矸石充填采煤工艺及配套设备研究_张文海

第24卷第1期2007年03月

采矿与安全工程学报

JournalofMining&SafetyEngineeringVol.24No.1

󰀁

March2007

文章编号:1673󰀁3363(2007)01󰀁0079󰀁05

矸石充填采煤工艺及配套设备研究

张文海1,2,张吉雄3,赵计生2,魏树群2,巨󰀁锋3

(1.中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州󰀁221116;2.河北金牛股份有限公司邢东煤矿,河北邢台󰀁054000;3.中国矿业大学能源与安全工程学院,江苏徐州󰀁221116)

摘要:矸石充填采煤对充填巷内矸石运输设备有以下要求:矸石输送机在矸石充填过程中不断外移、机架不断拆除、皮带不断缩短、机尾卸矸点与矸石充填部搭接问题等.通过理论计算与分析,将现有DSP1010/650机头驱动式胶带输送机改造为机尾驱动式,并安设可伸缩带式输送机自动张紧装置;设计了矸石充填工艺,并在邢东矿井得到成功应用.试验表明:该配套设备不但完

全满足矸石充填采煤工艺系统对其性能要求,而且充填效率高、性能稳定、拉紧装置的可靠性强、运行良好,解决了矸石充填配套设备影响充填速度的问题.该项技术实现了矸石井下处理与建筑物下煤炭资源的充分利用.

关键词:矸石充填;充填巷;机尾驱动;自动张紧装置;矸石输送机;充填工艺中图分类号:TD823.9󰀁󰀁文献标识码:A

ResearchonWasteFillingTechnologyandItsMatching

EquipmentinCoalMining

ZHANGWen󰀁hai,ZHANGJi󰀁xiong,ZHAOJi󰀁sheng,WEIShu󰀁qun,JUFeng

1,2

3

2

2

3

(1.TheSchoolofInformationandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu221116,China;2.XingtaiCoalMine,HebeiJinniuEnergyGroupCo.Ltd.,Xingtai,Hebei054000,China;3.SchoolofMiningandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

Abstract:Whenthewastestowingtechniqueisusedincoalmining,thewasteconveyorhassomeproblemswhichare1)frequentmovementoftheconveyor,2)frequentdismountingofitsframe,3)continuousshorteningoftheconveyorbelt,and4)thejointbetweenthedischargeendoftheconveyorandthepositionwherethewastesfill.Aimingattheseproblems,theex󰀁istingDSP1010/650conveyorwhichwasofthehead󰀁drivingstylewastransformedintothetail󰀁drivingbasedontheoreticalcalculation,andanautomatictensiondevicewasinstalledforthetelescopicbeltconveyor.Inaddition,thewastefillingtechniquewasdesignedsuccessfullyap󰀁pliedinXingdongcoalmine.Theresultshowsthatthismatchingequipmentnotonlycanmeettherequirementforwastefillingtechniquebutalsoishighinfillingefficient,stableinperform󰀁ance,goodreliabilityinitstensiondevice,whichhaswellsolvedtheproblemofslowfillingre󰀁sultedfromtheoldmatchingequipment.Therefore,itiswidelyappliedinwastetreatingofcoalminesandthecoalminingunderbuildings.

Keywords:wastefilling;fillingroadway;tail󰀁driving;automatictenseequipment;wastecon󰀁veyor;fillingtechnology

收稿日期:20060919

基金项目:国家自然科学基金重大项目(50490273);国家杰出青年科学基金项目(50225414);中国矿业大学青年科研基金项目

(OA4453)

作者简介:张文海(1962󰀁),男,河南省内黄县人,高级工程师,从事采矿工程方面的研究.E󰀁mail:zhangwhai@sina.com󰀁󰀁Tel:0319󰀁3230568󰀁80

采矿与安全工程学报第24卷󰀁

󰀁󰀁煤炭生产中伴随着大量的固体废弃物矸石的排放,其传统的处理方式是由井下提至地表堆积,形成煤矿特有的地表特征󰀁建筑物󰀁矸石山.据不完全统计,目前全国历年累计堆放的煤矸石约45亿t,规模较大的矸石山有1600多座,占用土地约1.5万ha,而且堆积量每年还以1.5~2.0亿t的速度增加.排放矸石对人类的生存环境和条件带来很大的威胁与危害,主要表现在:侵占土地;污染环境;危害人类安全[1󰀁2].

此外,我国󰀁三下󰀁(建筑物下、铁路下、水体下)积压着大量的煤炭资源.据统计,目前我国仅统配煤矿的生产矿井󰀁三下󰀁压煤就达137.9亿t,其中建筑物下94.68亿t,占总压煤量的69%[3].

因此,如何解决建筑物等下煤炭资源回收和矸石(本文主要指来自井下岩石及煤󰀁岩巷道、硐室掘进所出矸石)的井下处理问题已成为煤矿开采的重大技术难题.本文以河北金牛能源股份有限责任公司邢东煤矿为例,研究利用矸石充填开采建筑物、工业广场煤柱的回采工艺及主要配套设备,以解决上述技术难题.

配;

4)为提高拆卸及回撤速度,应尽量减轻机头部位重量.

2󰀁机尾驱动式矸石输送机参数确定

2.1󰀁理论分析计算

机尾驱动式矸石输送机是在原胶带输送机基础上对其驱动方式进行全面改造,其参数确定主要包括带宽B,带速V,驱动滚筒的圆周力Fu,驱动滚筒所需功率NA,电动机所需功率N,分析计算如下[6󰀁10].

1)带宽B与带速V的确定

最佳带宽与带速有关.带宽大,以致整机加重、占地加宽、造价升高,但过分的提高带速,也会带来负面效应,如所需电机功率加大,运营费用也会提高.另外带宽的选择也与所运物料的最大块度有关系.

带速是影响电动机选择的重要因素之一,带速的正确选择与所运物料的种类有直接关系,也与带宽相互制约.一般根据煤矿的工作地质条件,参考一定的设计规范,通过输送机稳定性分析可取适合于该条件下的带宽和带速.

2)驱动滚筒的圆周力Fu

驱动滚筒的圆周力Fu计算见式(1)Fu=gfl[(2qB+qG)cos󰀁+qRO+qRU]+

qGLsin󰀁+Fs1+Fs2,

(1)

式中:g为重力加速度,9.81m/s2;f为模拟摩擦因数;L为输送机长度,m;qB为每米长输送带的质量,kg/m;qG为每米长输送物料的质量,kg/m;󰀁为输送机的工作倾角,(󰀁);qRO为承载分支托辊每米长旋转部分的质量,kg/m;qRU为回程分支托辊每米长旋转部分的质量,kg/m;Fs1为特种主要阻力,kN;Fs2特种附加阻力,kN.

3)驱动滚筒所需功率NA

驱动滚筒所需功率NA计算公式见式(2)

NA=

Fuv,1000

(2)

1󰀁机尾驱动式矸石输送机设计要求

矸石充填采煤是指利用矸石置换开采建筑物、工业广场煤柱,其开采方式为在煤柱中先掘进矸石充填巷进行采煤,然后依次对采出煤炭的巷道由内向外进行矸石充填.

在矸石充填过程中,矸石充填机的充填部随充填的进行,向充填巷外部退移.作为矸石充填的配套设备矸石输送机,应能随着充填部退移,通过自动调整或在简单的手动调整后,较快的恢复正常工作.而一般的输送机驱动方式属于机头驱动式,在生产中由于其体积及重量大,向后退移困难,严重影响矸石充填的速度与效率.因此,本文主要针对矸石充填采煤配套设备之一的机尾驱动式矸石输送机进行研究.

矸石输送机由胶带、托辊、驱动装置、机架、拉紧装置和清扫装置构成,其作为矸石充填采煤中的承担自充填巷入口至矸石充填迎头运输设备,根据其运行工作状态,应满足以下要求:

1)由于矸石硬度较大,对矸石输送机的选择应满足矸石强度的要求;

2)根据矸石充填机充填部回撤和转动的需要,矸石输送机的胶带应能适应充填部的跑偏;3)矸石输送机随自移充填部的退移而随时张紧,应通过拉紧装置实现卸矸点与充填部的恰当匹[4󰀁5]

式中󰀁v为输送带带速,m/s.

4)电动机所需功率N

电动机所需功率N计算公式见式(3)

N=

NAFu

=,󰀁m1000󰀁m

(3)

式中󰀁󰀁m为电机传动效率,一般取0.85~0.95.2.2󰀁设备参数确定

根据试验煤矿矸石充填采煤区域的采矿条件,选用DSP1010/650胶带输送机进行改造,其主要󰀁第1期张文海等:矸石充填采煤工艺及配套设备研究

81

改造部位如下:

1)改造驱动装置机头驱动为机尾驱动式.

2)安设SZL型可伸缩带式输送机自动张紧装置

[11]

3󰀁矸石充填采煤工艺设计

3.1󰀁试验区域的采矿地质条件

矸石充填采煤试验地点在邢东煤矿工业广场和先于村保护煤柱中.该区域位于-760大巷东侧,南邻主副暗斜井,北邻F21断层,东面是本煤矿深部采区.规划区南北平均长455m,东西平均宽680m,面积30.94万m.该区域煤层走向NW29󰀁~NE2󰀁,倾向NE,煤矿主采2#煤层平均厚度4.35m,倾角10󰀁,煤层赋存深度842~975m.区内构造简单,煤层赋存稳定.

3.2󰀁矸石充填工艺

矸石井下充填工艺设计,即充填方法的研究,是这项技术工程应用的关键.通过调研分析,确定矸石井下处理充填方案为:胶带输送机运输,矸石充填机充填.并通过邻近充填巷(距本填巷一侧15m的矸石充填巷)进行注浆加固.3.2.1󰀁矸石充填巷布置

设计矸石充填巷道沿煤层掘进,充填巷宽为5m,高为4.35m(同煤层厚度).矸石充填巷的布置如图1所示,其中,1,2,3,4󰀁为充填巷的位置与开掘顺序.

[1]

2

.SZL型可伸缩带式输送机自动拉紧装置

由液压泵、拉紧油缸、慢速绞车、隔爆电控箱、蓄能站及附件等组成,其工作原理为当胶带出现松弛、拉力随之降低时,张紧油缸与胶带之间的拉力失去了平衡,因此,在泵站和蓄能站的共同作用下,张紧油缸就迅速收缩,拉动游动小车移动,直到胶带重新张紧到设定的拉力状态.

改造后的DSP1010/650型胶带输送机带宽B为650mm,带速V取2.5m/s,代入式(1)~(3),得驱动滚筒的圆周力Fu为11kN,驱动滚筒所需功率NA为28kW,电动机所需功率N为31kW(DSP1010/650机头驱动式胶带输送机电机功率为40kW,可以满足要求).其主要性能指标见表1.

表1󰀁设备选型一览表Table1󰀁Alistofequipment

构件名称驱动装置运输带拉紧装置机架托辊清扫装置

设备性能指标

机尾驱动,电机功率为40kW

钢丝绳芯胶带,带宽650mm,带速2.5m/sSZL型可伸缩带式输送机自动张紧装置无螺栓连接的型钢机架钢管托辊

考虑矸石的黏度不大,选用刮板式清扫装置

图1󰀁矸石充填巷布置

Fig.1󰀁Layoutofthewastefillingroadway

3.2.2󰀁矸石充填工艺流程

经调研分析并结合现场,矸石井下充填工艺选用(或研制)以下设备各1台:矸石充填机(自行研制),TLL󰀁1/6推车机,FDBZ󰀁1/6翻车机,K3󰀁00A给煤机,DSP1010/650机尾驱动式矸石输送机.

充填工艺如下:矸石矿车经推车机推入翻车机,翻车机翻矸到矸石仓,由矸石仓下口入给料机,将矸石转载到充填配巷的运输机、充填巷机尾驱动式矸石输送机,然后运至充填机,由充填机充填到充填巷内.并在邻近充填巷(距本填巷一侧15m的矸石充填巷)内进行注浆强化加固,其工艺流程如

图2所示.

图2󰀁矸石充填工艺流程

Fig.2󰀁Processofwastefillingtechnique82

采矿与安全工程学报第24卷󰀁

3.2.3󰀁矸石充填巷充填工艺

机尾驱动式矸石输送机驱动部分位于机尾,固定于充填巷道的出口处,其机尾与矸石充填配巷输送机机尾搭接.该端接受来自矸石充填配巷的矸石,并通过矸石输送机运输到与充填机充填部衔接的卸载端,随着充填巷的充填,矸石输送机机头紧跟矸石充填机不断外移,其拉紧装置使矸石输送机的胶带收缩,使得矸石充填工作连续.矸石充填工作原理示意如图3所示.

2)矸石输送机驱动装置安置于机尾,增大了充填巷内的活动空间,减少了设备及工作人员的安全事故.安设了SZL型可伸缩带式输送机自动张紧装置,使矸石输送机胶带随充填部的后移自动张紧.

3)矸石输送机机头卸矸端较好的适应矸石充填机充填部的自动移动,消除了矸石输送机卸矸时矸石外漏现象,极大地提升了矸石运输的可靠性.

4)矸石充填工序简单,充填后密实性及接顶效果好,可对覆岩层有较好的控制作用.4.2󰀁经济效益分析

邢东煤矿进行矸石井下处理,消除了地表矸石山对人类生存环境和条件带来的威胁与危害,并取

1󰀁矸石充填配巷;2󰀁矸石充填巷;3󰀁机尾驱动式输送机;4󰀁矸石充填机;5󰀁充填矸石;6󰀁电机;7󰀁充填配巷胶带输送机

得了以下的经济效益(以邢东煤矿目前每年岩巷掘进出矸量4.0万t/a计):

1)矸石充填工程固定投入合计335.8万元;

2)每吨矸石井下处理费用14.3元/t,即每年矸石井下处理费用为57.2万元;

3)矸石充填所需掘充填巷出煤效益1594.7万元.

综上可知,矸石充填工程每年新增利税1594.7万元,创纯利润1537.5万元,取得了较好的经济效益.

图3󰀁矸石充填工作原理示意Fig.3󰀁Theprincipleofwastefilling

4󰀁工程应用

4.1󰀁应用效果

研制的矸石输送机在邢东煤矿进行了应用:井下实拍配套设备工作状态及充填巷迎头接顶情况,见图4.

5󰀁结󰀁论

1)针对决建筑物等下煤炭资源回收和矸石井下处理问题,提出了矸石充填采煤的研究思路,并成功应用于工程实践.

2)研制了机尾驱动式矸石输送机.其不但可满足矸石充填采煤工艺系统对其的性能要求,而且充填效率高、性能稳定、拉紧装置的可靠性高、运行良好,解决了矸石充填配套设备影响充填速度的问题.

3)设计了矸石充填采煤工艺.在调研分析的基础上,确定矸石井下处理充填方案为:胶带输送机运输,矸石充填机充填.并通过邻近充填巷(距本填巷一侧15m的矸石充填巷)进行注浆加固.参考文献:

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Fig.4󰀁Photosofunderground

ZHANGJi󰀁xiong,

MIAOXie󰀁xing.

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1)改造后机尾驱动式矸石输送机使工人的劳动强度低,其后撤速度快,日矸石最大处理量可达150m3.󰀁第1期张文海等:矸石充填采煤工艺及配套设备研究

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