一种托盘式固体物料垂直连续输送机的优化模型系统

摘要

本发明涉及一种固体投料系统与充填采煤方法相匹配的优化设计模型系统，它包括预测设计模型和实时设计模型两部分。预测设计模型是以系统安全运行为原则，通过优化驱动轮半径R、投料孔直径D、托盘间距L、钢丝绳直径d等参数而建立系统经济效益系数α的评价模块。实时设计模型是以评价模块为依据，以满足充填采煤速度为目标而建立的皮带机运输速度v

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体投料系统与充填采煤方法相匹配的优化设计模型系统，可适用于托盘式固体物料垂直连续输送机的开发领域中。

背景技术

煤炭资源仍是我国主要的支撑能源，随着我国国民经济的快速发展，位于煤炭下游的电力、钢铁、冶金等行业对煤炭的需求逐年加大，导致近年来煤炭开采速度加快，煤炭资源逐渐进入衰退期，使得我国大多数矿井不得不面对用传统技术无法开采的“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤开采的问题。

据统计，目前我国仅传统煤矿的生产矿井“三下”压煤就达137.9亿t，其中建筑物下压煤94.68亿t，占总压煤量的69％。几乎每一个矿井都有建筑物下压煤的问题，一般占矿井储量的10％-30％，有的高达40％。同时煤矿在生产中排放大量的矸石，传统的方式是直接堆放于地表，形成煤矿特有的地表特征“建筑物”——矸石山。据统计，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，已占用土地约1.5万公顷，而且堆积量每年还以1.5-2.0亿t的速度增加。煤矸石含有51.0％-65.0％的二氧化硫，16.0％-36.0％的三氧化铝。经过长时间的堆积，矸石山溢流水使地下水呈现高矿度化、高硬度，导致土壤盐碱化，使农作物减产甚至绝收。与此同时粉煤灰也是我国煤矿区自备电厂排量较大的工业废渣之一。目前，年排渣量已达3000万t。我国的能源工业稳步发展，发电能力年增长率为7.3％，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。粉煤灰含有多种对环境、人体有害的化学物质：二氧化硫、三氧化铝，氧化钙、氧化钾、氧化钠等碱性物质。粉煤灰中的硫占11.48％-31.14％，铝占6.40％-22.91％。各地堆积的粉煤灰占用了大量土地，流入地下水系、河流中影响水质，破坏生态环境及人体健康。

基于我国“三下”压煤的问题及固体废弃物任意排放带来的环境威胁问题，提出了固体废弃物充填综采技术。固体废弃物充填综采技术就是将地面矸石、粉煤灰、建筑废弃物等固体废弃物充填到采空区，将煤炭“置换”出来，既能减轻矿区开采沉陷程度，又能减少地面固体废弃物堆积及有害化学物质的释放。这是一种行之有效的集“减沉”与“减排”为一体的新型环境相容开采技术措施，也是绿色采矿技术体系的核心内容之一。但是如何将矸石、粉煤灰、建筑废弃物等固体废弃物安全高效并经济地从地面输送到距离地面几百米深的井下，进行采空区的充填，也是成为制约行业技术发展的主要因素之一。

发明内容

本发明的目的是设计一种固体投料系统与充填采煤方法相匹配的优化设计模型系统，以保证托盘式固体物料垂直连续输送机安全、高效地进行充填开采。

为实现上述目的，本发明采取以下手段：

1、一种托盘式固体物料垂直连续输送机与充填采煤方法相匹配的优化设计模型系统，它包括预测设计模型和实时设计模型两部分。其包括以下步骤：

1)进行煤矿生产现场调查及地质分析，得到煤矿生产调查资料；

2)根据煤矿最火充填采煤速度G_max，利用几何学关系、最大拉应力理论、运动学方程、质量守恒定律、能量守恒定律，以系统安全运行为原则，建立驱动轮半径R、投料孔直径D、托盘间距L、钢丝绳直径d等参数的预测设计模型。

3)以步骤2)为依据，以满足充填采煤速度为目标而建立皮带机运输速度v₁和托盘运行速度v₂相匹配关系。

2、如1所述的托盘式固体物料垂直连续输送机与充填采煤方法相匹配的优化设计模型系统，在执行步骤2)时，其包括以下步骤：

①据煤矿生产调查资料得到的最大设计充填采煤速度，可以求出皮带机运输速度v₁与最大设计充填采煤速度G_max的关系，皮带机运输速度v₁以下模型确定：

mv₁＝ρ_glhv₁＝G_max

式中：m为单位长度内固体充填物料的运输质量；l为皮带宽度；ρ_g为固体物料的密度；h为固体充填物料堆积起来的高度；G_max为固体物料的最大设计充填采煤速度。

②根据弹性力学圆盘匀速转动的应力公式，可以得到驱动轮的半径。驱动轮半径由以下模型确定：

σ_r＝(3+μ)ρω²R²/8≤[σ]_t/2

式中：σ_r为驱动轮的径向应力；μ为驱动轮材料的泊松比；ρ为驱动轮材料的密度；ω为驱动轮设计的最大转速；R为驱动轮的半径；[σ]_t为驱动轮材料的许用强度。

③根据井巷围岩应力状态公式，以1.03γZ或0.97γZ为影响边界，投料孔直径极限与驱动轮的关系模型：R＝3.5D，式中：D为投料孔直径。

④托盘运行速度v₂由以下模型确定：

$\left(\begin{array}{c}\pi D^2{\rho }_g{v}_2/4=G_{\max }\\ v_1/\left(v_{2}D\right)\le {\pi }^2/\left(12\mathrm{lh}\right)\end{array}\right)$

⑤为保证系统运行安全，托盘间距L由以下模型确定：

$\left(\begin{array}{c}{v}_1{L}_{\max }/\left(v_2{D}^2\right)\le \pi \left[\sigma \right]/\left(8\mathrm{mg}\right)\\ \bar{F}/2\ge \frac{\mathrm{gL}(2\left({\mathrm{mv}}_1\right)g+\sqrt{{\left({\mathrm{mv}}_1\right)}^2{g}^2+\left({\mathrm{mv}}_1\right)k({v_1}^2+{v_2}^2+2\mathrm{gL}+{2v}_2\sqrt{{v_2}^2+2\mathrm{gL}})}+\sqrt{{\left({\mathrm{mv}}_1\right)}^2{g}^2+\left({\mathrm{mv}}_1\right){{\mathrm{kv}}_1}^2})}{\sqrt{{v_2}^2+2\mathrm{gL}}-v_2}\end{array}\right)$

式中：L_max为最大托盘间距；L为托盘间距；是托盘的许用冲击力；k为托盘弹性系数。

⑥为保证系统运行安全，钢丝绳直径d由以下模型确定：

$\left(\begin{array}{c}{4v}_1{L}_{\max }m/\left(v_2\pi d^2\right)+4H{m}_t/\left(L_{\max }\pi d^2\right)+{\rho }_{\mathrm{gs}}H\le {\left[\sigma \right]}_g/\left(2g\right)\\ 4G_{\max }H/\left(\pi {\mathrm{dv}}_2\right)+4\bar{F}\left({\mathrm{\pi d}}^2\right)+H{m}_{t}g/L+{\rho }_{\mathrm{gs}}\mathrm{Hg}\le {\left[\sigma \right]}_{\mathrm{cg}}/2\end{array}\right)$

式中：[σ]_cg是钢丝绳的许用冲击应力；d为钢丝绳的直径；H为投料孔深度；ρ_gs为钢丝绳密度；m_t为托盘质量。

⑦评价系统各个参数的合理值，引入经济效益系数α，其定义如以下模型：

α＝P/S，P＝β₁D+2β₂H/L+2β₃H

式中：P为托盘式固体物料垂直连续输送机总造价；S为托盘式固体物料垂直连续输送机服务年限内充填开采出煤总量；β₁为投料孔掘进每米成本；β₂为单个托盘成本；β₃为每米钢丝绳成本。

3、如要求1或2所述的一种托盘式固体物料垂直连续输送机与充填采煤方法相匹配的优化设计模型系统，在执行步骤3)时，其中包括以下步骤：

①根据煤矿生产调查资料的地质特性以及生产实际情况，利用监测仪器实时记录托盘运行速度v₂；

②根据步骤2)中所述优化模型，确定实际充填采煤速度对应的皮带机运输速度v₁及托盘运行速度v₂：mv₁＝ρ_glhv₁＝G，πD²ρ_gv₂/4＝G。

③根据所得到的皮带机运输速度v₁及托盘运行速度v₂，调整投料系统的运行状态；当充填需求量发生变化时，再返回步骤②进行托盘运行速度v₂的匹配计算。

附图说明

图1是托盘式固体物料垂直连续输送机的结构示意图。

图2是托盘式固体物料垂直连续输送机的优化模型系统的流程示意图。

图中：1-皮带运输机，2-驱动轮，3-投料孔，4-托盘，5-钢丝绳，6-导向轮，皮带运输机速度v₁、托盘运行速度v₂、驱动轮半径R、投料孔直径D、托盘间距L、钢丝绳直径d。

具体实施方式

下面以我国某煤矿为例，对本发明进行进一步描述。该矿利用托盘式固体物料垂直连续输送机进行充填开采，充填采煤最大速度：G_max＝600t/h。

1、进行该矿的地质调查，根据调查资料对托盘式固体物料垂直连续输送机参数：皮带运输速度v₁、托盘运行速度v₂、驱动轮半径R、投料空直径D、托盘间距L、钢丝绳直径d进行优化设计。

2、预测设计：

1)、根据煤矿生产调查得到固体物料密度ρ_g＝2000kg/m³，固体充填物料堆积高度l＝10cm，皮带宽度d＝0.7m，利用模型：

ρlhv₁＝G_max

得到皮带机运输速度v₁＝1.2m/s。

2)、根据调查得到驱动轮材料参数，驱动轮材料泊松比μ＝0.31，材料密度ρ＝8000kg/m³，许用应力[σ]_t＝240MP，驱动轮最大转速n_max＝800r/min，利用模型：

σ_r＝(3+μ)ρω²R²/8≤[σ]_t/2，R＝3.5D

得到驱动轮半径R＝2.5m，投料孔直径D＝0.7m。

3)、根据井下工作面充填需求量要求，利用模型：

$\frac{1}{4}\pi D^2{\rho }_g{v}_2=G_{\max }$

得到托盘运行速度v₂＝2m/s。

4)、以系统运行安全为原则，在托盘许用冲击力托盘弹性系数k＝8064kg/cm前提下，利用模型：

$\bar{F}/2\ge \frac{\mathrm{gL}(2\left({\mathrm{mv}}_1\right)g+\sqrt{{\left({\mathrm{mv}}_1\right)}^2{g}^2+\left({\mathrm{mv}}_1\right)k({v_1}^2+{v_2}^2+2\mathrm{gL}+{2v}_2\sqrt{{v_2}^2+2\mathrm{gL}})}+\sqrt{{\left({\mathrm{mv}}_1\right)}^2{g}^2+\left({\mathrm{mv}}_1\right){{\mathrm{kv}}_1}^2})}{\sqrt{{v_2}^2+2\mathrm{gL}}-v_2}$

得到托盘间距L＝4.6m，经过验证L＝4.6m满足最大托盘间距v₁L_max/(v₂D²)≤π[σ]/(8mg)要求。

5)、为保证系统安全运行，在钢丝绳的许用冲击应力[σ]_cg＝1300MP，投料空深度H＝600m要求下，调查资料得到托盘质量m_t＝25kg，利用模型：

$4G_{\max }H/\left(\pi {\mathrm{dv}}_2\right)+4\bar{F}\left({\mathrm{\pi d}}^2\right)+{\mathrm{Hm}}_{t}g/L+{\rho }_{\mathrm{gs}}\mathrm{Hg}\le {\left[\sigma \right]}_{\mathrm{cg}}/2$

得到钢丝绳的直径d＝52mm。

6)、煤矿托盘式固体物料垂直连续输送机总造价P＝2300万元。该矿服务年限为10年，所以S＝G_max×24×365×10＝5.25×10⁷t，根据模型：

α＝P/S

得到经济效益系数α＝0.007。

3、实时设计：

根据预测设计所得到的皮带机运输速度v₁，托盘运行速度v₂，调整托盘式固体物料垂直输送机参数，并对托盘运行速度v₂进行实时监控，当充填需求量发生变化时，再返回步骤2进行托盘式固体物料垂直输送机得参数计算。