矸石回填机的设计[毕业论文+CAD图纸]

矿山机械设计毕业论文：矸石回填机的设计含论文，CAD图纸

摘要

本设计提出了一种利用煤矸石直接填充采空巷道的煤矿专用矸石回填机械设备，以解决开采沉陷对地面建筑物以及工农业生产的影响问题与煤矸石升井后在地面堆放对环境产生危害的问题，此设备还可以适应采煤巷道的矸石充填以及对 “三下”(水下、道路下、建筑物下)压煤开采后填充这一煤炭行业面临的共性难题。

自移式矸石回填机由切顶支撑，机座，转向工作台，抛射带式输送机以及可伸缩带式输送机五大部件组成，用液压作为为动力源，以液压缸为动力执行元件，来实现机械的移动和调偏，实现了自动化控制，使得矸石回填效率大大提高，应用了自行设计的万向底座充分保证了支撑腿对各种角度巷道的适应性，切实保证了支撑腿的牢靠。此外，本矸石回填机行走底盘大大简化，省去了减速器等一系列的辅助部件，减少了成本，且提高了回填机的平稳性和机动性。

矸石回填技术的推广及矸石回填机的研制和不断改进，不仅消除了煤矸石堆放对环境的影响，而先采掘后填充，降低了采煤对地层岩石的破坏程度，减缓了开采塌陷对地面建筑物以及工农业带来的危害，必将会给我国“三下”煤层的开采带来新的途径，此举将产生极为可观的经济效益、环境效益和社会效益。
关键字：矸石回填机；液压控制；四杆机构；矸石不升井

Abstract

The design advances an equipment of direct use of coal gangue-filled air roadway in a coal mine waste rock backfill for machinery , to solve the problem of mining subsidence on the surface buildings and the impact of industrial and agricultural production and the harm to the environment issue that gangue on the ground well after piling up . This equipment can also adapt to the coal mining roadway and filling the "three" (underwater, roads, buildings under), the common problems of pressuring after the filling which the coal industry faces.

This equipment is made up of five major components, it supports from all the top, and the other for major components are the frame, to table, Projectile and the retractable belt conveyor .As for the use of hydraulic power source to power hydraulic cylinders for the implementation of components, machinery to achieve the movement and transfer partial, and the automatic control, makes waste backfill efficiency greatly improved. In addition, the waste rock backfill walking chassis greatly simplified, eliminating the reducer and a series of auxiliary components, reducing costs and improving the backfill for the smooth and mobility. T

Therefore, how to treat huge stocks of gangue is an urgent task faced coal mines. Treatment difficulties will be solved completely if gangue is used to fill underground emptied stopes as aggregate. At the same time, recovery rate of coal can be improved, safety pillar can be extracted, movement of layer can be restrained and ground surface can be protected. Suncun Coal Mine (SCM)

Keyword：Backfilling of gangue，Hydraulic Control，Four bar ofAgencies

Gangue or not Well

1 课题的提出及国内外研究现状

1.1煤矸石的形成机理

1.1.1煤矸石的形成机理

煤矸石（coal gangue） 是洗煤厂的洗矸、煤炭生产中的手选矸、半煤巷和岩巷掘进中排出的煤和岩石以及和煤矸石一起堆放的煤系之外的白矸等的混合物。是工业固体废弃物中排放量和堆存量最大的一种。矸石场堆放的矸石主要是采掘矸石，来自开采煤层的夹矸和顶、底板岩层，岩性主要为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、煤及少量砂岩组成。其中含有碳、氮、氧、硫、硅、铝、钾等多种化学元素（如表1.1）。

表1.1 煤矸石的化学组成

成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO2 其他

含量(%) 52~56 16~36 2.3~14.6 0.4~2.3 0.4~2.4 0.9~4.0 1.5~3.9

1.1.2煤矸石对环境的危害

煤矸石是我国工业固体废料中产生量、累计积存量和占地面积最大的固体废弃物。因为几乎所有煤矿在煤炭采掘过程中，都会产生大量煤矸石，而煤矸石的堆放日积月累就形成了煤炭企业特有的矸石山。而且，随着煤矿开采年限的增加，“山”会越堆越高，占地也越来越多。长期以来，矸石山（如图1.1）已经成为煤矿的象征。据统计，我国现有煤矸石山1500多座，堆存煤矸石30多亿吨 ，占地7.5×107 平方米 。而且每年还以约1.5～2.0 亿吨的速度递增，压占耕地面积每年以300～400余万平方米的速度递增。矸石山的堆放，不仅要占用大量土地，而且对大气、水源、土壤都会造成不同程度的污染。这一与煤炭生产相伴而生的“痼疾”，成了一个世界性难题。煤矸石对环境的危害主要体现在一下几个方面：
图1.1 矿山特产—矸石山是巨大的污染源（摄与大雁矿区）

1煤矸石自燃的危害：由于煤矸石长期露天堆放，矸石内部的热量逐接积累，当温度达到燃点时（煤的燃点一般为360°C），矸石中的残煤及其它可燃物便可自燃。全国国有煤矿有大小矸石山1500多座，大约有1/3的矸石山发生过自燃现象（如图1.2），放出的大量有害气体，如SO2、CO、CO2、H2S、NOx等，并拌有大量烟尘，对矿区环境造成了严重污染。汾西矿物局的分析资料表明：凡煤层含硫在3 %左右，其中硫铁矿占40 %以上的煤矸石，并有硫铁矿结核出现，都会引起自燃发火。 图1.2 煤矸石自燃

②危害生态环境，破坏自然景观：目前我国煤矿产生的矸石大多露天堆放，不同程度地侵占耕地，平原地区更加明显，而且还以每年400ha的速度增长。这对于人均耕地不足0.1ha的我国来说，所产生的影响是显而易见的。矸石的堆放不仅埋压或破坏了原地貌植被，而且排放过程中产生的粉尘、自燃时产生的有毒物质对植物的生存也有较大影响，主要表现在植物生长缓慢、生长量降低，草地植被种类减少、病虫害增多等，这对矿区的生态环境造成了严重危害（如图1.3）。

图1.3城市周边的矸石山对城市环境的危害

3淋溶水污染：煤矸石受到降雨喷淋或长期处于浸渍状态（如图1.4）， 矸石中的粉尘会成为水中悬浮物，有害成分溶解后进入水体、土壤、对水环境和土壤环境造成二次污染。当酸性较强的淋溶水进入水体时，对生物产生很强的冲击力，能消灭或抑制水中微生物的生长，妨碍水体自净。煤矸石中除含有SiO2、AI2O3以及铁、锰等常量元素之外，还有其它痕量重金属，如铅、镉、汞、砷、铬等，这些元素都是有毒重金属元素，在进入水体或渗入土壤后，会严重影响土壤环境或水环境。安徽淮南某矿的煤矸石淋溶水中重金属含量一般均高于土壤中相应成分含量（As除外）。表略。

图1.4 煤矸石对水体的污染

4污染空气环境：对于露天堆放的煤矸石，干燥和湿润是最重要的因素。如果潮湿的煤矸石处于冷热交替的环境下，会加速风化。而处在0.5至几米的覆层下时，风化程度大大降低。对于一些长期堆放的矸石山，由于风化严重，颗粒粉碎，稍有风吹便尘土飞扬，长期生活在这种环境中的居民，鼻咽炎、上呼吸道感染等发病率很高。

5其他灾害：矸石堆放时的自然安息角为38 ~ 40°C，如果矸石山堆积过高、坡度过大或受到人为开挖影响时，或受到爆炸或暴雨侵蚀时，就容易形成坍塌、滑坡、渣石流等灾害。而对于正在自燃的矸石山，如遇淋溶水的渗入，受热后水气急剧膨胀易引起爆炸危险，严重危及附近居民的安全（如图1.5）。如枣庄煤矿北煤井一矸石堆，1994年发生坍塌，导致17人死亡，7人受伤[1]。

图1.5矸石山的塌陷

1.1.3 煤矸石的应用现状

为了消除污染，自上世纪60年代起，很多国家开始重视煤矸石的处理和利用。利用途径有以下几种：

① 回收煤炭和黄铁矿：通过简易工艺，从煤矸石中洗选出好煤，通过筛选从中选出劣质煤，同时拣出黄铁矿。或从选煤用的跳汰机──平面摇床流程中回收黄铁矿、洗混煤和中煤。回收的煤炭可作动力锅炉的燃料，洗矸可作建筑材料，黄铁矿可作化工原料。

② 用于发电：主要用洗中煤和洗矸混烧发电。中国已用沸腾炉燃烧洗中煤和洗矸的混合物（发热量每公斤约2000大卡）发电。炉渣可生产炉渣砖和炉渣水泥。日本有10多座这种电厂；所用中煤和矸石的混合物，一般每公斤发热量为3500大卡;火力不足时,用重油助燃。德意志联邦共和国和荷兰把煤矿自用电厂和选煤厂建在一起，以利用中煤、煤泥和煤矸石发电。

③ 制造建筑材料：代替粘土作为制砖原料，可以少挖良田。烧砖时，利用煤矸石本身的可燃物，可以节约煤炭。目前，全国煤矸石砖厂的平均生产能力不足1000万块标准砖，且品种单一，不能适应市场需要。另外，我国的煤矸石综合利用发展不平衡，在华东、西南这些能源相对短缺的地区，煤矸石综合利用发展较快，利用率一般在40% 以上，其中山东煤矸石综合利用率73%。而在煤炭资源相对丰富的地区，煤矸石综合利用发展较慢，山西省的煤矸石综合利用率仅为27%。

近几年来，我国的煤矸石综合利用发展迅速，2000年全国煤矸石综合利用量达到6600万吨，比1995年增加1000万吨，综合利用率由1995年的38%升到43% ，但是煤矸石综合利用总体水平不高。目前煤矸石综合利用技术装备落后，煤矸石综合利用企业普遍存在企业规模小、竞争能力弱等弊端，一些技术含量高的煤矸石综合利用技术还未得到广泛应用。

到2005年底，煤矸石存量已达35.5亿吨，压占土地达7.5×107 平方米；并且年增量仍得不到完全利用、消减。因此，加大对煤矸石的综合整治十分必要

虽然煤矸石能够利用，可是以上所述的利用途径不能完全的消除煤矸石对环境及工农业的危害，

1.2矿井开采沉陷问题

矿山开采沉陷造成地表下沉而带来一系列灾难性的后果, 如平地积水、农田减产、道路裂缝、房屋倒塌等, 成为耕地减少的重要原因, 也是制约矿山生产的瓶颈之一。我国现有矿山企业几万家,年采矿总量约20 多亿吨。在各种矿产中,煤炭的产量比例最大。在各类矿山中,井下开采又是最主要的方式。据调查测算,井下开采每万吨原煤造成的土地塌陷在0. 5～8 亩之间,平均为2～3 亩。按我国原煤产量推算,每年仅采煤行业导致的土地塌陷即达40 万亩。据不完全统计, 我国因采矿业造成的地面塌陷面积已达500～600 万亩, 其中耕地为130 万亩, 这对于土地资源本来就十分紧缺的我国无异于雪上加霜[2]。就环境破坏而言, 我国每年矿山沉陷的总体损失大于地震, 对此必须引起高度重视。要大力开展土地复垦、保护生态环境,坚决杜绝先开发后治理的恶性循环, 以保持矿区的可持续发展。

根据对全国主要矿区的调查，平均每采万吨煤沉陷土地0.2公顷，淮北矿区为0.28公顷。淮南、淮北地区90%为耕地，破坏的土地现在以每年2000公顷递增。我国每年因矿区村庄搬迁就要征占土地1485公顷，每年因煤炭开采减少土地面积12.5万公顷左右,如鸡西、鹤岗、双鸭山、七台河、勃利、梅河口、蛟河、衫松岗、抚顺、本溪、铁法、阜新、北票、南票、唐山、兴隆、门头沟、鹤壁、井陉、邯郸、邢台、峰峰、新密、新郑、临沂、平顶山、大同、阳泉、太原西山、邯城、铜川、徐州、淮南、淮北、兖州、枣庄、淄博、龙口、大屯、马田、韶关, 等等。这些市镇都存在着矿山沉陷问题。华中的淮北矿区,从投产之年至2000 年,塌毁农田累计达10 万余亩（如表1.2）, 其中常年积水的占38 %。由于历史原因,许多矿区地上城市、建筑与地下开采活动缺少统一规划, 城市往往围绕矿井自由发展, 新老采区的地表不断下沉, 致使地面城镇建筑、管线等遭到不断的、严重的损坏。不少重灾区城市多次搬迁、重新投资建设。

表1.2 开采沉陷损害和赔征土地统计表

项目矿区 矿井原煤年产量（万t） 原煤累计产量（万t） 沉陷面积（亩） 万吨沉陷率（亩/万t） 最大

沉陷深度（m） 赔偿征地总面积（亩）

抚顺 403 15 673 33 750 2.2 16.5 14 918

沈阳 462 11 698 36 615 3.1 6.0 9 794

通化 261 6 300 33 900 5.3 15.0 1 356

鸡西 1 604 35 110 161 205 4.6 9.1 1 298

七台河 800 6 190 36 840 5.9 2.0 5 170

平庄 421 7 153 26 460 3.7 18 17 590

大雁 162 1200 4 095 3.4 19.3

开采沉陷对土地的破坏严重。地表沉陷引起土地排水系统破坏，微型地貌变化导致地面小气候和水热气肥等土壤因子变化，水土流失加剧，大幅度降低土地的利用价值，造成农作物减产或绝收（如图1.6）。

图1.6某矿区地面沉陷后的荒凉景象

我国人均耕地只有0.079公顷，不到世界人均耕地的1/4，土地负荷几乎达到极限。我国农业人口众多，土地珍贵。土地破坏引发工农纠纷，加重就业负担，导致一系列问题。开采沉陷引起建筑物、铁路、公路、其他道路、桥梁、管线、供电和通讯系统破坏，地表防洪、蓄水设施等破坏，严重时导

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