CN112845101B - 一种井下利用高速带式输送机分离煤与矸石的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种井下利用高速带式输送机分离煤与矸石的方法和装置。该装置主要包括两个带式输送机，其中一个为正常速度运行的带式输送机，主要运输由工作面而来的煤与矸石；而另一个为高速运行的带式输送机，其主要目的是将煤与矸石进行加速。本实验新型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，并且直接将矸石回填采空区。

Description

一种井下利用高速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煤与矸石分离的装置，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和方法，其结构简单，操作容易，且成本低。

本发明利用煤与矸石在粗糙程度这个方面的物理差异，使煤与矸石在高速带式输送机上具有不同的加速度，进而使得二者在高速带式输送机上运行相同距离后获得不同的速度。当煤与矸石脱离传送带后会做斜抛运动，由于煤与矸石的初速度不同，故他们在空中运行的轨迹也不同，因此可以根据他们落点的不同而进行分离。经常速带式输送机输送而来的煤与矸石落入高速带式传送机上，两者由于所受摩擦力不同，具有不同的加速度，进而导致两者斜抛时的运动轨迹不同而落入不同的分离仓，实现煤与矸石的分离。

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。在常速带式输送机上运动的煤与矸石与和传送带之间未发生相对滑动，因此与传送带的速度相同，当它们运动到传送带右端时，同时落到下方的倾斜高速带式输送机上。由于下方的带式输送机在高速运行，因此煤与矸石会相对于输送机滑动。本发明提供的装置利用煤和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。

本发明提供了一种井下利用高速带式输送机分离煤与矸石的装置，包括两套输送机和两个物料收集仓，两套输送机分别为水平常速带式输送机和倾斜高速带式输送机；水平常速带式输送机运送由工作面而来的煤与矸石，而倾斜高速带式输送机用于煤与矸石的分离，倾斜高速带式输送机上物料的运行方式为向上运行；两个物料收集仓分别是矸石收集仓和煤仓，二者并排放置在倾斜高速带式输送机的右下方；

倾斜高速带式输送机位于水平常速带式输送机下方，倾斜向上，与水平面的夹角为θ，所述的取值范围为：θ<min{arctanμ₁,arctanμ₂}，(这里θ要小于后两者的最小值)，μ₁为煤与传送带之间的摩擦系数，μ₂为矸石与传送带之间的摩擦系数。

进一步地，水平放置的带式输送机运行速度适中，为0.5～1m/s左右，而倾斜放置的带式输送机运行速度较快，通常不低于3m/s。

进一步地，煤与矸石在倾斜高速带式输送机上的落点与倾斜高速带式输送机物料出口之间的倾斜距离有要求，即要满足煤与矸石到达倾斜高速带式输送机物料出口时的速度小于倾斜高速带式输送机的运转速度。此时在传送带的速度与煤和矸石的加速度确定的情况下，由公式v₁ ²-v₀ ²>2ax确定煤与矸石在倾斜高速带式输送机上的落点与倾斜高速带式输送机物料出口之间的倾斜距离。式中，v₁为倾斜高速传送带的速度，x为倾斜距离，v₀为煤与矸石落在倾斜高速传送带上的初速度，这里取v₀＝0，a为煤与矸石在倾斜高速传送带上的加速度。

进一步地，煤与矸石的落点距倾斜高速带式输送机物料出口的垂直距离不能太小，即要满足煤与矸石落点之间的水平距离足够分离二者。如果要使煤与矸石充分分离，则煤与矸石落点之间的水平距离L不小于1m，则根据后边所述公式，煤与矸石的落点距倾斜高速带式输送机物料出口的垂直距离h要至少大于5m。

进一步地，煤从倾斜高速带式输送机物料出口飞出、做斜抛运动落入右下方较远的煤仓；而矸石则落入右下方较近的矸石收集仓。

下面给出具体的推导过程：

假设倾斜高速带式输送机与水平面的夹角为θ，单个煤与矸石质量分别为m₁、m₂，在传送带上运动的距离s，与传送带之间的摩擦系数分别为μ₁，μ₂，倾斜高速带式输送机末端距煤与矸石落点的垂直距离为h，水平距离分为L₁、L₂，做斜抛运动时的初速度分别为v₁、v₂。

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，煤与矸石受重力沿垂直传送带方向上的分力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，故受沿传送带向上的滑动摩擦力f(mgcosθ·μ)与沿平行于传送带向下的重力的分力mgsinθ。此时，若要使煤与矸石向上做加速运动，则必须满足以下条件

m₁gcosθ·μ₁>m₁gsinθ

m₂gcosθ·μ₂>m₂gsinθ

式中，m₁——煤块的质量，kg；

m₂——矸石的质量，kg；

θ——倾斜高速带式输送机与水平方向的夹角，°；

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。

在相同条件下，矸石与传送带之间的摩擦系数μ₂要小于煤与传送带之间的摩擦系数μ₁。由于要使煤与矸石均沿传送带向上运动，故

θ<min{arctanμ₁,arctanμ₂}

即

θ<arctanμ₂

当煤与矸石从倾斜高速带式输送机抛出时，二者会做斜抛运动，该运动可分解为水平方向的匀速运动和竖直方向的加速运动(见附图3)。煤与矸石在竖直方向上的位移为：

式中，h——倾斜高速带式输送机末端距煤与矸石落点的垂直距离，m；

v₁——煤做斜抛运动时的初速度，m/s；

v₂——矸石做斜抛运动时的初速度，m/s；

t₁——煤做斜抛运动时所用的时间，s；

t₂——矸石做斜抛运动时所用的时间，s。

煤与矸石在水平方向上的位移为

L₁＝v₁ cosθ·t₁ ③

L₂＝v₂ cosθ·t₂ ④

式中，L₁——倾斜高速带式输送机末端距煤与煤落点的水平距离，m；

L₂——倾斜高速带式输送机末端距煤与矸石落点的水平距离，m。

联立①②③④得，煤与矸石落点之间的水平距离为

由上述结论可以得出，煤与矸石落点之间的水平距离与传送带夹角θ、在传送带上运动的距离s、摩擦系数μ以及传送带末端距煤与矸石落点的垂直距离h有关。在传送带夹角和摩擦系数确定的情况下，增加加速距离s(即煤与矸石在倾斜高速带式输送机上的落点与倾斜高速带式输送机物料出口之间的倾斜距离)和垂直距离h可以增大煤与矸石落点之间的距离，能更好地达到分离的效果。

本发明提供了一种井下利用高速带式输送机分离煤与矸石的方法，由工作面而来的煤与矸石经水平常速带式输送机运送至位于其下方的倾斜高速带式输送机上，利用煤与矸石在粗糙程度上的物理差异，使煤与矸石在高速带式输送机上具有不同的加速度，进而使得二者在高速带式输送机上运行相同距离后获得不同的速度，从而实现煤与矸石的分离，二者分离后分别落入矸石收集仓和煤仓中。

本发明需要注意的是，高速带式输送机的运转速度需要大于煤与矸石做斜抛运动时的初速度的任意一个，只有这样，才能保证煤与矸石一直做加速运动。

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高速带式输送机上后会相对传送带滑动，滑动摩擦力与重力沿传送带向下的分力的合力会提供沿传送带向上的加速度。因此，只要煤与矸石的速度达不到传送带的速度，它们会一直做加速运动。又由于煤与矸石所受的摩擦力不同，故二者的加速度不同，所以若一直做加速运动，煤与矸石的速度相差会越来越大。当煤与矸石到达传送带顶端被抛出时，煤与矸石会做斜抛运动。由于沿传送带方向上具有不同的初速度，所以二者做斜抛运动时的轨迹不同，故可在其落点处将煤与矸石分别进行收集。分离后的矸石可回填采空区，煤则由煤仓运出地面。

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，能及时的将矸石回填采空区，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为煤与矸石在倾斜高速带式输送机的受力分析图。

图3为煤与矸石做斜抛运动时的轨迹图。

图中：1——毛煤；2——水平常速带式输送机；3——水平常速带式输送机物料出口；4——倾斜高速带式输送机；5——倾斜高速带式输送机物料出口；6——煤；7——矸石；8——矸石收集仓；9——煤仓。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括水平常速带式输送机和倾斜高速带式输送机。其中水平常速带式输送机2运送由工作面而来的毛煤1，当毛煤1向右运动到水平常速带式输送机物料出口3时，便会落下；倾斜高速带式输送机4位于水平常速带式输送机2下方，当毛煤1落到倾斜高速带式输送机4上时，会与传送带之间产生相对滑动，二者沿传送带方向的合力为其提供沿传送带向上的加速度。由于煤、矸石与传送带之间的摩擦系数不同，故二者所受沿传送带向上的摩擦力不同，因此二者的加速度也不同；经倾斜高速带式输送机4的加速作用，在倾斜高速带式输送机物料出口5处，煤与矸石具有不同的速度；在下一刻，煤与矸石都会做斜抛运动。但由于二者初速度方向相同、大小不同，故运动轨迹不同，所以煤与矸石的落点不同。可以据此来分离煤和矸石。

煤与矸石落点之间的距离是由传送带夹角θ、在传送带上运动的距离s、摩擦系数μ以及传送带末端距煤与矸石落点的垂直距离h决定的。因此，若要调整煤与矸石落点之间的水平距离，可在传送带夹角及摩擦系数不变的情况下，通过改变加速距离，即毛煤落到高速带式输送机4时的位置与物料出口5之间的加速距离；或者改变高速带式输送机物料出口5距落点的垂直距离，来调整煤与矸石落点之间的距离。对于分离出来的矸石可以回填采空区，而煤则运出地面，可以基本实现井下分离煤与矸石。

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传送到运输顺槽。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常速带式输送机，速度为0.5～1m/s左右。在水平常速带式输送机物料出口下方20～30cm处，布置倾斜高速带式输送机，速度设置为4m/s，它与水平方向的夹角为θ。单个煤与矸石质量分别为m₁、m₂，在传送带上运动的距离s＝5m，与传送带之间的摩擦系数分别为μ₁＝0.4，μ₂＝0.3。倾斜高速带式输送机末端距煤与矸石落点的垂直距离为h＝5m，水平距离分为L₁、L₂，煤与矸石做斜抛运动时的初速度分别为v₁、v₂。

对于煤与矸石而言(受力情况见图2所示)，在垂直于传送带的方向上，煤与矸石受重力沿垂直传送带方向上的分力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，故受沿传送带向上的滑动摩擦力f(mgcosθ·μ)与重力沿平行于传送带向下的分力mgsinθ。此时，若要使煤与矸石向上做加速运动，则必须满足以下条件

m₁gcosθ·μ₁>m₁gsinθ

m₂gcosθ·μ₂>m₂gsinθ

式中，m₁——煤块的质量，kg；

m₂——矸石的质量，kg；

θ——倾斜高速带式输送机与水平方向的夹角，°；

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。

在相同条件下，矸石与传送带之间的摩擦系数μ₂要小于煤与传送带之间的摩擦系数μ₁。由于要使煤与矸石均沿传送带向上运动，故

θ<min{arctanμ₁,arctanμ₂}

即

θ<arctanμ₂＝16.7°,

θ＝16°

当煤与矸石从倾斜高速带式输送机抛出时，二者会做斜抛运动，该运动可分解为水平方向的匀速运动和竖直方向的加速运动(见附图3)。煤与矸石在竖直方向上的位移为

式中，h——倾斜高速带式输送机末端距煤与矸石落点的垂直距离，m；

v₁——煤做斜抛运动时的初速度，m/s；

v₂——矸石做斜抛运动时的初速度，m/s；

t₁——煤做斜抛运动时所用的时间，s；

t₂——矸石做斜抛运动时所用的时间，s。

煤与矸石在水平方向上的位移为

L₁＝v₁ cosθ·t₁ ③

L₂＝v₂ cosθ·t₂ ④

式中，L₁——倾斜高速带式输送机末端距煤与煤落点的水平距离，m；

L₂——倾斜高速带式输送机末端距煤与矸石落点的水平距离，m。

联立①②③④得，煤与矸石落点之间的水平距离为

由上述公式算出煤与矸石落点之间的水平距离为2.54m，因此能够极有效的分离煤与矸石。

结论可以得出，煤与矸石落点之间的水平距离与传送带夹角θ、在传送带上运动的距离s、摩擦系数μ以及传送带末端距煤与矸石落点的垂直距离h有关。在传送带夹角和摩擦系数确定的情况下，增加加速距离s(即煤与矸石在倾斜高速带式输送机上的落点与倾斜高速带式输送机物料出口之间的倾斜距离)和垂直距离h可以增大煤与矸石落点之间的距离，能更好地达到分离的效果。

Claims (3)

1.一种井下利用高速带式输送机分离煤与矸石的装置，其特征在于：包括两套输送机和两个物料收集仓，两套输送机分别为水平常速带式输送机和倾斜高速带式输送机；水平常速带式输送机运送由工作面而来的煤与矸石，而倾斜高速带式输送机用于煤与矸石的分离，倾斜高速带式输送机上物料的运行方式为向上运行；两个物料收集仓分别是矸石收集仓和煤仓，二者并排放置在倾斜高速带式输送机的右下方；

倾斜高速带式输送机位于水平常速带式输送机下方，倾斜向上，与水平面夹角为θ，所述θ的取值范围为：

，μ ₁ 为煤与倾斜高速传送带之间的摩擦系数，μ ₂ 为矸石与倾斜高速传送带之间的摩擦系数；

煤与矸石在倾斜高速带式输送机上的落点与倾斜高速带式输送机物料出口之间的倾斜距离有要求，即要满足煤与矸石到达倾斜高速带式输送机物料出口时的速度小于倾斜高速带式输送机的运转速度；此时在倾斜高速传送带的速度与煤和矸石加速度确定的情况下，由公式

确定煤与矸石在倾斜高速带式输送机上的落点与倾斜高速带式输送机物料出口之间的倾斜距离；式中，v ₁ 为倾斜高速传送带的速度，x为倾斜距离，v ₀ 为煤与矸石落在倾斜高速传送带上的初速度，这里取v ₀ =0，a为煤与矸石在倾斜高速传送带上的加速度；

煤与矸石的落点距倾斜高速带式输送机物料出口的垂直距离不能太小，即要满足煤与矸石落点之间的水平距离足够分离二者；煤与矸石落点之间的水平距离L不小于1m，煤与矸石的落点距倾斜高速带式输送机物料出口的垂直距离h至少大于5m；

水平常速带式输送机的速度为0.5~1m/s；在水平常速带式输送机物料出口下方20~30cm处布置倾斜高速带式输送机，倾斜高速带式输送机的速度设置为4m/s。

2.根据权利要求1所述的井下利用高速带式输送机分离煤与矸石的装置，其特征在于：煤从倾斜高速带式输送机物料出口飞出、做斜抛运动落入右下方较远的煤仓；而矸石则落入右下方较近的矸石收集仓。

3.一种井下利用高速带式输送机分离煤与矸石的方法，采用权利要求1~2任一项所述的井下利用高速带式输送机分离煤与矸石的装置，其特征在于：由工作面而来的煤与矸石经水平常速带式输送机运送至位于其下方的倾斜高速带式输送机上，利用煤与矸石在粗糙程度上的物理差异，使煤与矸石在高速带式输送机上具有不同的加速度，进而使得二者在高速带式输送机上运行相同距离后获得不同的速度，从而实现煤与矸石的分离，矸石与煤分离后分别落入矸石收集仓和煤仓中。

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