”的核心内容之一。 适应范围及推广前景： 本作品解决了将固体物料安全、高效、经济地从地面运输到距离地面几百米的井下，进行采空区充填的一大难题，实现了“三下”压煤规模性开采，已经成为煤矿充填采煤行业技术发展的主流方向。
同类课题研究水平概述
- 目前，我国煤炭资源正趋于枯竭，多数煤矿已经进入了开采“三下”压煤的阶段，在复杂的自然环境下，“沉陷”和“环境污染”一直制约着“三下”采煤技术的发展。针对“三下”压煤开采存在的问题，充填采煤技术应运而生，它能控制地表下沉，且能避免煤矸石等固体废料对环境的污染。因此，充填采煤得到了越来越广泛的应用。为了提高充填采煤的效率，国内外正在寻求一种将固体物料安全、高效地从井上运输至井下的方法。 国内外各煤矿根据充填需求和煤矿条件，采用不同的固体充填运输方式。目前主要的固体充填运输方式有：（1）用矿车等机械直接运输固体废弃物至充填采空区。此运输方式操作复杂，且投入成本较高，工作量巨大。（2）水力管道运输方式：用水力管道输送选厂尾砂、山砂、碎石等充填采空区。其日常维护量大，运营成本高；水流速度难以控制；管口部分地段顶板容易进水，造成固体材料湿度大，影响输送。（3）风井胶带运输方式：在已有的进风井布设胶带输送机，用其运输固体物料至井下。其日常维护量大，运营成本高；风流难以控制。（4）利用矿井辅助提升系统进行运输。对矿井的辅助提升造成很大的压力，并且将运输系统变得更加复杂。（5）新掘进一条斜井，采用胶带输送机实现固体物料连续化运输。其掘进斜井及后期维护费用大幅增加，增加了煤炭的开采成本。（6）采用固体物料投放系统：将地面固体物料运输至井上投料口，通过投料钻孔投放到井下，并采用胶带输送机将其运送到充填采煤工作面。该方法将固体物料直接投放到深达几百米的井下，对设备的冲击较大，对关键设备的要求较高，使制造成本偏高。由于系统存在的安全隐患、对设备的损坏势必会降低工作效率。 针对国内外固体物料运输技术的不足，提出了固体物料充填采煤的托盘式垂直连续输送系统，包括固体物料投放控制及运输装置、地面井架、驱动轮、投料管道、耐磨层、钢丝绳、改向轮以及托盘。该系统布置方式为地面设有固体物料投放控制及运输装置，驱动轮布置在地面井架之上，两投料管道从地面垂直对称布置至井下，投料管道内壁设置耐磨层，投料管道下方设置两个改向轮，改向轮与驱动轮通过钢丝绳连接，托盘等间距地安放在钢丝绳上，承载在托盘上的固体物料随托盘垂直运输至井下，以优化设计、冲击动力学、振动原理为基础，对系统进行全局设计，达到连续、安全、高效地将井上的固体物料输送到工作面，提高充填采煤的工作效率的目的。
