钻式采煤机的设计及应用研究

论文摘要

钻式采煤机是一种适用于薄与极薄煤层开采的采煤设备,还可用于开采边角煤、三下压煤顶板松软破碎煤层和回收各种煤柱,特别是适合于开采保护层,使突出危险煤层的应力、应变状态和瓦斯动力状态发生改变,以达到预防煤与瓦斯突出的目的。利用钻式采煤机采煤,不仅可以提高煤炭资源回收率,而且可以实现无人工作面采煤,是一项绿色开采技术,在煤矿开采中有着巨大的市场前景。但由于我国缺乏对其设计和应用的研究,致使该项技术无法更好地适应我国煤炭开采的需要。本文首先对钻式采煤机设计及应用技术的现状与发展趋势进行了分析和研究,并提出了目前钻式采煤机的设计及应用中存在的主要问题。论文通过对钻式采煤机的截煤理论研究,提出了钻头截齿的两种截煤模式,通过建立钻头运动数学模型和力学模型及仿真分析,建立了截齿优化布置数学模型,导出了钻头主要动力学参数的计算公式。论文在对煤层各向异性分析的基础上,建立了各向异性煤层与钻头相互作用的矢量数学模型;并通过数学模型定义的特性参数得到了煤层造斜力对偏斜的影响规律。钻具组合造斜力大小与钻压、稳定器径向间隙、第一跨钻杆长度等诸多因素有关。通过求解建立的三弯矩方程组,得到了上述诸多因素与钻具组合造斜力的关系,在此基础上提出了相应的防偏措施。通过有限元仿真,初步验证了分析的正确性和所提防偏措施的有效性,并提出了钻具组合优选的三点原则,并对螺旋钻杆结构参数进行了优化设计。论文对钻具的测斜系统进行了设计研究,采用倾角传感器测量钻孔倾角,并将所测得的参数信息进行放大,经过采样保持器传送到控制系统。控制系统对接收到的信息进行处理和比较,检测实际倾角与给定值之间的偏差,然后发出控制指令驱动纠斜机构。钻具纠斜系统按控制指令动作,向液压电磁阀发出指令,控制液压系统的油缸的伸缩,进行钻具的偏斜调整,实现钻具的定向钻进。同时,论文提出了钻式采煤机瓦斯探测装置的技术指标和总体设计方案,利用目前煤矿应用成熟的瓦斯监测报警系统,实时采集煤矿井下的现场参数值,并通过分站单片机将采集到的值和预设的报警值进行安全控制,并实现远距离信号传输及监控。通过对优化采区巷道设计、瓦斯的预抽放处理和大流量的采煤工作面负压抽放等方面的研究,确定了钻式采煤机在高瓦斯薄煤层的开采工艺布置,确定了合理的回采工作面参数,为钻式采煤机在保护层开采的应用开辟了一条新的途径。利用本论文所提出的相关数学模型进行了钻具及整机设计和制造,并在徐州矿务集团韩桥煤矿7609W钻采工作面进行了工业性试验。试验结果表明,样机工作稳定、性能可靠;通过对钻进深度和推进钻压的比较,验证了偏斜机理分析的正确性和所提防偏措施的有效性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图清单
• 表清单
• 变量注释表
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出和研究意义
• 1.2 钻式采煤机主要结构与工作原理
• 1.3 钻式采煤机的发展与研究现状
• 1.4 保护层开采的研究现状
• 1.5 主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 钻式采煤机截煤理论
• 2.1 煤的主要性质
• 2.2 截割工况的影响
• 2.3 煤层与钻具相互作用
• 2.4 本章小结
• 3 钻式采煤机钻具相关数学模型
• 3.1 钻头运动数学模型
• 3.2 钻头切削模型
• 3.3 钻头的力学模型
• 3.4 钻具组合静力学模型
• 3.5 本章小结
• 4 钻式采煤机钻具的优化设计
• 4.1 钻头的优化设计
• 4.2 螺旋钻杆的优化设计
• 4.3 钻杆联接装置优化设计
• 4.4 本章小结
• 5 钻具定向控制及瓦斯探测装置研究
• 5.1 钻具偏斜原因
• 5.2 采用稳定器及双钻具组合减少偏斜
• 5.3 钻具的定向控制
• 5.4 瓦斯探测控制装置
• 5.5 本章小结
• 6 高瓦斯、薄煤层、解放层开采的前期研究
• 6.1 回采工作面概况
• 6.2 回采工作面瓦斯防治
• 6.3 回采后顶板裂隙带高度的计算
• 6.4 回采安全措施
• 6.5 本章小结
• 7 钻式采煤机的样机设计与试验
• 7.1 样机设计的要求和依据
• 7.2 总体方案设计
• 7.3 主要技术参数的确定
• 7.4 钻式采煤机工业性试验
• 7.5 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集