一种托盘式固体物料垂直连续输送机的优化模型系统.pdf

1、10申请公布号CN102094676A43申请公布日20110615CN102094676ACN102094676A21申请号201010584761822申请日20101207E21F15/0020060171申请人中国矿业大学地址221116江苏省徐州市三环南路中国矿业大学72发明人马丹刘少杰彭岩张强邓雪杰安百富54发明名称一种托盘式固体物料垂直连续输送机的优化模型系统57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

2、统经济效益系数的评价模块。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V1和托盘运行速度V2相匹配的绩效模块。通过以预测设计模型与实时设计模型相结合的模型系统对托盘式固体物料垂直连续输送机的优化设计，实现了托盘式固体物料垂直连续输送机的安全、高效运行。本发明设计直观、便捷、准确，可适用于托盘式固体物料垂直连续输送机的开发领域中。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图2页CN102094682A1/1页21适用于优化模型系统的托盘式固体物料垂直连续输送机，其结构包括皮带运输机1、驱动轮2、投料孔3、托盘4、钢丝

3、绳5、导向轮6，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是优化模型系统的关联因子。2根据权利要求1所述，优化模型系统包括预测设计模型和实时设计模型两部分。3根据权利要求2所述，预测设计模型的特征在于根据煤矿最大充填采煤速度GMAX，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式中R为驱动轮的径向应力；为驱动轮材料的泊松比；为驱动轮材料的密度；GMAX为最大充填采煤速度；H为固体充填物料堆积高度；L为皮带宽度；G为固体物料

4、密度；为驱动轮设计的最大转速；T为驱动轮材料的许用应力；LMAX为最大托盘间距；是托盘的许用冲击力；G为重力加速度；CG是钢丝绳的许用冲击应力；H为投料孔深度；GS为钢丝绳密度；K为托盘弹性系数；MT为托盘质量。4根据权利要求2所述，预测设计模型的特征在于提出了托盘式固体物料垂直连续输送机运行合理性的经济效益系数，式中P为托盘式固体物料垂直连续输送机的总造价；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；1为投料孔掘进每米成本；2为单个托盘成本；3为每米钢丝绳成本。5根据权利要求2所述，实时设计模型的特征在于根据煤矿实际充填采煤速度G，以评价模块为依据，以满足充填采煤速度为目标而

5、建立的皮带机运行速度V1和托盘运行速度V2相匹配的实时设计模型MV1GLHV1G，D2GV2/4G。权利要求书CN102094676ACN102094682A1/4页3一种托盘式固体物料垂直连续输送机的优化模型系统技术领域0001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0002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

6、路下、水体下压煤开采的问题。0003据统计，目前我国仅传统煤矿的生产矿井“三下”压煤就达1379亿T，其中建筑物下压煤9468亿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1030，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15万公顷，而且堆积量每年还以1520亿T的速度增加。煤矸石含有510650的二氧化硫，160360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

7、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73，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11483114，铝占6402291。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。0004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

8、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0005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。0006为实现上述目的，本发明采取以下手段00071、一种托盘式固体物料

9、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。其包括以下步骤说明书CN102094676ACN102094682A2/4页400081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；00092根据煤矿最火充填采煤速度GMAX，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。00103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。00112、如1所述的托盘式固体物料垂直连续

10、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0012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GMAX的关系，皮带机运输速度V1以下模型确定0013MV1GLHV1GMAX0014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；G为固体物料的密度；H为固体充填物料堆积起来的高度；GMAX为固体物料的最大设计充填采煤速度。0015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0016R32R2/8T/20017式中R为驱动轮的径向应力；为驱动轮材料的泊松比；为驱动轮材料

11、的密度；为驱动轮设计的最大转速；R为驱动轮的半径；T为驱动轮材料的许用强度。0018根据井巷围岩应力状态公式，以103Z或097Z为影响边界，投料孔直径极限与驱动轮的关系模型R35D，式中D为投料孔直径。0019托盘运行速度V2由以下模型确定00200021为保证系统运行安全，托盘间距L由以下模型确定00220023式中LMAX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。0024为保证系统运行安全，钢丝绳直径D由以下模型确定00250026式中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；GS为钢丝绳密度；MT为托盘质量。0027评价系统各个参数的合理值

12、，引入经济效益系数，其定义如以下模型0028P/S，P1D22H/L23H0029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；1为投料孔掘进每米成本；2为单个托盘成本；说明书CN102094676ACN102094682A3/4页53为每米钢丝绳成本。00303、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0031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；0032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

13、皮带机运输速度V1及托盘运行速度V2MV1GLHV1G，D2GV2/4G。0033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，再返回步骤进行托盘运行速度V2的匹配计算。附图说明0034图1是托盘式固体物料垂直连续输送机的结构示意图。0035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。0036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0037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

14、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GMAX600T/H。00381、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。00392、预测设计00401、根据煤矿生产调查得到固体物料密度G2000KG/M3，固体充填物料堆积高度L10CM，皮带宽度D07M，利用模型0041LHV1GMAX0042得到皮带机运输速度V112M/S。00432、根据调查得到驱动轮材料参数，驱动轮材料泊松比031，材料密度8000KG/M3，许用应力T240MP，驱动轮最大转速NMA

15、X800R/MIN，利用模型0044R32R2/8T/2，R35D0045得到驱动轮半径R25M，投料孔直径D07M。00463、根据井下工作面充填需求量要求，利用模型00470048得到托盘运行速度V22M/S。00494、以系统运行安全为原则，在托盘许用冲击力托盘弹性系数K8064KG/CM前提下，利用模型0050说明书CN102094676ACN102094682A4/4页60051得到托盘间距L46M，经过验证L46M满足最大托盘间距V1LMAX/V2D2/8MG要求。00525、为保证系统安全运行，在钢丝绳的许用冲击应力CG1300MP，投料空深度H600M要求下，调查资料得到托盘质

16、量MT25KG，利用模型00530054得到钢丝绳的直径D52MM。00556、煤矿托盘式固体物料垂直连续输送机总造价P2300万元。该矿服务年限为10年，所以SGMAX2436510525107T，根据模型0056P/S0057得到经济效益系数0007。00583、实时设计0059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。说明书CN102094676ACN102094682A1/2页7图1说明书附图CN102094676ACN102094682A2/2页8图2说明书附图CN102094676A