CN112827835A - 一种井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的方法和装置 - Google Patents

一种井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的方法和装置 Download PDF

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刘佳男
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吴妍
张海龙
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Abstract

本发明提出了一种井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的方法和装置，利用物理原理在井下分离煤与矸石。该装置主要包括两个带式输送机，其中一个为水平运行的带式输送机，主要运输由工作面而来的煤与矸石；而另一个为倾斜运行的带式输送机，其主要目的是将煤与矸石进行分离。本发明利用煤、矸石与传送带之间的摩擦系数的不同，使煤与矸石在倾斜带式输送机上具有不同方向的加速度，进而使得二者在倾斜带式输送机上运行方向相反。煤会从倾斜带式输送机上端抛出，而矸石则会从倾斜带式输送机下端抛出。本发明提出的井下分离煤与矸石的装置，具有便于安装、结构简单，运行安全可靠、所用空间小等优点；可以有效地实现矸石不出井，且能直接将矸石回填采空区。

Description

一种井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的方法和装置，是一种能直接应用于矿井下煤与矸石分离的装置。
背景技术
在煤炭开采的过程中，由于混入了大量顶板和底板及煤层中的夹矸，造成所采煤炭中含有大量矸石。这些煤炭不能直接利用，需要经过脱矸处理。
在传统采煤工艺中，对所含煤矸石的煤炭的处理方法是，运出地面后经选煤厂筛选。而这便有许多弊端与危害，将矸石从井下提升需要额外耗费许多能源；在洗煤过程中同样会耗费很多资源；而分离出的煤矸石的堆放不仅浪费土地资源，还会发生自燃、雨淋、泥化等情况，对环境产生严重危害。
因此，若能在井下分离矸石，对于保护环境、节约能源而言具有重大的意义。
发明内容
本发明旨在提供一种能够在井下小范围空间内分离煤与矸石的装置，其结构简单，操作容易，且成本低。
本发明提供的装置利用煤与矸石与传送带之间的摩擦系数的不同而进行分离，可以将大部分矸石在井下除去。由于煤结构较为疏松，而矸石表面比较致密，因此当煤与矸石作用在同一物体表面上时，煤与该物体之间的摩擦系数较矸石的大。因此便可以利用这一物理性质改变煤与矸石的相对位置，进而将其分离开来。在水平带式输送机上运动的煤与矸石运动到传送带右端时，从水平带式输送机落到倾斜带式输送机上。由于下方的带式输送机沿倾斜方向布置，因此煤与矸石会在带式输送机向上运动的情况下，相对于传送带滑动。
本发明提供了一种井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的方法，利用煤、矸石与传送带之间的摩擦系数的不同，使煤与矸石在倾斜带式输送机上具有不同方向的加速度，进而使得二者在倾斜带式输送机上运行方向相反；煤会从倾斜带式输送机上端抛出，而矸石则会从倾斜带式输送机下端抛出。
所述倾斜带式输送机与水平面的夹角θ为：arctanμ2<θ<arctanμ1；式中，μ1——煤与传送带之间的摩擦系数；μ2——矸石与传送带之间的摩擦系数；
且倾斜带式输送机表面为橡胶，粗糙度为6-20μm，从而在带式输送机向上运动的情况下，使煤向上运动而使矸石向下运动。
上述方法中，从倾斜带式输送机上端物料出口飞出的煤落入右下方的煤仓；而由倾斜带式输送机下端物料出口飞出的矸石则落入左下方的矸石收集仓。
本发明提供的装置主要由两条带式输送机构成，其中一条为水平带式输送机，输送由工作面而来的煤与矸石。另一条为倾斜带式输送机，位于水平带式输送机下方，沿倾斜方向布置，用于分离由水平带式输送机落下的煤与矸石，由于煤和矸石与传送带之间的摩擦力不同，可以通过调整倾斜带式输送机与水平面的夹角θ，使煤与矸石所受的合力方向相反，因此煤与矸石可以具有不同方向的加速度，经过该带式输送机分离后煤与矸石由于运行方向的不同而分离，在煤与矸石的落点处分别设置煤仓与矸石收集仓用于收集煤与矸石。
假设倾斜高速带式输送机与水平方向的夹角为θ，单个煤与矸石质量分别为m1、m2，与传送带之间的摩擦系数分别为μ1，μ2。
对于煤与矸石而言(其受力情况见图2所示)，在垂直于传送带的方向上，二者受重力的分力mgcosθ与传送带对它本身的支持力，这两个力大小相等、方向相反，故在垂直于传送带方向上所受合力为零；在平行于传送带方向上，由于煤与矸石相对传送带滑动，故受滑动摩擦力与沿传送带向下的重力的分力mgsinθ。在相同条件下，矸石与传送带之间的摩擦系数μ1要小于煤与传送带之间的摩擦系数μ2。若要使煤向上做加速运动，矸石向下做加速运动，则必须满足以下条件
m1g cosθ·μ1-m1g sinθ>0
m2g cosθ·μ2-m2g sinθ<0
式中，m1——煤块的质量，kg；
m2——矸石的质量，kg；
μ1——煤与传送带之间的摩擦系数；
μ2——矸石与传送带之间的摩擦系数；
g——重力加速度，取10m/s2。
因此对传送带与水平面夹角的要求为
arctanμ2<θ<arctanμ1
当传送带夹角满足上述条件时，对于矸石而言，在平行于传送带的方向上，重力沿传送带向下的分力大于其所受的滑动摩擦力，合力会沿传送带向下，故矸石会沿传送带向下滑动；而对于煤来说，在平行于传送带的方向上，重力沿传送带向下的分力小于其所受的滑动摩擦力，合力会沿传送带向上，故煤会沿传送带向上移动。
由上述结论可以得出，煤与矸石能否向相反方向移动，在于倾斜带式输送机与水平面的夹角是否合理，即θ取值要在arctanμ2与arctanμ1之间。只有这样，才能保证煤与矸石向相反方向运动从而达到分离的效果。
通过本发明所提出的方案，可以利用上述装置在井下将煤与矸石进行分离。由于煤与矸石落到下方倾斜带式输送机上后会相对传送带滑动，而合力会使它们具有相反方向的加速度。因此，煤与矸石会做方向相反的加速运动，最后会从传送带两端抛出。因此可在其落点处将煤与矸石分别收集。分离后的矸石可回填采空区，煤由煤仓运出地面。
本发明的有益效果：
本发明可在井下初步分离煤与矸石，且所占空间不大，操作简单，能及时的实现矸石回填采空区，实现矸石不出井，具有显著的经济效益与社会效益，同时也能极大地减轻地面煤矸分离的工作量。
附图说明
图1为本发明的井下矸石分离装置运行的示意图。
图2为煤与矸石在倾斜带式输送机上的受力分析图。
图中标号为，1——毛煤；2——水平带式输送机；3——水平带式输送机物料出口；4——倾斜带式输送机；5——倾斜带式输送机上端物料出口；6——倾斜带式输送机下端物料出口；7——煤；8——矸石；9——矸石收集仓；10——煤仓。
具体实施方式
如图所示，本发明包括水平带式输送机和倾斜带式输送机。其中水平带式输送机2运送由工作面而来的毛煤1，当毛煤1向右运动到水平带式输送机物料出口3时，便会落下；倾斜带式输送机4位于水平带式输送机2下方，当毛煤1落到倾斜带式输送机4上时，会与传送带之间产生相对滑动。由于煤、矸石与传送带之间的摩擦系数不同，故二者所受滑动摩擦力大小不同，因此在沿传送带方向上所受合力方向不同，故二者的加速度方向也不同；经倾斜带式输送机4的加速作用，煤会在在倾斜带式输送机物料出口5处抛出；由于矸石具有相反的加速度，因此会在倾斜带式输送机物料出口6处抛出。由于二者离开传送带时的位置、方向都不同，故煤与矸石的落点不同，可以据此来分离煤和矸石。
由上述可知，若要使煤与矸石在倾斜带式传送机4上向相反方向运动，就必须要调整好倾斜带式输送机4的倾斜角度。即倾斜角度θ的取值要在arctanμ2与arctanμ1之间，式中，μ1——煤与传送带之间的摩擦系数；μ2——矸石与传送带之间的摩擦系数；只有这样，才能保证煤与矸石在传送带上的合力方向不同，才能使煤与矸石运动方向相反。
对于分离出来的矸石可以回填采空区，而煤则运出地面，可以基本实现井下煤与矸石的分离。
本发明所述的井下煤与矸石的分离装置有两条位置不同的带式输送机及两个收集仓组成。其中一条为水平放置的带式输送机，运送由工作面而来的煤与矸石。在水平带式输送机右端的物料出口处，其下方放置另一条与水平面夹角成θ的倾斜带式输送机，该倾斜带式输送机与水平带式输送机位于同一竖直平面内，水平带式输送机右端物料出口位于倾斜带式输送机中部的上方，二者之间的高度差要满足能使最大的煤与矸石通过而不堵塞，高度差为20～30cm；
倾斜带式输送机两端物料出口下方的的煤仓与矸石收集仓的具体位置，由煤与矸石抛出时的轨迹而确定。
假设在一煤矿中，采煤机由工作面采下的煤与矸石经刮板输送机运送到运输顺槽。在运输顺槽中通过带式输送机运送到井底煤仓前方，此时运输顺槽中的带式输送机便是上文所说的水平带式输送机，速度为0.5～1m/s。在水平带式输送机物料出口下方20～30cm处，布置倾斜带式输送机，速度同样设置为0.5～1m/s，它与水平面的夹角为θ。单个煤与矸石质量分别为m1、m2，与传送带之间的摩擦系数分别为μ1＝0.4，μ2＝0.3。在倾斜带式输送机两端物料出口下方分别布置煤仓与矸石收集仓。
对于煤与矸石而言(其受力情况见图2所示)，在垂直于传送带的方向上，二者受重力的分力mgcosθ与传送带对它本身的支持力，这两个力大小相等、方向相反，故在垂直于传送带方向上所受合力为零；在平行于传送带方向上，由于煤与矸石相对传送带滑动，故受滑动摩擦力与沿传送带向下的重力的分力mgsinθ。在相同条件下，矸石与传送带之间的摩擦系数μ1要小于煤与传送带之间的摩擦系数μ2。若要使煤向上做加速运动，矸石向下做加速运动，则必须满足以下条件
m1g cosθ·μ1-m1g sinθ>0
m2g cosθ·μ2-m2g sinθ<0
式中，m1——煤块的质量，kg；
m2——矸石的质量，kg；
μ1——煤与传送带之间的摩擦系数；
μ2——矸石与传送带之间的摩擦系数；
g——重力加速度，取10m/s2。
因此对传送带与水平面夹角的要求为
arctanμ2<θ<arctanμ1
解得，16.7°<θ<21.8°。
当传送带夹角满足上述条件时，对于矸石而言，沿传送带方向，重力沿传送带向下的分力大于其所受的滑动摩擦力，合力会沿传送带向下，故矸石会沿传送带向下滑动；而对于煤来说，沿传送带方向上，重力沿传送带向下的分力小于其所受的滑动摩擦力，合力会沿传送带向上，故煤会沿传送带向上移动。
由上述结论可以得出，煤与矸石能否向相反方向移动，在于倾斜带式输送机与水平面的夹角是否合理，即θ取值要在arctanμ2与arctanμ1之间。只有这样，才能保证煤与矸石向相反方向运动而达到分离的效果。

Claims (5)

1.一种井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的方法，其特征在于：利用煤、矸石与传送带之间的摩擦系数的不同，使煤与矸石在倾斜带式输送机上具有不同方向的加速度，进而使得二者在倾斜带式输送机上运行方向相反；煤会从倾斜带式输送机上端抛出，而矸石则会从倾斜带式输送机下端抛出。
2.根据权利要求1所述的井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的方法，其特征在于：倾斜带式输送机与水平面的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；式中，μ 1 ——煤与传送带之间的摩擦系数；μ 2 ——矸石与传送带之间的摩擦系数；
且倾斜带式输送机表面为橡胶，粗糙度为6-20μm，从而在带式输送机向上运动的情况下，使煤向上运动而使矸石向下运动。
3.根据权利要求1所述的井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的方法，其特征在于：从倾斜带式输送机上端物料出口飞出的煤落入右下方的煤仓；而由倾斜带式输送机下端物料出口飞出的矸石则落入左下方的矸石收集仓。
4.一种井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的装置，用于实施权利要求1~3任一项所述的井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的方法，其特征在于：包括两个带式输送机，其中一个为水平带式输送机，主要运输由工作面而来的煤与矸石；而另一个为倾斜带式输送机，其主要目的是将煤与矸石进行分离；所述水平带式输送机卸料的末端设置在倾斜带式输送机的上侧，二者所成夹角为θ，即倾斜带式输送机与水平面的夹角
Figure 407955DEST_PATH_IMAGE002
，为
Figure 59517DEST_PATH_IMAGE004
；式中，μ 1 ——煤与传送带之间的摩擦系数；μ 2 ——矸石与传送带之间的摩擦系数；
在倾斜带式输送机的左下方设有矸石收集仓，右下方设有煤仓。
5.根据权利要求4所述的井下利用倾斜带式输送机分离煤与矸石的装置，其特征在于：
所述倾斜带式输送机与水平带式输送机位于同一竖直平面内，水平带式输送机右端出料口位于倾斜带式输送机中部的上方，二者之间的高度差要满足能使最大的煤与矸石通过而不堵塞，高度差为20~30cm；水平带式输送机的速度为0.5~1m/s，倾斜带式输送机的速度为0.5~1m/s；
倾斜带式输送机两端出料口下方的的煤仓与矸石收集仓的具体位置，由煤与矸石抛出时的轨迹而确定。
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