一种顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置及方法与流程

本发明专利涉及放顶煤工作面开采，尤其是中、低位放顶煤工作面开采。

背景技术：

煤炭资源在我国能源中处于主导地位，在整个国民经济中占有举足轻重的地位。综采放顶煤开采能实现高产、高效、低耗，是我国煤矿开采的重要开采工艺之一，因此放顶煤技术的研究和推广对我国煤炭工业的发展具有特别重要的意义。在放煤过程中，放煤控制一般采取“见矸关窗”的原则控制操纵阀关闭放煤窗口停止放煤，这种放煤工艺损失的煤炭占总损失的64％。为了提高顶煤放出率，见矸后再持续一段放煤时间，即所谓过放，这样增加了矸石的含量，降低了煤炭质量。为了保证煤炭质量，见矸后即刻停止放煤，即所谓欠放，这样造成回收率降低、煤炭资源的浪费。目前综采放顶煤的放顶煤工序仍然依靠人工来进行控制，通过经验，将煤矸流分为顶煤下放和煤矸混放2个阶段，难以进行顶煤放出率的控制，煤炭质量和生产效率在很大程度上受到人为因素影响。

另外，放顶煤开采工人劳动强度大、工作环境恶劣，亟待实施放顶煤无人自动化开采。国家安全监督管理总局在征集2016年破解安全生产难题科技攻关项目中提出：提升综放工作面自动化水平，研究煤矸灰度识别的矸石超放视频检测方法，预测顶煤放出率，实现自动化放煤。自动化放煤首先要解决的问题就是如何进行顶煤混放时的煤矸预测。

由此，实现顶煤放出率的预测，不仅能够提高顶煤回收率、提升煤炭生产质量，而且为放煤自动化提供理论依据，解决放煤自动化的先决条件，是实现综放工作面自动化开采的技术支撑。。

该专利实现了统计放煤过程顶煤的放出率和煤矸流中含矸率的关系，从而揭露深层放煤规律，实现了顶煤放出率的预测，解决了放煤过程的自动化的先决条件，填补了在放煤过程顶煤放出率预测的空白。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置及方法，旨在解决目前综采放顶煤工作面顶煤放出率无法预测的问题，克服目前因没有先进实验手段和统计计算方法实现放煤过程顶煤放出率预测的缺点，从而揭露深层放煤规律。

本发明实施例是这样实现的，一种顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置及方法，所述顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置包括：

放煤移动底板，在一定的放煤步距下，用于将存储在放煤装置内的煤炭及矸石混合物由布置在其上的放煤窗口放出；

放煤口大小调节板，安装在所述放煤移动底板内部的滑道上，通过左、右移动来调节放煤窗口的大小，从而控制放煤过程煤矸流的大小；

放煤底板传动装置，与所述放煤移动底板和放煤电机机械连接，用于实现所述放煤移动底板的机械传动，在放煤电机的带动下，用于控制所述放煤移动底板移动一个放煤步距；

放煤电机，所述放煤移动底板移动一个放煤步距的动力源，通过所述放煤底板传动装置连接到所述放煤移动底板，在控制装置的控制下，控制所述放煤移动底板每次移动一个放煤步距；

放煤电机固定机构，用于固定所述放煤电机的机械结构，使所述放煤电机在工作时有稳定的地基基础；

放煤装置，为内净尺寸6米×2米×4米(长×宽×高)的长方体容器，用于存储一定量的煤炭及矸石混合物，在统计实验前，事先将一定量的煤炭和矸石存储在放煤装置内，在统计实验过程中，打开所述放煤口大小调节板，放煤装置内的煤矸混合物通过所述放煤移动底板上的放煤窗口放出；

放煤观察窗，镶嵌在所述放煤装置的前侧，材质为透明有机玻璃，用于观察放煤装置内未被放出的煤炭层和矸石层的截面规律，以便统计计算出顶煤的放出率；

接煤移动小车，为内净尺寸1米×1米×4米(长×宽×高)长方体容器的可移动小车，放置在所述放煤移动底板的放煤窗口正下方，用于存储放煤过程被放出的煤炭和矸石；

接煤小车传动装置，与所述接煤移动小车和接煤电机机械连接，用于实现接煤电机动力的机械传动，在接煤电机的动力下，控制所述接煤移动小车按照放煤步距要求移动；

接煤电机，通过所述接煤小车传动装置机械连接到所述接煤移动小车，在控制装置的控制下，控制所述接煤移动小车与所述放煤移动底板位移同步，每次也移动一个放煤步距，保证所述接煤小车始终位于所述放煤移动底板的放煤窗口正下方；

接煤观察窗，镶嵌在所述接煤移动小车的前侧，材质为透明有机玻璃，用于观察放煤时已经下放的煤矸混合物的体积，以便统计计算出所下放的煤矸混合物总量；

放煤装置支架，由四条腿焊接的机械框架，用于支撑放置在其上的所述放煤装置并，通过四条腿上的四个支撑轴承来滚动支撑所述放煤移动底板；

控制装置，由可编程控制器、供电电源、接触器、接线端子、控制壳体组成，与所述放煤电机和所述接煤电机电连接，分别用于控制所述放煤移动底板和所述接煤移动小车在每一个放煤节拍下移动一个放煤步距，确保所述放煤移动底板和所述接煤移动小车同步；

左前底板支撑轴承，安装在放煤装置支架的左前支撑腿上，与其他三个底板支撑轴承一起，实现所述放煤移动底板的滚动支撑；

右前底板支撑轮，安装在放煤装置支架的右前支撑腿上，与其他三个底板支撑轴承一起，实现所述放煤移动底板的滚动支撑；

左后底板支撑轴承，安装在放煤装置支架的左后支撑腿上，与其他三个底板支撑轴承一起，实现所述放煤移动底板的滚动支撑；

右后底板支撑轮，安装在放煤装置支架的右后支撑腿上，与其他三个底板支撑轴承一起，实现所述放煤移动底板的滚动支撑；

在利用所述顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置进行统计放煤规律时，其方法为：

第一步、选用一定硬度、密度、颗粒大小参数指标的煤炭和矸石作为实验材料，为便于观察放煤过程煤矸分界线的动态变化，取一定量的红色和黄色染料分别与煤炭和矸石混合，将混合好红色染料的煤炭均匀平铺在所述放煤装置的下层，根据现场放煤地质条件，合理调整煤炭的厚度hc；

第二步、将混合好黄色染料的矸石均匀平铺在煤炭的上层，调节所述放煤口大小调节板到所述放煤移动底板上的放煤窗口的中间位置，用以模拟现场放煤窗口的大小，进行第一个放煤步距的放煤；

第三步、观察煤炭层的煤炭和矸石层的矸石的放出情况，当第一个放煤步距放煤结束时，根据煤炭和矸石的分层界面，画出煤矸分界线，绘制能够计算出未放煤炭量vc的截面a-b-c-d-e-a，而vc则为煤矸分界线包围面积a-b-c-d-e-a区域；

第四步、观察并测量接煤移动小车内的煤矸混合物的高度hm，并计算放出的煤炭和矸石的混合物量vm＝hm×1×1；

第五步、控制所述放煤移动底板和所述接煤移动小车向左移动一个放煤步距，进行第二个放煤步距的放煤，并再次绘制未放煤炭量vc的截面a-b-c-d-e-a，观察并测量接煤移动小车内的煤矸混合物的高度hm；

第六步、依据上一步方法，进行第三个放煤步距的放煤，并绘制未放煤炭量vc的截面a-b-c-d-e-a，观察并测量接煤移动小车内的煤矸混合物的高度hm，按照这种操作步骤，一直放完所有煤炭和矸石，完成所有放煤步距；

第七步、初步计算顶煤放出率，放煤过程中的顶煤放出率通过分析放煤前初始总煤炭的量qc与不同放煤时刻未放出的煤炭量vc来获得，即顶煤放出率其中，qc为常数，对相应的煤层高度hc，qc＝2×6×hc＝12hc；

第八步、简化计算未放煤炭量vc，在统计过程中，煤矸分界线c-d-e很难确定，因此为简化计算，通过梯形a-b-c-e-a区域面积乘以修正系数k来获得，经过多次统计实验获知，k取1.05，因此未放出的煤炭量式中，l1、l2为时间t的函数，利用数理统计方法获得分别关于t的函数l1＝f1(t)、l2＝f2(t)，因此，顶煤放出率

第九步、计算放出的煤炭和矸石的混合物量，在放煤过程中，hm也为时间t的函数，同样，通过测量，利用数理统计方法获得关于t的函数hm＝fm(t)，因而，放出的煤炭和矸石的混合物量vm＝hm＝fm(t)；

第十步、计算放煤过程的煤矸流含矸率，放煤过程的煤矸流含矸率无法直接获得，依据下放的煤矸混合物的量vm和已下放的煤炭量qc-vc，并对函数求导，即可计算出放煤过程煤矸流含矸率

第十一步、建立顶煤放出率η和煤矸流含矸率r关系，依据获得的顶煤放出率η和煤矸流含矸率r关系，建立在采煤厚度hc、放煤窗口大小、放煤步距参数下的特征曲线，便可获得顶煤放出率η的数学模型。

进一步，所述顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置及方法，能够针对不同的硬度、密度、颗粒大小等参数的煤炭和矸石，均可以通过所述顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置及方法统计出上述条件的顶煤放出率η和煤矸流含矸率r关系，获取内在的放煤数学模型。

进一步，所述顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置及方法，能够针对不同的采煤厚度、放煤步距、放煤窗口大小等采煤工艺参数，均可以通过所述顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置及方法统计出上述条件的顶煤放出率η和煤矸流含矸率r关系，获取内在的放煤数学模型。

本发明统计获得了放煤过程顶煤的放出率和煤矸流中含矸率的关系，实现了顶煤放出率的预测，从而揭露深层放煤规律，为放煤自动化的实施提供了先决条件，科研成果将极大地带动科技进步和社会、经济的发展。

附图说明

图1是本发明实施例提供的顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置总体组成主视图。

图2是本发明实施例提供的顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置组成左视图。

图3是本发明实施例提供的顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置及方法的计算不同放煤时刻未放出的煤炭量vc的几何截面图。

图中，1.放煤移动底板；2.放煤口大小调节板；3.放煤底板传动装置；4.放煤电机；5.放煤电机固定机构；6.放煤装置；7.放煤观察窗；8.接煤移动小车；9.接煤小车传动装置；10.接煤电机；11.接煤观察窗；12.放煤装置支架；13.控制装置；14.左前底板支撑轴承；15.右前底板支撑轮；16.左后底板支撑轴承；17.右后底板支撑轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明提供的顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置总体组成主视图。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

本发明的顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置及方法，该顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置包括：放煤移动底板1、放煤口大小调节板2、放煤底板传动装置3、放煤电机4、放煤电机固定机构5、放煤装置6、放煤观察窗7、接煤移动小车8、接煤小车传动装置9、接煤电机10、接煤观察窗11、放煤装置支架12、控制装置13、左前底板支撑轴承14、右前底板支撑轮15。

所述放煤移动底板1，通过所述放煤底板传动装置3与所述放煤电机4机械连接，在所述放煤电机4的动力下，通过所述放煤底板传动装置3传递转动力矩，实现所述放煤移动底板1的左右移动，实现一定的放煤步距下，将存储在所述放煤装置6内的煤炭及矸石混合物通过所述放煤装置6上的放煤窗口放出。

所述放煤口大小调节板2，安装在所述放煤移动底板1内部的滑道上，通过左右移动来调节放煤窗口的大小，从而控制放煤过程煤矸流的大小。

所述放煤电机固定机构5，固定在稳定的地基上，为所述放煤电机4提供稳定的基础。

所述放煤装置6，固定在所述放煤装置支架12的四个支撑腿上，前面镶嵌所述放煤观察窗7，用于观察和测量煤炭层的放煤截面，用于统计计算煤炭的放出率。

所述接煤移动小车8，与所述接煤小车传动装置9机械连接，由所述接煤电机10通过所述接煤小车传动装置9传递动力，实现与所述放煤移动底板1位移同步，在所述控制装置13的控制下，保证了所述接煤小车8始终位于所述放煤移动底板1的放煤窗口正下方，所述接煤观察窗镶嵌在所述接煤移动小车8上，用于观察和测量所述接煤移动小车8的接煤截面，用于统计计算下放的煤炭和矸石的总量。

下面结合附图2及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图2所示，本发明实施例的顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置组成的左视图，从图2可以看出，实施顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置还包括右前底板支撑轮16和右后底板支撑轮17。

结合附图1和附图2可以看出，所述左前底板支撑轴承14、所述右前底板支撑轮15、所述右前底板支撑轮16、所述右后底板支撑轮17，安装在所述放煤装置支架12的支撑腿上，一起支撑所述放煤移动底板1，确保了上述滚动放煤移动底板1在每一个放煤步距移动时为滚动摩擦。

图3示出了本发明提供的顶煤放出率及煤矸流含矸率统计装置及方法的计算不同放煤时刻未放出的煤炭量vc的几何截面图。从图3可以看出，在放煤过程中，未放出的煤炭量vc由形成的几何截面a-b-c-d-e-a的面积乘以所述放煤装置6的宽度2米来获得；但由于煤矸分界线c-d-e为一条难以确定曲线，因此为简化计算，通过梯形a-b-c-e-a区域面积乘以修正系数k来获得，经过多次统计实验获知，k取1.05，因此未放出的煤炭量式中，l1、l2为时间t的函数，在放煤中利用数理统计方法获得分别关于t的函数l1＝f1(t)、l2＝f2(t)，因此，顶煤放出率vc＝khc(f1(t)-f2(t))。

当计算出未放出的煤炭量vc后，顶煤放出率便可利用放煤前初始总煤炭的量qc与不同放煤时刻未放出的煤炭量vc来获得，根据图1所示的所述放煤装置6内的煤炭层和矸石层的几何关系，顶煤放出率所述放煤装置6的内净宽为2米，长6米，煤层高度hc，因此放煤前初始总煤炭的量qc＝2×6×hc＝12hc，因此，顶煤放出率

由图1所示的所述接煤移动小车8的接煤截面可以计算出放出的煤炭和矸石的总量，所述接煤移动小车8长度为1米，宽1米，接煤高度为hm，因而，放出的煤炭和矸石的混合物量vm＝1×1×hm＝hm，在放煤过程中，hm也为时间t的函数，同样，通过测量，利用数理统计方法获得关于t的函数hm＝fm(t)，因而，放出的煤炭和矸石的混合物量vm＝hm＝fm(t)。

放煤过程的煤矸流含矸率无法直接获得，依据下放的煤矸混合物的量vm和已下放的煤炭量qc-vc，并对函数求导，即可计算出放煤过程煤矸流含矸率

依据获得的顶煤放出率η和煤矸流含矸率r关系，建立在采煤厚度hc、放煤窗口大小、放煤步距参数下的特征曲线，便可获得顶煤放出率η的数学模型。

作为特殊实施例，本发明选取矸石为含页岩较多的灰褐色煤矸石，硬度为莫氏硬度3.9，密度为1.85t/m³，平均颗粒大小为10目的参数指标；煤炭种类为褐煤一号，硬度为莫氏硬度3.6，密度为1.16t/m³，平均颗粒大小为10目的参数指标；选择放煤步距为0.5m，放煤窗口大小为0.12m²，放煤移动底板的移动速度为0.2m/s，煤矸高度hc＝2m的放煤工艺参数进行统计实验，利用数理统计方法分别获得关于t的函数l1＝f1(t)＝5t²+6，l2＝f2(t)＝4t²+2t-5，hm＝fm(t)＝50t+3，因此，顶煤放出率η＝1-1/12k(f1(t)-f2(t))＝1-0.0875(t²-2t+11)。

放煤过程煤矸流含矸率

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。