煤矿充填开采工作面机电设备配套技术研究.pdf

分类号分类号 TD403密密级级公公开开 U D CU D C622.2单位代码单位代码 10424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 煤煤矿矿充充填填开开采采工工作作面面机机电电设设备备 配配套套技技术术研研究究 孙云鲁孙云鲁 申申请请学学位位级级别别工程硕士工程硕士领领域域名名称称机械工程机械工程 指指导导教教师师姓姓名名曹曹 连连 民民职职称称副副 教教 授授 副副指指导导教教师师姓姓名名吴吴 继继 鲁鲁职职称称高高级级工工程程师师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一七年二〇一七年五五月月 万方数据 论文题目论文题目 煤矿充填开采工作面机电设备煤矿充填开采工作面机电设备 配套技术研究配套技术研究 作者姓名作者姓名 孙孙 云云 鲁鲁入学时间入学时间2014 年年 9 月月 领域领域名称名称 机械工程机械工程研究方向研究方向矿矿山山装装备备与与智智能能控控制制 指导教师指导教师 曹曹 连连 民民职职称称 副副 教教 授授 副指导教师副指导教师 吴吴 继继 鲁鲁职职称称高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2017 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 5 月月 26 日日 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 RESEARCH ON MECHANICALAND ELECTRICAL EQUIPMENT MATCHING TECHNOLOGY IN COAL MINE FILLING MINING FACE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Sun Yunlu Supervisor Associate ProfessorCao Lianmin College of Mechanical and Electronic Engineering May 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名导师签名导师签名 日日期期日日期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生在规定的学习年限内在规定的学习年限内，， 按照培养方案及个人培养计划按照培养方案及个人培养计划，， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 内蒙长城煤矿煤炭资源丰富、煤层地质赋存条件简单，采用传统后退式非 充填综采工艺技术会加剧该地地表沉陷、破坏地表稀疏的牧草及脆弱的生态环 境。对此本文针对内蒙长城煤矿工况条件提出矸石充填开采技术，对其工作面 机电设备进行配套技术研究，通过分析矿区绿色高效集约化开采方式，为绿色 采煤发展提供借鉴意义。 本文首先对内蒙矿区煤层地质赋存条件分析，进行了充填开采工作面机电 设备总体配套方案研究，应用机电设备配套原则进行采煤机、刮板输送机、充 填液压支架和充填刮板输送机之间的生产能力和结构配套技术研究。其次，应 用SolidWorks软件对充填液压支架关键零部件进行结构设计， 并应用Workbench 软件对整机进行不同工况下静力学分析；利用 AMESim 液压仿真软件对充填液 压支架立柱、推移千斤顶、尾梁千斤顶主要控制回路进行速度、加速度、位移、 压力等参数仿真分析；同时对充填液压支架大型结构件、机械加工件进行制造 工艺技术研究。再次，通过对充填刮板输送机起动特性研究找到适合该工况的 软起动方式；利用优化对比方法对充填刮板输送机进行物料卸落的最佳卸料孔 形状、间距分析；为实现高效采煤和良好矸石填充效果，制定适应双向割煤的 物料充填工艺。最后对机电设备配套技术进行工程应用效果分析，主要对生产 系统及设备布置情况，整体配套应用效果及主要设备优化改进进行分析。 论文根据充采面工况制定了机电设备配套方案；通过结构设计、力学分析、 制造工艺研究提高了充填支架结构可靠性，通过液控回路仿真验证了充填支架 液压系统设计合理性；通过对充填刮板输送机软起动分析、卸料孔优化设计以 及物料充填工艺研究提高了矸石充填效率。论文研究可实现充填开采工作面机 电设备合理配套以及采煤和矸石充填的高产高效；可解决地表塌陷问题，为建 设绿色矿区提供技术支持。 关键词关键词机电设备，充填液压支架，有限元分析，液压系统仿真，充填刮 板输送机 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 II ABSTRACT Inner Mongolia Great Wall coal is rich in coal resources, coal geological conditions are simple, the use of traditional non-filling fully mechanized mining technology will aggravate the surface subsidence, destruction of the surface sparse grass and fragile ecological environment.In this paper, the paper puts forward the technical research on the mechanical and electrical equipment of the working face of Inner Mongolia Great Wall coal mine condition, and provides the reference for the development of green coal mining by analyzing the green and efficient intensive mining mode. This paper firstly analyses the geological conditions of coal seams in Inner Mongolia mining area, studied the filling coal mining face of electromechanical equipment overall matching scheme of production capacity and structure matching technology between shearer, scraper conveyor, Filling the hydraulic support and filling scraper conveyor between the production capacity and structural support technology research.Secondly, the application of SolidWorks software to the design of the key components of the hydraulic support, and the application of Workbench software to the machine under different conditions of static analysis.Using AMESim hydraulic simulation software for filling hydraulic support column , pushing jack, a tail beam jack main control loop for speed, acceleration, displacement, pressure and other parameters on the filling simulation. At the same time on the filling of hydraulic support large structural parts, machined parts manufacturing technology research.Thirdly, the soft start mode suitable for the condition is found by studying the starting characteristics of the scraper conveyor.Using the optimization to fill the scraper conveyor for material unloading the best discharge hole shape, spacing analysis.In order to achieve efficient coal mining and good waste rock filling effect, to develop two-way cutting coal material filling process.Finally, the analysis of the application effect of mechanical and electrical equipment supporting technology is carried out, mainly on the production system and equipment layout, the overall supporting application effect and the main equipment optimization and improvement analysis. According to the working conditions of coal mining, the paper puts forward the supporting scheme of electromechanical equipment. Through structure design, 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 III mechanical analysis, study on the manufacturing process to improve the reliability of filling support structure. Through the rationality of hydraulic system design of filling support is verified by the simulation of hydraulic control loop. Through the filling of scraper conveyor soft start analysis, design and optimization of the material discharging hole filling technology research has improved gangue filling efficiency. This paper studies the reasonable matching of mechanical and electrical equipment and the high yield and high efficiency of coal mining and gangue filling, which can solve the problem of surface subsidence and provide technical support for the construction of green mining area. Keywords Electromechanical equipment, filling hydraulic support, finite element analysis, hydraulic system simulation, filling scraper conveyor 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 目目录录 1 1绪绪 论论....................................................................................................1 1 1.1研究背景..............................................................................................................1 1.2国内外研究现状与趋势......................................................................................2 1.3研究目的及意义..................................................................................................7 1.4研究内容..............................................................................................................7 2 2煤矿充填煤矿充填开采开采工作面机电工作面机电设备设备配套技术方案研究配套技术方案研究.........................9 9 2.1充填开采工作面赋存条件分析及总体方案设计..............................................9 2.2充填开采工作面关键机电设备配套技术研究................................................12 2.3本章小结............................................................................................................21 3 3煤矿充填开采工作面液压支架关键技术研究煤矿充填开采工作面液压支架关键技术研究...............................2222 3.1煤矿充填开采工作面充填液压支架技术研究................................................22 3.2煤矿充填开采工作面充填液压支架液控系统分析........................................36 3.3煤矿充填开采工作面充填液压支架制造工艺研究........................................44 3.4本章小结............................................................................................................49 4 4煤矿充填开采工作面充填刮板输送机技术研究煤矿充填开采工作面充填刮板输送机技术研究...........................5151 4.1煤矿充填开采工作面充填刮板输送机起动特性研究....................................51 4.2充填刮板输送机优化设计研究........................................................................54 4.3煤矿充填开采工作面充采工艺技术研究........................................................60 4.4本章小结............................................................................................................64 5 5煤矿充填开采工作面机电设备配套技术应用研究煤矿充填开采工作面机电设备配套技术应用研究.......................6565 5.1充采面生产系统及设备布置情况分析............................................................65 5.2充填开采工作面机电配套技术应用分析........................................................68 5.3充采工作面机电配套设备优化分析................................................................73 5.4本章小结............................................................................................................74 6 6结论与展望结论与展望........................................................................................7575 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 6.1主要结论............................................................................................................75 6.2工作展望............................................................................................................76 参考文献参考文献..................................................................................................7777 致谢致谢.......................................................................................................... 8080 攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况.........................................8181 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VI Contents 1Introduction...........................................................................................................1 1.1Research background................................................................................................................1 1.2Research status and trend at home and abroad.........................................................................2 1.3Research purpose and significance...........................................................................................7 1.4Research contents.....................................................................................................................7 2Research on mechanical and electrical equipment matching technology of coal mine filling mining face......................................................................................9 2.1Analysis on occurrence conditions of the mining face and design of the overall scheme...... 9 2.2Research on the key technologies of the mechanical and electrical equipment in the backfill mining face...................................................................................................................................... 12 2.3Summary.................................................................................................................................21 3Research on key technology of hydraulic support in coal mining face..........22 3.1Research on filling hydraulic support in coal mining face....................................................22 3.2Analysis of hydraulic control system for filling hydraulic support in coal mining face.......36 3.3Study on the manufacturing technology of filling hydraulic support in coal mining face....44 3.4Summary.................................................................................................................................49 4Research on the key technology of the filling scraper conveyor in coal mining face..............................................................................................................................51 4.1Study on the starting characteristics of the filling scraper conveyor in coal mining face.....51 4.2Study on the optimization design of filling scraper conveyor...............................................54 4.3Study on filling and mining technology of coal mining face.................................................60 4.4Summary.................................................................................................................................64 5Research on the application of mechanical and electrical equipment in coal mining face.................................................................................................................65 5.1Analysis on the production system and equipment layout of filling face..............................65 5.2Application and analysis of mechanical and electrical matching technology in filling mining 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VII face...................................................................................................................................................68 5.3Optimization analysis mechanical and electrical equipment for charging and mining face.73 5.4Summary.................................................................................................................................74 6Conclusion and Prospect....................................................................................75 6.1Main conclusions....................................................................................................................75 6.2Job prospects...........................................................................................................................76 Reference Documents............................................................................................... 77 Thanks........................................................................................................................80 Main WorkAchievement of theAuthor during Working on Master Paper........81 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1绪绪 论论 1.1研究背景研究背景 目前，国内经济快速发展对能源需求量越来越大，而煤炭是能源生产和消 费主要构成部分，在相当长时间内这一现状不会改变。随着采煤力度不断增大， 导致国内煤矿在开采时越来越多的涉及“三下”压煤问题。据相关统计，国内 现有压煤总量约137.9亿 t，其 69为建筑压煤，而且统计显示几乎每一矿区都 存在村庄压煤问题[1]。 综采机械化设备使矿区采煤力度不断增大，造成周边生态环境被破坏，尤 其是地表沉陷问题越来越突出。根据有关调查，国内矿区采煤过后引起土地塌 陷每万吨平均约为 0.10.2hm2，一年仅因煤炭开采就可造成高达 2.667 万 hm2 的采空区地表塌陷，给矿区环境综合治理带来难题[2-4]。另外，煤炭高产高效开 采必然会排放煤矸石，通过从井下运至地表堆积产生矿井专有的矸石山。国内 因采煤产生的煤矸石约 45 亿 t，造成大量土地被压，而总量每年仍以 1.52.0 亿 t 速率增长[5]。如果不改变传统粗放式采煤方式，使煤矸石在地面堆积造成地表 植被破坏，水、空气污染，进而造成周边生态失衡。为解决上述诸多问题，实 现节能化资源开采，必须采用新型采煤工艺技术并向资源节约型方式发展，因 此本文对充填开采新工艺进行技术研究，并在矸石充填开采之上对充填开采工 作面机电设备配套技术研究，对提高矿区生产效率、抑制地表下沉有重要意义。 目前，充填采煤是矿区实现绿色采煤最好方法，而如何实现充填开采时矸 石不升井、减小地表下沉量是工作面机电设备配套急需解决问题。对此本文针 对长城矿区工况条件，进行该充填开采工作面机电设备配套技术研究，在保证 地表建筑物安全以及维持矿区生态平衡的前提下实现充填开采工作面的高产高 效、绿色开采。实现矿区周边环境平衡、综合利用煤矸石以及实现工作面机电 设备合理配套已变成许多矿企亟待处理的重要问题，因此本文开展煤矿充填工 作面机电设备配套技术研究对充填采煤技术的发展和提高资源综合利用率具有 重大的现实意义。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 1.2国内外研究现状国内外研究现状与趋势与趋势 1.2.1国内外充填采煤国内外充填采煤技术技术研究现状与趋势研究现状与趋势 充填采煤方法是一种将地面洗选矸石、井下掘进面产生矸石废弃物等运至 采空区充填，并利用充填物料抑制采空区岩层移动、地表下沉的围岩控制技术。 充填采煤法有多种分类方式依传递动力主要有风力、水力、机械和矸石自溜 等类型；按物料类型有干式、胶结、膏体和煤矸石等充填采煤法[6-7]。 1 国外充填采煤技术研究现状 国外对充填开采技术研究较早，最初是对北莱尔矿进行废石填充采区，主 要以解决固体废弃物为目的。随后充填采煤在德国以及波兰等欧洲国家逐渐开 始传播，尤其是近 60 年内国外充采技术研究应用取得明显发展，总体而言其研 究可分为以下几个阶段[8-10]。 最初进行研究的废石干式充填法，将地表矸石填充井下、尽量减少地表堆 积为主要目的。但是受当时技术影响，该方法的充填效率低且工人的作业强度 大，逐渐不能适应采矿工业及现代矿井建设要求。之后该种充填方式在应用中 所占比例越来越低，慢慢被先进充填工艺所取代。 其次是 19401950 年进行的水砂充填研究。该充填方法在最初阶段一度被 认为是解决矿区地表下沉、保护地上构件的有效技术，且在一段时间内被广泛 推广。但是后来发现其泌水性高，长时间内支撑效果不理想，也是逐步被取代。 再次是 19601970 年对低浓度尾砂胶结填充方法研究。该方法是在第二代 非胶结水砂充填体自立能力差，很难满足对回采率和地表下沉控制率要求高的 矿区使用需求的情况开始研究的。通过应用低浓度尾砂胶结充填技术，能够提 高工作面采煤效率，对采空区实现良好支撑。 最后是在 2