CN109448484B - 一种模拟井下采煤巷道综采全过程的实验及教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿井下全方位模拟及教学领域，具体涉及一种模拟井下采煤巷道综采全过程的实验及教学系统，解决了我国目前缺乏覆盖采煤全过程的实验及教学系统的问题，包括全封闭玻璃钢房以及在全封闭玻璃钢房内设置的模拟巷道、液压支架、电牵引采煤机、刮板输送机、人工煤壁以及独立设置的全封闭煤层液化实验装置和全封闭煤层气抽放实验装置。本发明能够有效保障学生的实验实训安全，节省了大量的实习经费，学生能亲自进行综采设备的操作，教师可进行各种项目的研究，高效培养出理论和实践相结合的人才。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下全方位模拟及教学领域，具体涉及一种模拟井下采煤巷道综采全过程的实验及教学系统。
背景技术
目前国外的各采煤设备制造商只有设备出厂参数测试，没有在仿真人工煤壁上对设备的检测，国内只有中煤张家口煤机有限公司建有假煤壁，该项目主要研究刮板输送机的整体性能指标，对采煤机和支架研究甚少；因采煤机截割成本高，不能满足学生生产实训的要求；张家口是刮板机专业生产厂，暂未对采煤机上的喷雾灭尘和冷却系统进行研究；采煤机作为工作面的核心设备，无法进行定量的结构受力分析以及可靠性分析研究；同时该假煤壁没有形成完整封闭的巷道和综采工作面，不能进行安全通风监测监控；没有预埋管线和层理结构，不能进行瓦斯、水的抽探放方法研究；此外对采煤机的驱动方式、结构和机理，对安全生产、煤的压张和煤炭绿色开采等均缺乏研究；没有建造封闭煤层，不能研究地下煤层的气化。
随着一井一面年产千万吨矿井的不断增加，安全、集约、高效是煤矿发展方向，安全是煤矿工作的重中之重，学生到矿井实习已影响到煤矿安全生产，煤矿基本不接纳在校学生的实习任务；为培养理论和实际相结合的学生，在本发明的模拟巷道综采工作面，能完全满足学生的实验实训要求，使学生了解井下工作面的各种设备及其使用的方法和操作规程，培养学生的动脑、动手能力，增强学生的安全意识和岗位责任意识。同时为了保护人类赖以生存的环境，对我国主要能源的煤炭开采中的疑难技术进行研究探索，寻找科学依据实现资源的有效、合理利用；为实现煤炭的绿色开采，该专利主要研究仿真煤层的建造；灭尘和冷却效果；对不同煤层的受力测试，找到综采设备针对不同煤层最佳的参数选择、结构设计，实现数字化、智能化控制，最终实现综采工作面无人值守；煤层开采前煤层气、页岩气有效的抽放和利用，达到节能的效果；安全通风中针对不同工作面风速的匹配、瓦斯突出的智能处理，煤的气化等关键技术，最终实现煤炭资源合理利用等方面。
可见，一种能够模拟井下综采全过程的实验及教学系统就显得极其重要。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种模拟井下采煤巷道综采全过程的实验及教学系统。本发明是通过如下技术方案实现的：一种模拟井下采煤巷道综采全过程的实验及教学系统，包括全封闭玻璃钢房以及在全封闭玻璃钢房内设置的模拟巷道、液压支架、电牵引采煤机、刮板输送机、人工煤壁以及独立设置的全封闭煤层液化实验装置和全封闭煤层气抽放实验装置，液压支架沿模拟巷道的长向设置，电牵引采煤机设置在紧贴人工煤壁的模拟巷道内，电牵引采煤机的运行和导向在刮板输送机上完成，液压支架上设置有瓦斯传感器、粉尘检测控制器、仿生高清摄像头以及喷淋系统，在模拟巷道两侧分别设置有与其垂直的上顺槽和下顺槽，上顺槽区域内设置有用于支护的上顺槽端头支护、上顺槽超前支护和锚杆锚网联合支护，上顺槽远离液压支架的一侧设置有风量及水量控制台、演示屏和矿用通风风机，下顺槽区域内设置有冒落演示区、智能控制平台和设备列车及轨道。
进一步的，人工煤壁呈矩形设置，为研究煤壁的截割阻力，将煤壁按不同的普氏硬度f=2.5、f=3和f=4建造；另设煤层气抽采人工煤壁、探放水人工煤岩壁和页岩气抽放人工岩壁，煤层气抽采人工煤岩壁的普氏硬度为f=2.5，探放水人工煤岩壁的普氏硬度为f=6，页岩气抽放人工岩壁的普氏硬度为f=6～8。
进一步的，人工煤壁总的规格尺寸为长30米、宽3米、高2.5米，人工煤壁的制作材料包括煤炭、混凝土、蓬松剂和粘合剂，人工煤壁对应不同硬度区域分别采用分段分层浇筑的方式，浇筑时每层厚度为100毫米，每24小时浇筑一层并及时对浇筑层进行淋水养护，位于人工煤壁内间隔设置有多组用于监测的压力及振动传感器，在人工煤壁中还设置有模拟结构层理和节理发育的预埋管线，探放水人工煤岩壁和页岩气抽放人工岩壁的预埋管线交错布设。
进一步的，液压支架上连接有水平设置的顶板加压框架，顶板加压框架上间隔固定有多个垂直设置的液压油缸。
作为优选，全封闭玻璃钢房采用型钢桁架结构,房顶板为活动顶板且能够打开关闭，玻璃钢采用聚碳酸酯板材质，冲击力不低于3kg/c㎡且比重不低于1.34g/cm3，模拟实现矿井通风和各种气体的测试。
其中，全封闭玻璃钢房在模拟巷道靠近上顺槽的端部位置设置有Y型通风门。
本发明相比现有技术具有的有益效果是：
本发明采用工业级的电牵引采煤机、刮板输送机、液压支架，完全满足学生在煤矿井下综采工作面的实际教学和操作，有效解决了学生理论和实际相脱节的缺憾；建设了人工煤壁、上下顺槽，整个巷道完全封闭，研究通风的规律，真实完成综采工作的生产、安全、通风、输送、检测全过程，满足了学生实习的需要；安装各种传感器和可视化设备，能进行受力测试、设备参数选型和智能化无人值守技术的研究，满足教师的科研需求；专门建设了人工煤层和人工岩层，让学生进行抽放瓦斯和探放水的实操；采用全封闭的真实煤仓，满足教师对煤进行气化或液化的研究。与现有技术方案相比，该技术实现了学生实验实训的安全，节省了大量的实习经费，学生能亲自进行综采设备的操作，教师可进行各种项目的研究，高效培养出理论和实践相结合的人才。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为图1中人工煤壁的结构示意图；
图3为图2人工煤壁的结构示意侧视图；
图4为本发明灭尘喷雾系统的结构示意图；
图5为本发明综采工作面瓦斯调控示意图；
图6为本发明中液压支架的结构示意图。
图中：1-液压支架，2-电牵引采煤机，3-刮板输送机，4-全封闭玻璃钢房，5-瓦斯传感器，6-粉尘检测控制器，7-人工煤壁，8-压力及振动传感器，9-Y型通风门，10-模拟巷道，11-上顺槽端头支护，12-上顺槽超前支护，13-锚杆锚网联合支护，14-上顺槽，15-风量及水量控制台，16-演示屏，17-下顺槽，18-矿用通风风机，19-页岩气抽放人工岩壁，20-探放水人工煤壁，21-全封闭煤层液化实验装置，22-煤层气抽采人工煤壁，23-全封闭煤层气抽放实验装置，24-智能控制平台，25-冒落演示区，26-设备列车及轨道，27-仿生高清摄像头，28-喷淋系统，29-预埋管线，30-液压油缸，31-顶板加压框架。
具体实施方式
参照图1～6对本发明进行进一步阐述，一种模拟井下采煤巷道综采全过程的实验及教学系统，包括全封闭玻璃钢房4以及在全封闭玻璃钢房4内设置的模拟巷道10、液压支架1、电牵引采煤机2、刮板输送机3、人工煤壁7以及独立设置的全封闭煤层液化实验装置21和全封闭煤层气抽放实验装置23，液压支架1沿模拟巷道10的长向设置，电牵引采煤机2设置在紧贴人工煤壁7的模拟巷道10内，电牵引采煤机2的运行和导向在刮板输送机3上完成，液压支架1上设置有瓦斯传感器5、粉尘检测控制器6、仿生高清摄像头27以及喷淋系统28，在模拟巷道10两侧分别设置有与其垂直的上顺槽14和下顺槽17，上顺槽14区域内设置有用于支护的上顺槽端头支护11、上顺槽超前支护12和锚杆锚网联合支护13，上顺槽14远离液压支架1的一侧设置有风量及水量控制台15、演示屏16和矿用通风风机18，下顺槽17区域内设置有冒落演示区25、智能控制平台24和设备列车及轨道26。
人工煤壁7呈矩形设置，为研究煤壁的截割阻力，将煤壁按不同的普氏硬度f=2.5、f=3和f=4建造；另设煤层气抽采人工煤壁22、探放水人工煤岩壁20和页岩气抽放人工岩壁19，煤层气抽采人工煤岩壁22的普氏硬度为f=2.5，探放水人工煤岩壁20的普氏硬度为f=6，页岩气抽放人工岩壁19的普氏硬度为f=6～8。人工煤壁7总的规格尺寸为长30米、宽3米、高2.5米，人工煤壁7的制作材料包括煤炭、混凝土、蓬松剂和粘合剂，人工煤壁7对应不同硬度区域分别采用分段分层浇筑的方式，浇筑时每层厚度为100毫米，每24小时浇筑一层并及时对浇筑层进行淋水养护，位于人工煤壁7内间隔设置有多组用于监测的压力及振动传感器8，在人工煤壁7中还设置有模拟结构层理和节理发育的预埋管线29，探放水人工煤岩壁20和页岩气抽放人工岩壁19的预埋管线29交错布设。液压支架1上连接有水平设置的顶板加压框架31，顶板加压框架31上间隔固定有多个垂直设置的液压油缸30。全封闭玻璃钢房4采用型钢桁架结构,房顶板为活动顶板且能够打开关闭，玻璃钢采用聚碳酸酯板材质，冲击力不低于3kg/c㎡且比重不低于1.34g/cm3，模拟实现矿井通风和各种气体的测试。 全封闭玻璃钢房4在模拟巷道10靠近上顺槽14的端部位置设置有Y型通风门9。采用顶板加压框架31和液压油缸30的多油缸平面垂直加压技术，能够定量研究顶板对不同煤质的压涨效应，解决采煤机截割功率的选取和滚筒上截齿的布置方式。
实施例：
利用本发明实验及教学系统能够将综采工作面建设到地面，解决了学生井下实习的安全隐患，采用型号为MG160/375-WD电牵引采煤机1、型号为SGZ630/150刮板输送机3以及型号为ZY6800/14/31液压支架1作为综采工作面后配套设备。同步施工上顺槽14和下顺槽17，整个模拟巷道10完全封闭，用以真实再现采煤全过程，满足学生实习的需要；安装各种传感器，如瓦斯传感器5、粉尘检测控制器6、压力及振动传感器8；安装可视化设备，如演示屏、冒落演示区25能够用于满足教师的科研需求。除研究和学生实习外，还可进行电牵引采煤机2司机、刮板输送机3司机以及液压支架1控制人员等工种的培训。
在进行人工煤壁7的制作过程中，通过对山西最有代表性的大同煤田4#煤层，在同煤塔山综采工作面不同位置取规格为150×150×150mm的实体煤块，进行节理、层理、抗压强度、抗拉强度测试；基于实体煤块的数据和分析报告，选择垒砌材料，如煤炭、混凝土、蓬松剂和粘合剂等，试制不同材料配比条件下的150×150×150mm模拟煤块进行机械性能测试；根据实验结果，总结并建立完整的不同硬度下人工煤壁7的检测方法和不同材料配比体系；根据煤层发育情况，研究出不同硬度人工煤壁7的垒砌工艺；人工煤壁7内预埋压力及振动传感器8，便于测试点牵引采煤机2的性能参数，进行合理的结构设计；通过对实体煤的研究，对人工煤壁7实验应用不同材料的配方，寻找不同的浇注工艺，突破人工煤壁7的节理、层理，实现实况切割，为节能环保达到人工煤壁7材料重复利用的目的。
人工煤壁7总的规格尺寸为长30米、宽3米、高2.5米，采用硬度分段的方法进行分层浇筑，左段为长10米且硬度为f＝2.5的煤层气抽采人工煤壁22，中段为长8米且硬度为f＝3的探放水人工煤壁20，右段为长12米且硬度为f=4.0的页岩气抽放人工岩壁。人工煤壁7的施工工艺具体为：人工煤壁7在模拟巷道工作面完成后单独分段、分层浇筑，每层100mm，每24小时浇筑一层，保持淋水阴干，并埋藏压力及振动传感器8，硬化后最终成型。经过电牵引采煤机2截割后的物料为达到节约成本、利于环保的效果应能重复使用。
通过对人工煤壁7的研究，在实验室堆砌人工煤壁和页岩层，层理和节理发育采用管线预埋的方法，气体采用CO2压力注入预埋管线29。通过扭矩和阻力分析软件控制钻探速度，利用定向钻探可视化管理系统传输和查看岩层的结构变化，运用随钻随测量技术反馈钻孔的深度，采用高压射流或电磁波压裂技术进行煤层气、页岩气的抽放和利用，实现节能环保和能源的有效利用。煤层气抽采人工煤壁22能够进行瓦斯抽采的实操实训项目包括：进行瓦斯抽采泵安全检查的实操实训；进行水环式真空泵安全操作的实操实训；进行瓦斯抽采钻孔施工安全检查的实操实训；进行钻孔施工安全操作的实操实训；进行封孔安全操作的实操实训；进行管道内负压检测安全操作的实操实训。探放水人工煤壁20能够进行的实操实训项目包括:进行钻机试运转安全操作的实操实训；进行开孔安全操作的实操实训；进行钻孔安全操作的实操实训；进行放水安全操作的实操实训；进行套管安装与封孔安全操作的实操实训。
在电牵引采煤机2对人工煤壁7进行截割的过程中不免产生大量灰尘，本发明配有喷淋系统28。通过对电牵引采煤机2在截割过程中产生粉尘机理的测试和研究，寻找截割速度、牵引速度的匹配关系，找到截齿布置的最佳角度，通过粉尘检测控制器6测得的数据，利用风量及水量控制台15控制喷淋系统28进行灭尘。其中，喷淋系统28设置在液压支架1上且为自动控制的雾化喷头，通过利用经过雾化后的喷淋用水达到节水环保的效果。
此外，本发明通过电牵引采煤机2上安装的各种传感器、电液控的液压支架1、变频调速的刮板输送机3，根据截割不同煤质实时传输的各种数据和针对工作面的仿生高清摄像头27传输的视频，通过智能控制平台24利用软件进行分析处理，生成虚拟综采工作面模型，实现人工远程干预，达到模拟工作面的无人值守，保证了综采工作面人员的安全。
本发明将模拟综采工作面设置在全封闭玻璃钢房4内，并配以智能瓦斯监测系统和智能风速传感系统对矿用通风风机18进行调控，能够在瓦斯累计至一定浓度后对其进行有效吹散，从而实现矿用通风风机18的节能运行；当瓦斯浓度高于0.8%时，通过风量及水量控制台15将Y型通风门9自动打开，实现综采工作面的Y型通风。全封闭玻璃钢房4采用型钢桁架结构,玻璃房顶板为活动顶板，可打开关闭；玻璃钢采用聚碳酸酯板，冲击力是普通玻璃的200倍，比亚克力板强8倍，几乎没有断裂的危险性；采光极佳，透光率高达75-89%，可与玻璃相媲美；在零下30度到130度的测试范围内，不会引起变形等品质变化；研究密封隔绝技术，采用智能控制系统对实体煤样煤进行气、液化的研究，寻找不同煤质的气化或液化点，减少煤炭的开采成本，实现煤炭资源的合理利用。
Claims (4)
1.一种模拟井下采煤巷道综采全过程的实验及教学系统，其特征在于：包括全封闭玻璃钢房(4)以及在全封闭玻璃钢房(4)内设置的模拟巷道(10)、液压支架(1)、电牵引采煤机(2)、刮板输送机(3)、人工煤壁(7)以及独立设置的全封闭煤层液化实验装置(21)和全封闭煤层气抽放实验装置(23)，液压支架(1)沿模拟巷道(10)的长向设置，电牵引采煤机(2)设置在紧贴人工煤壁(7)的模拟巷道(10)内，电牵引采煤机(2)的运行和导向在刮板输送机(3)上完成，液压支架(1)上设置有瓦斯传感器(5)、粉尘检测控制器(6)、仿生高清摄像头(27)以及喷淋系统(28)，在模拟巷道(10)两侧分别设置有与其垂直的上顺槽(14)和下顺槽(17)，上顺槽(14)区域内设置有用于支护的上顺槽端头支护(11)、上顺槽超前支护(12)和锚杆锚网联合支护(13)，上顺槽(14)远离液压支架(1)的一侧设置有风量及水量控制台(15)、演示屏(16)和矿用通风风机(18)，下顺槽(17)区域内设置有冒落演示区(25)、智能控制平台(24)和设备列车及轨道(26)；
人工煤壁(7)呈矩形设置，为研究煤壁的截割阻力，将煤壁按不同的普氏硬度f＝2.5、f＝3和f＝4建造；另设煤层气抽采人工煤壁(22)、探放水人工煤岩壁(20)和页岩气抽放人工岩壁(19)，煤层气抽采人工煤岩壁(22)的普氏硬度为f＝2.5，探放水人工煤岩壁(20)的普氏硬度为f＝6，页岩气抽放人工岩壁(19)的普氏硬度为f＝6～8；
液压支架(1)上连接有水平设置的顶板加压框架(31)，顶板加压框架(31)上间隔固定有多个垂直设置的液压油缸(30)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟井下采煤巷道综采全过程的实验及教学系统，其特征在于：人工煤壁(7)总的规格尺寸为长30米、宽3米、高2.5米，人工煤壁(7)的制作材料包括煤炭、混凝土、蓬松剂和粘合剂，人工煤壁(7)对应不同硬度区域分别采用分段分层浇筑的方式，浇筑时每层厚度为100毫米，每24小时浇筑一层并及时对浇筑层进行淋水养护，位于人工煤壁(7)内间隔设置有多组用于监测的压力及振动传感器(8)，在人工煤壁(7)中还设置有模拟结构层理和节理发育的预埋管线(29)，探放水人工煤岩壁(20)和页岩气抽放人工岩壁(19)的预埋管线(29)交错布设。
3.根据权利要求1或2所述的一种模拟井下采煤巷道综采全过程的实验及教学系统，其特征在于：全封闭玻璃钢房(4)采用型钢桁架结构,房顶板为活动顶板且能够打开关闭，玻璃钢采用聚碳酸酯板材质，冲击力不低于3kg/c㎡且比重不低于1.34g/cm3，模拟实现矿井通风和各种气体的测试。
4.根据权利要求3所述的一种模拟井下采煤巷道综采全过程的实验及教学系统，其特征在于：全封闭玻璃钢房(4)在模拟巷道(10)靠近上顺槽(14)的端部位置设置有Y型通风门(9)。
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