煤矿井下水仓清理机设计及工业性试验分析_胡强.pdf

煤矿井下水仓清理机设计及工业性试验分析胡强（山西西山煤电股份有限公司西铭矿，山西太原030052）摘要：针对煤矿井下水仓现有的清仓方法及设备在实际工作中存在的清仓效果不理想等问题，设计了一种煤矿井下水仓清理机，并对其工作特性进行数值模拟研究分析，进行了工业性试验。对煤矿井下水仓智能清理机进行工业性试验，对于提升清仓效率，实现煤矿智能化具有重要意义。关键词：煤矿生产水仓清理机数值模拟工业性试验中图分类号：TD745文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0019-03引言煤炭是我国主要能源，2021 年我国原煤产量达40.7 亿 t，且有增长态势1。煤矿安全越来越成为制约煤矿生产的重要因素，粉尘爆炸、瓦斯爆炸、火、水和顶板事故是煤矿最常见的五大灾害，其中矿井水是煤炭开采的必然产物2。矿井煤炭生产过程中，每开采1 t 煤平均要产生 2.7 t 矿井水。矿井水主要形成于地下水渗透、涌水、设备用水和矿井降尘用水。矿井水流经各工作面、巷道，最后汇入水仓。矿井水中含有各种物质，如高浓度煤粉颗粒、粉尘以及无机盐等。矿井水及内含物质会占用水仓容积，减小水仓的储水量，给煤炭开采工作带来潜在危险，并使得清仓工作周期变短，增加清理的工作量，从而导致煤炭的生产效率降低。目前，煤矿清理水仓主要形式有人工清仓、水仓清理机清仓和装载机清仓三种。其中水仓清理机清仓和装载机清仓相比人工清仓效率更高，但在使用过程中效果并不理想，水仓清理机对于沉积在水仓底部的煤泥很难清除，需进行后续的处理，且故障率较高，维护难度较大。因此，研发一款煤泥高效清挖水仓清理机，对于保障煤矿安全生产管理、提高生产效率、实现减员增效具有重要的意义。1模型建立及数值模拟1.1模型建立根煤矿井下巷道的断面尺寸大小、清仓相关工作要求及水仓煤泥清理周期等，确定煤矿井下水仓清理机的设计参数如下，如表 1 所示。本文采用 ADAM软件进行仿真分析，并对模型施加一些约束，如表 2 所示。1.2液压缸驱动力变化模拟根据建立的模型模拟清挖过程，利用 MATLAB软件计算得到水仓清理机各组液压缸的驱动力，以时间为横轴绘制大臂液压缸驱动力和小臂液压缸驱动力变化曲线如下页图 1 所示。由图 1 可知，在前 3 s 的阶段中，水仓清理机处于第一阶段（水平推铲阶段），大臂、小臂液压缸驱动力呈现快速上升的趋势；在 38 s 时间段，水仓清理机处于第二阶段，大臂和小臂液压缸驱动力呈现出先增大后减小趋势，小臂液压缸先于大臂液压缸达到最大驱动力，大臂液压缸在第 6 s 左右的时候达到最大驱动力，小臂液压缸在 3.8 s 左右达到最大驱动力；在813 s 时间段，水仓清理机处于第三阶段（平移提升阶段），大臂液压缸驱动力呈现出先快速减小后又快速增加的趋势，而小臂液压缸驱动力在此阶段略有增加；1318 s 时间段，水仓清理机处于第四阶段（卸料阶段），随着时间的持续增加，大臂和小臂液压缸的驱动力在此阶段减少幅度较小。1.3清挖阻力模拟根据模拟结果结合 MATLAB 可以得到水仓清理机在清挖作业时受到的清挖阻力，绘制沿 x、y、z 三个方向的清挖阻力，以时间为横轴绘制清挖阻力变化曲收稿日期：2021-12-23作者简介：胡强（1993），男，毕业于太原科技大学矿山机电专业，主要从事矿山机电管理工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.007参数参数值外形尺寸（长宽高）/（mmm）4.61.41.8煤泥处理能力/（m3 h-1）20输送距离/m水平 550，垂直 30装机功率/kW45质量/t7行走速度/（m s-1）0.2电控形式隔爆型供电电压/V660表 1煤矿井下水仓清理机设计参数序号零件 1零件 2运动副约束1安装座地面固定副2大臂安装座旋转副3大臂油缸缸筒安装座旋转副4大臂油缸活塞杆大臂油缸缸筒旋转副5大臂小臂旋转副6大臂小臂油缸缸筒旋转副表 2约束添加试验研究机械管理开发第 38 卷线，如图 2 所示。图 2-1 是水仓清理机在清挖煤泥时，x 方向上的清挖阻力随时间变化曲线。由图 2-1 可知，在 03 s时，随着水仓清理机沿 x 向推移距离不断增加，水仓清理机在 x 方向所收到的清挖阻力随时间变化呈波动上升，但阻力方向并未发生变化；在 3 s 时，x 方向上所受到的清挖阻力达到峰值，这标志着水仓清理机已经完成水平推铲动作；在 38 s 时，水仓清理机开始翻转装料过程，水仓清理机在 x 方向上的清挖阻力呈现波动下降趋势；在 8 s 时，水仓清理机完成装料过程并开始水平提升阶段，由于水仓清理机位置在时刻变化，同时受煤泥存在一定流动性的影响，在此过程中水仓清理机受到的阻力波动范围较小。图 2-2 是水仓清理机清挖煤泥时，y 方向上的清挖阻力随时间变化的曲线。由图 2-2 可知，y 向上的清挖阻力与 x 向上的清挖阻力曲线相比，波动范围更大。原因是清理过程中，水仓清理机与流动的煤泥颗粒挤压碰撞，使得煤泥颗粒无序、不规则运动，导致受力波动范围较大。在 02.8 s 时，水仓清理机沿 y 方向上受到的清挖阻力变化较缓；在 2.83 s 时，水仓清理机沿 y 方向上受到的清挖阻力快速上升；在 3 s 时，y方向上的清挖阻力达到最大值，为 24.020 5 kN；在33.3 s 时，y 方向上受到的清挖阻力断崖式下降；在3.38 s 时，水仓清理机沿 y 方向上受到的清挖阻力缓慢上升；在 8 s 以后，水仓清理机开始逐渐提升，此时水仓清理机所受的作用力也逐渐趋向稳定，水仓清理机内物料质量维持在 2 9003 200 N。图 2-3 是水仓清理机清挖煤泥时，z 方向上的清挖阻力随时间变化的曲线图。由图 2-3 可知，在 02 s时，此时水仓清理机刚启动，对周围煤泥扰动作用不大，z 方向上所受到的清挖阻力在 0 N 附近波动；在24 s 时，z 方向上所受到的清挖阻力波动范围逐渐增大，在-900800 N 区间波动，与 x、y 方向上受到的清挖阻力曲线相比，水仓清理机在 z 方向上的阻力相对1-1大臂液压缸1-2小臂液压缸图 1液压缸驱动力变化曲线2-1x 向清挖阻力2-2y 向清挖阻力2-3z 向清挖阻力2-4清挖合力图 2清挖阻力随时间变化曲线16 00012 0008 0004 0000024681012141618时间/s驱动力/N25 00020 00015 00010 0005 0000024681012141618时间/s驱动力/N1 0008006004002000-200-400-600-800-1 0000123456789时间/s力/N25 00020 00015 00010 0005 0000力/N0123456789时间/s1 0008006004002000-200-400-600-800-1 0000123456789时间/s力/N12 0008 0004 0000-4 000-8 000力/N0123456789时间/s202023 年第 2 期较小；在 48 s 时，z 方向上所受到的阻力在较小的值附近波动。图 2-4 是水仓清理机清挖煤泥时，所受合力随时间变化曲线图。由图 2-4 可知，在 03 s 时，水仓清理机一直向前推移，水仓清理机所受合力呈现波动上升趋势，但受力方向不变；在 3 s 时，清挖阻力合力值达到最大值，为 11.276 9 kN，此时水仓清理机完成水平推铲动作；在 38 s 时，水仓清理机开始翻转装料，在合力方向上所受到的清挖阻力波动下降；在 8 s 时，水仓清理机完成装料并开始平移提升，由于水仓清理机位置在不停变化，同时由于煤泥具有一定流动性，在此过程中水仓清理机所受的力波动范围较小。2工业性试验在井下水仓清理机的结构设计的基础上制作出了试验的样机，并进行地面与井下现场试验，以此来验证结构设计的可施行性和可靠性。首先进行地面现场试验。地面试验主要目的是测试水仓清理机的液压系统和遥控系统，根据矿井实际情况，重新规划水仓清理机的结构布局和液压管路的排布，调整完成后开始测试水仓清理机处理煤泥的能力。对水仓清理机进行地面现场试验。主要内容为测试履带行走机的运行，如前进、后退及转向是否顺畅，测试回转油缸和抬升油缸是否可以正常工作，测试其停止时是否会发生异常抖动，测试上料机是否可以平稳地将煤泥输送至料斗内，测试泵送装置是否可以正常运行。当测试抬升油缸的时候，将螺旋集料输送机抬升至某固定高度，并保持静止状态，抬升油缸没有办法保持悬停，然后出现“软腿”现象；测试油缸转动的时候，在运行停止期间整个机身出现了剧烈晃动的现象，经查明原因为两个油缸的液压回路时没有使用双向液压锁，仅仅使用了单向液压阀，然后进行液压阀的更换，以上两个问题得到了解决。测试上料机的时候，用干煤泥与水混合来模拟井下煤泥，测试结果表明上料功能很正常。上料装置开启时，泵送装置进行工作，煤泥模拟物从滑坡上流入泵送装置的料斗内，煤泥模拟物随即被泵出。完成地面测试后，开始了水仓清理机的井下测试。在井下测试开始前，进行了整机线路、液压管路的检查、供电缆线的铺设连接等工作。在首次进入井下水仓进行测试时，煤泥并没有成功被螺旋输送机输送上来。地面测试时煤泥含水量低，煤泥颗粒较大，输送装置没有出现这种情况，分析原因为地面测试的煤泥模拟物含水量较低，且颗粒较大，而井下实际的煤泥含水量较大，同时由于螺旋叶片与输送管壁之间的间隙过大，这导致了煤泥在输送管中出现了滑落现象，无法进行输送；在井下测试了行走装置与回转油缸，没有出现异常现象。随后根据分析的原因，重新调整了螺旋输送装置，将螺旋叶片与输送管壁之间的距离减小至 2 mm，再次进行测试，此时螺旋输送装置和泵送装置运行正常，该水仓清理机能够对真实环境下水仓内不同浓度的煤泥进行清理，测试效果达到预期。在井下测试后，开始进行为期 5 d 的实际应用测试。本次测验的对象为副水仓，水仓长度约为 600 m，水仓的宽度约为 5 m，煤泥厚度约为 1.2 m，井下水仓清理机每天运行 8 h，跟机操作人员 2 人，作业进度数据如表 3 所示。第 1 天由于操作员对于机器及操作流程不熟悉，当日整体进度较慢。对这 5 d 的煤泥清淤作业数据进行分析，可知单位时间的煤泥清理量达到预期要求，满足矿井清淤需求。利用水仓清理机进行清淤工作，可降低人员的劳动强度，同时大大提升了水仓清淤效率，能够保证井下水仓的有效容积，为煤矿发生涌水事故提供尽可能大的安全容积，保证煤矿生产人员的安全3。3结语煤矿的井下水仓是为了保障矿井安全生产，防止水灾而建造的设施。但随着矿井开采，井下的涌水量增大，涌水夹杂着大量杂物流入井下水仓，挤占了水仓的容积，威胁着人员安全，现有的清仓方法及设备在实际工作中存在一些问题。本文设计了一种煤矿井下水仓清理机，并对其工作特性进行数值模拟研究分析，并进行了工业性试验。最后，对煤矿井下水仓智能清理机进行工业性试验，这对于提升清仓效率，实现煤矿智能化具有重要意义。参考文献1何启旺，杨卫先，赵春杰.新型煤矿水仓自动清理工艺及其应用J.科技创新导报，2010（7）：21-22.2汪栋，刘志刚，李锦秀.新型煤矿水仓清挖处理系统的设计J.煤矿机电，2013（6）：89-90.3苏振明.复合式水仓清挖工艺及其装备研究和应用J.能源技术与管理，2020（9）：98-99.（编辑：贾娟）运行天数/d当日总的煤泥清理量/m3单位时间煤泥清理量/（m3 h-1）112515.6214618.3315619.5417221.5516821表 3煤矿井下水仓智能清理机作业进度数据（下转第 24 页）胡强：煤矿井下水仓清理机设计及工业性试验分析21机械管理开发第 38 卷4截割碎屑粒度分布与比能耗关系如图 8 所示，当粒度分布指数的大小逐渐增大时，截割比能耗反而减小，根据统计学的角度出发可以知道，截割比能耗与粒度分布指数之间存在一定的相关