神东矿区柔模混凝土制备输送机组配套选型及应用研究.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定， 即研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为 西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导老师签名 万方数据 论文题目神东矿区柔模混凝土制备输送机组配套选型及应用研究 专 业机械工程 硕 士 生胡小刚 （签名） 指导教师郭 卫 （签名） 摘 要 煤炭作为世界的主要能源之一，在我国的能源结构中占有巨大的比重。随着我国煤 炭事业的不断发展， 沿空留巷技术作为一项新型煤炭开采技术被各个煤炭集团广泛采用。 而在实际的应用过程中，沿空留巷的巷旁充填混凝土制备及输送仍存在一定的问题，如 混凝土制备设备体积巨大、制备能力小，输送过程中混凝土不连续、易堵管等问题日益 突出，因此急需一种新型混凝土制备输送设备来解决这些问题。 本文在研究柔模混凝土沿空留巷支护工艺特点的基础上，分析了该工艺技术对柔模 混凝土沿空留巷施工设备的要求，确定了柔模混凝土制备输送机组的配套原则，提出了 一种能满足煤矿井下沿空留巷支护工艺的新型混凝土制备输送设备柔模混凝土制备 输送机组配套方案；针对该方案的地面干料搅拌和井下加水搅拌两个组成部分，确定了 混凝土地面制备系统和井下混凝土制备输送系统的构成，分别进行了地面制备设备和井 下混凝土制备输送设备的配套与选型，进行了主要参数的设计计算；对设备在使用工程 中的注意事项以及可能出现的问题及其接解决方式进行了讨论。 通过沿空留巷工业性实验表明，上湾煤矿 307 工作面柔模混凝土制备输送机组设备 配套合理，选型适当，能适应工作面回采速度，实现了混凝土的远距离输送，满足 307 工作面沿空留巷巷旁充填施工要求。取得了良好的充填效果，具有高效、安全、经济、 简便的特点。 关 键 词沿空留巷；柔模混凝土制备；混凝土制备输送机组 研究类型应用研究 万方数据 Subject The Matching Selection of Flexible work Concrete Man-ufacture and Transmission Unit in Shendong Mining Area Specialty Mechanical Engineering Name Hu Xiaogang Signature Instructor Guo Wei Signature He Haitao Signature ABSTRACT Coal is one of the main energy sources in the world which has a large proportio -n in our countrys energy structure. With the development of coal industry in our cou ntry, as a new coal mining technology, gob-side entry retaining is used in many coal c -ompany. In fact, beside the roadway along goal filling concrete preparation and transp ort, there are still some problems, such as huge volume of equipment, preparation of s mall capacity of concrete preparation, transport process in concrete discontinuous, easy blockage of pipeline and other issues have become increasingly prominent, so we need a new concrete preparation and conveying equipment to solve these problems. Based on the study of flexible work concrete foundation along the goal suppo -rting technological characteristic, analyzes the technology of flexible work concret e requirements along the left lane construction equipment, determine the matching princ iple of flexible work concrete preparation and conveying unit, a can meet the coal mine gob support technology the preparation of new concrete conveying equipment – flexible work concrete preparation and conveying unit supporting scheme; the sche me of the ground dry mixing and underground water mixing two parts, determined the concrete ground preparation system and preparation of underground concrete conveying system, are supporting the preparation and selection of ground and underground equip ment the preparation of concrete conveying equipment, design and calculation of the m ain parameters; the matters needing attention in the use of engineering equipment and possible problems and then solving way the discussion. Through along goaf left lane industrial experiment showed that Shangwan Coal Mi ne 307 work surface flexible work concrete preparation and conveying unit reason 万方数据 ably complete sets of equipment, selection of appropriate, can adapt to the working fac e mining speed, realize the concrete of long distance transportation and meet the 307 working face goaf roadway backfill construction requirements. Good filling effect is ob tained, which has the characteristics of high efficiency, safety, economy and simplicity. Keywords Gob-side Entry Retaining; Preparation of Flexible work Concrete; Con crete Preparation Transport Unit. Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 .......................................................................................................... 1 1.2 沿空留巷充填设备发展现状 ...................................................................................... 3 1.2.1 风力充填 ........................................................................................................... 3 1.2.2 高水材料充填 ................................................................................................... 4 1.2.3 端头钢模板支架及泵充填 ............................................................................... 4 1.2.4 柔模混凝土充填 ............................................................................................... 5 1.3 研究内容 ...................................................................................................................... 5 2 柔模混凝土沿空留巷支护工艺 ............................................................................................. 6 2.1 柔模混凝土沿空留巷技术 .......................................................................................... 6 2.2 沿空留巷巷道布置 ...................................................................................................... 7 2.3 沿空留巷巷道支护参数 .............................................................................................. 8 2.4 施工工艺及流程 ........................................................................................................ 12 2.5 柔模混凝土沿空留巷施工设备要求 ........................................................................ 13 2.6 本章小结 .................................................................................................................... 13 3 柔模混凝土制备输送机组配套方案 ................................................................................... 14 3.1 设备构成 .................................................................................................................... 14 3.2 配套原则 .................................................................................................................... 15 3.3 配套方案 .................................................................................................................... 16 3.4 系统参数确定 ............................................................................................................ 18 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 18 4 柔模混凝土制备输送机组设备选型 ................................................................................... 19 4.1 地面混凝土制备系统 ................................................................................................ 19 4.1.1 地面混凝土搅拌机 ......................................................................................... 19 4.1.2 混凝土配料机 ................................................................................................. 21 4.1.3 储料罐 ............................................................................................................. 21 4.2 井下混凝土制备输送系统 ........................................................................................ 22 4.2.1 矿用混凝土输送泵 ......................................................................................... 23 4.2.2 矿用混凝土搅拌机 ......................................................................................... 29 4.2.3 刮板式上料机 ................................................................................................. 33 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 II 4.3 运输系统 .................................................................................................................... 35 4.4 设备尺寸 .................................................................................................................... 36 4.5 本章小结 .................................................................................................................... 36 5 柔模混凝土制备输送机组现场试验 ................................................................................... 37 5.1 施工设备及布置 ........................................................................................................ 37 5.1.1 施工设备 ......................................................................................................... 37 5.1.2 施工设备布置 ................................................................................................. 38 5.2 设备安装与调试 ........................................................................................................ 38 5.2.1 刮板式上料机安装与调试 ............................................................................. 38 5.2.2 矿用混凝土搅拌机安装与调试 ..................................................................... 39 5.2.3 矿用混凝土输送泵安装与调试 ..................................................................... 40 5.3 生产辅助系统 ............................................................................................................ 40 5.3.1 供排水系统 ..................................................................................................... 40 5.3.2 供电及通讯系统 ............................................................................................. 41 5.3.3 通风系统 ......................................................................................................... 41 5.3.4 人员配置 ......................................................................................................... 42 5.4 质量控制与监测 ........................................................................................................ 42 5.4.1 施工过程及质量控制 ..................................................................................... 42 5.4.2 监测内容 ......................................................................................................... 43 5.4.3 监测结果分析 ................................................................................................. 44 5.5 本章小结 .................................................................................................................... 45 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 46 6.1 结论 ............................................................................................................................ 46 6.2 展望 ............................................................................................................................ 47 致 谢 .................................................................................................................................. 48 参考文献 .................................................................................................................................. 49 附 录 .................................................................................................................................. 51 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 煤炭是世界的主要能源之一，而我国一直以来都是以煤炭作为主要的发展能源，特 别是近年来，我国煤炭工业发展迅猛。由于我国的经济不断发展，煤炭行业的后续行业 （如运输业、电力、炼钢业等）对煤炭的需求量十分巨大，并且，随着时间的推移，这 个需求量还在进一步的增加。由此，为了适应市场需求，加大煤炭供应量，煤炭行业也 在大幅度增加煤炭开采量，煤炭开采速度一直在稳定加快，对于已开采的矿区，加紧开 采作业，同时也逐步勘探开发新的煤矿[1]。 我国煤炭资源储存量丰富， 但是煤炭的回采率却一直很低， 根据 2007 能源蓝皮书 显示，我国的煤炭回采率普遍不到 30左右，而在一些小型的煤矿以及一些设备较为落 后的矿井中，回采效率将更加低，而国际煤炭行业中，一些发达国家的回采率则平均为 60左右，更有些煤矿可达到 7080，与发达国家相比，我国的煤炭在开采过程中， 煤炭资源浪费较为严重。据相关人士估算，自建国以来到 2004 年，我国累计产煤量约为 370 亿吨，而其中的煤炭资源消耗量却超过 1000 亿吨，即至少有超过 630 亿吨的煤炭资 源在开采过程中被浪费，而被浪费的煤炭资源还可以保证我国至少 10 年的煤炭需求量[2 -4]。 据有关学者研究表示，我国的煤炭资源开采效率较低，主要是由于以下几个方面的 原因一是因为我国的煤炭储存情况较为复杂，矿井多为井工矿，其中含有较多的瓦斯 等有害气体，自然灾害较为严重，从客观上增加了煤炭回采的难度；二是因为我国现在 的煤炭企业对煤炭资源的重视程度不够，认为我国拥有着大量的煤炭资源，可以不加节 制的随意开发，同时一些小型煤矿开采条件不够，也随意乱采滥挖，使得煤炭资源浪费 问题更加严重[5]。 2011 年 6 月，在第二届全国采矿科学技术大会上，古德生院士发表讲话，他提出金 属矿业在未来发展过程中的三大主题绿色开采、深部开采以及智能化开采。虽然储 煤岩层一般都是层状岩体，岩层的移动破坏规律与金属矿井有所不同，但其发展方向是 一致的，即对生态环境的态度由原来的先破坏后治理逐步发展为在采矿的源头治理，尽 可能的做到对自然生态的少扰动，甚至于不扰动。传统的煤炭开采过程具有三个特点 高开采、低利用、高排放，针对这个特点，钱鸣高院士相应的提出一个新的开采理念， 即“低开采、高利用、低排放”，新型理念将资源利用与环境保护相协调，也为煤炭行 业未来的发展指明方向[7-8]。 无煤柱开采技术是在传统开采技术的基础上（留有适量的煤柱作为采空区支撑结 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 构），建立一个新的支护体系，通过支护结构代替原有的煤柱支护，将煤柱加以回收， 从而提高了煤炭资源的回采率，增加煤炭开采的安全性、提高煤炭回采效率，提高了煤 炭开采的经济效益，是一项较为先进的煤炭开采技术。通过对无煤柱开采技术的推广和 应用，对改善煤矿的生产环境、延长矿井使用寿命、提高了矿井的安全性能、提高煤炭 企业的经济效益等都有着很大的好处[9]。 沿空留巷技术是无煤柱开采技术中的一种，它是指在本工作面煤炭回采完毕后，对 运输机巷道以及回风巷道进行支护加固，在下一工作面进行回采工作时，可以重复利用 此巷道，这样既提高了每条巷道的利用效率，也减少了巷道掘进过程中的成本，应用效 果较好，具有良好的经济效益；沿空留巷技术适用于多种不同环境的煤矿环境，应用范 围较广[10]。 在目前常用的沿空留巷支护过程中，一般使用高水材料，混凝土材料作为沿空留巷 的巷旁充填材料。对于高水材料充填，其充填设备及系统已非常成熟、完善，但受充填 材料本身限制，致使沿空留巷支护结构强度较低，充填厚度较大，成本也较高；对于使 用混凝土材料作为充填材料的沿空留巷技术来说，混凝土原材料来源广泛，混凝土材料 强度高，充填厚度小，造价低廉，因此利用强度较高的混凝土墙做沿空留巷支护的承重 结构，是目前沿空留巷技术发展的一个重要趋势，但目前暂无非常成熟及完善的充填设 备系统与之相适应。其主要原因在于（1）受井下巷道设备布置限制，需要对充填用混 凝土进行远距离输送； （2） 收巷道断面限制， 混凝土制备及输送相关设备必须尺寸较小， 便于安装及运输； （3）混凝土制备输送相关设备需与工作面实际生产及矿井运输条件相 匹配。 在目前采用沿空留巷技术进行煤矿开采的，使用的比较多的是利用混凝土作为沿空 留巷巷旁充填的主要材料， 通过高强度混凝土材料进行巷旁支护， 拥有较好的支护效果。 在传统的混凝土沿空留巷支护工艺中，对于混凝土的制备和输送，主要有两种方式。一 种方式是在地面利用铲车和计量设备进行混凝土的准确计量和上料，将混凝土所需原材 料加入混凝土搅拌机中，进行搅拌，最后将搅拌好的混凝土拌合物通过预埋好的管道， 利用混凝土泵或自流的方式输送至井下巷道旁，对巷道进行支护工作。另一种充填方式 是将混凝土的所有原材料利用管道和地下矿车的方式输送至巷旁，在井下工作面进行混 凝土的混合和搅拌工作，再利用混凝土输送泵进行泵送支护。 这两种混凝土工艺均有各自的不足之处地面搅拌工艺虽然便捷，但是混凝土拌合 好后的输送过程比较困难，一般需要大型混凝土泵进行加压，既增加了能耗，同时若输 送距离过远、时间过长，混凝土容易凝结或离析；而井下搅拌支护工艺，由于井下空间 狭小，还需要布置管线、轨道和行人道等等，大型混凝土上料、搅拌和泵送设备难以在 井下施工，而且，一般的充填位置会随着煤炭开采的推进不断推进，此时，无论是人工 还是机械运输，移动大型搅拌和泵送设备都比较艰难。 万方数据 1 绪论 3 为解决上述混凝土的制备与输送问题，可将传统的混凝土搅拌和输送工艺分为两个 部分地面混凝土干料制备系统和井下混凝土混合搅拌以及泵送系统；首先在地面利用 铲车将混凝土干料按照一定比例混合， 再利用地面搅拌站进行搅拌， 之后通过运料车 （矿 车或无轨胶轮车）或预埋管路将混凝土干料输送至井下巷道旁，通过搅拌机将混凝土干 料和水混合并搅拌均匀，最后，利用高压混凝土泵将混凝土泵送至巷旁进行支护。与此 工艺相适应，本文提出一种新型混凝土制备输送机组。 柔模混凝土制备输送机组的提出， 改变了传统利用混凝土进行巷旁支护的工艺形式， 将原有沿空留巷中的原材料混合与加水搅拌分开，创新的将两个流程按照各自的特点放 在不同地点进行，有效解决了混凝土拌合物容易在远距离输送过程中凝结堵管的问题； 同时，改进后的混凝土上料机、搅拌机和输送泵相较于传统的混凝土设备，体积更小， 工作能力更强，设备配套性能增强；降低了劳动强度，实现机械化施工，也提高了施工 速度，具有良好的应用前景。 1.2 沿空留巷充填设备发展现状 沿空留巷技术研究工作，最早是在 1982 年，英国学者提出岩梁倾斜理论，这是沿空 留巷技术理论研究的开端，之后前苏联、德国、英国以及波兰等国家开始不断的深入研 究[11-13]，国外沿空留巷技术发展迅猛；至上个世纪 60 年代，德国煤矿开始使用低水材料 作为沿空留巷的支护结构，获得了较大的成功；之后英国采用矸石充填技术进行沿空留 巷并研发出一整套的矸石充填装置，实现沿空留巷的机械化施工。在我国沿空留巷技术 发展较国外晚， 上个世纪 80 年代以前， 主要是通过密集支柱和砌块等作为巷旁支护结构， 此种方法劳动强度大，机械化程度低；后来，沿空留巷机械化支护技术的研究工作不断 开展，20 世纪 90 年代，我国开始采用高水材料进行沿空留巷巷旁支护，并研发了一系 列的高水充填设备； 到 21 世纪初， 部分矿井开始尝试使用混凝土作为沿空留巷的巷旁支 护材料，由于混凝土材料易得，造价低廉，强度高，因此采用混凝土材料作为沿空留巷 巷旁支护结构逐步被煤炭企业接受并广泛应用，同时与之相适应的充填设备也不断被研 发出来。 1.2.1 风力充填 沿空留巷早期采用的风力充填设备主要有搅拌机、喷射机、输送管等构成。经过不 断的改进优化，目前风力充填系设备统主要由上料机构、螺旋给料机构和罗茨风机低压 风力输送机构组成，其中上料机构包括翻车机、电动滚筒、破碎机、耙装机、给料机。 沿空留巷早期风力充填材料有 水泥、煤矸石、HMI 激化剂，其中，水泥、煤矸石 质量配比为 13158785，HMI 激化剂掺量为水泥质量的 56，水灰比控制在 0.55 左右。充填时将 3 种充填材料分别装在搅拌机的 3 个料斗，然后将搅拌机供料阀按 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 比例自动供料搅拌后直接输入喷射机，接着喷射机借助风压通过管道将混合料输送到充 填点附近，最后在喷嘴处与压力水混合喷入荆芭片围起的草袋中。该种充填方式设备投 资少，系统简单，设备易于安装、操作与维修，工程量小; 但充填站粉尘大、管道磨损 严重、充填距离小一般不超过 180m ，充填能力小一般不超过 3m3/h ，且充填材料的 水灰比难以控制，充填体硬化后强度低一般 28d 后的抗压强度不超过 12MPa ，同时充 填时容易漏浆。 经过不断的改进与优化，目前风力充填材料多为混凝土，其主要材料有 水泥、砂、 石子等构成。其充填工艺为混凝土拌合料通过运输巷依次经过翻车机、给煤机、电动滚 筒、带式输送机将混凝土输送到混凝土料仓处，然后由耙装机耙入工作面上巷输送带式 输送机，在通过带式输送机末端的卸料斗输送的混凝土送入螺旋给料机中，将罗茨风机 与螺旋给料机尾部的送料管相连，通过持续、低压送风将混凝土在管道内吹送至木板围 起的充填区内。该种充填方式设备复杂，上料机构繁多，必须留设下巷，否则设备无处 放置，不具备推广性。 1.2.2 高水材料充填 在 20 世纪 80 年代，英国首先开始利用超高水材料进行巷旁支护工作。我国也是在 1985 年左右，由中国矿业大学首先开始超高水充填工业试验[21-28]。 沿空留巷高水材料充 填主要设备有储料仓、输送泵、输送管路、地面搅拌桶、井下混合器等。充填材料有 甲料、乙料 2 种质量比 11 配合使