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1、沈阳理工大学 硕士学位论文 原煤坚固性系数的自动检测装置研究 姓名：袁阳 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：刘文波 2011 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 随着我国工业的发展，工业对煤炭的需求量日益增加，煤炭开采安全已成为 社会备受关注的问题。煤的坚固性系数是判断煤层突出危险性的重要指标之一。 煤的坚固性系数一般不能在井下直接测定，而是在工作面采集煤样后送到实验室 按照行业标准用“落锤法”进行测定。现今实验室都是手动测煤的坚固性系数， 劳动强度大且比较费时。现对此方法做了改进加入一些必要控制使其实现自动化。 本文对“落锤法”测煤坚固性系数装置基本原理、基本结构、相关运动控制 及测煤粉高
2、度等方面作了较为简要的分析和研究。根据落锤法的基本原理作了结 构和控制方面的设计，并对整个工作过程作了详尽的分析说明。 （1）在分析了行业标准“落锤法”测煤坚固性系数的基础上，对整体结构作 了简要的设计和构想。 （2）根据“落锤法”砸煤要求，对上料机构、砸煤装置和筛煤装置作了详尽 的设计。 （3）采用差动变压器原理的位移测量装置测煤粉的高度，并做出了装置的电 路框图。 （4）探讨了其它一些外界环境对煤坚固性系数的影响和其发展方向。 关键字： 煤的坚固性系数；位移测量装置；振动筛 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract As Chinas industrial development, it
3、 is increasing the demand for coal; Coal mining safety has become a major concern of social. Mining risk of underground coal mining are also increasingly prominent, consistent coefficient of coal seam is to determine key indicators highlight the dangerous one. Consistent coefficient of coal in the p
4、it are generally not directly measured, but in the face of coal samples collected and sent to laboratories in accordance with industry standards with “drop hammer“ were determined. Manual testing laboratory are now consistent coefficient of coal, labor-intensive and time-consuming. Now this method h
5、as been improved by adding some control to be automated. (1) On the basis of the analysis of the industry standard “drop hammer” measuring coal consistent coefficient. (2) According to “drop hammer“ requirement, made a detailed design such as on the feeding mechanism, smashing equipment and screenin
6、g coal plant coal. (3) Measuring device adopted the principle of differential transformer displacement measure the height of coal and making the circuit diagram of the device. (4) The external environment of a number of other factors on the robustness of the impact of coal and its development. Keywo
7、rds: Consistent coefficient of coal; Displacement measuring device; Shaker 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 本课题的研究背景和意义 随着煤炭产业的发展，煤矿事故的频频发生人们对采矿安全越来越重视，煤 的坚固性系数是判断煤层突出危险性的重要指标之一。煤矿地下采掘过程中，在 极短的时间内(几秒到几分钟),从煤岩层内以极快的速度向采掘空间内喷出煤(岩) 和瓦斯( 4 CH 、 2 CO )的现象，称为煤与瓦斯突出。煤与瓦斯突出是由地应力瓦斯 和煤的物理力学性质综合作用的结果。煤的坚固性是煤的各种性质所决定的抵抗
8、 外力破坏能力的一个综合指标， 用坚固性系数 f 表示， 实践表明： 坚固性系数 （f） 越小的煤层突出危险性越大。对采集的工作面煤样按照行业标准用“落锤法”进 行测定，现用的落锤法操作繁琐且受人为干扰大，其主要分以下几个工序 ： （1）将煤块放入底筒，用手提起落锤（重2.4 kg ）高度达到600mm 时 使其 做自由落体运动，砸煤三次完成砸煤过程。 （2）将砸煤过程得到的煤粉放入分样筛（孔径0.5 mm ）上筛分。 （3）将得到的煤粉倒入量筒中测量其高度。 当煤粉测得的高度 L 大于30mm 冲击次数可定为3次，当 L 小于30mm 则第一组 试样作废冲击次数改为5次。通过加入自动控制装置
9、，实现自动上料、砸煤、筛煤 和测煤高，减轻了实验者的劳动强度。煤的坚固性系数作为判断煤层突出危险性 的重要指标对其测量的是否准确至关重要，自动检测装置减少了人为因素的影响， 提高了测量的精度。“落锤法”测煤的坚固性系数是目前最标准的测定方法，其 它的测定方法都是基于次方法的基础上进行的。对它的 研究具有明显的社会效益 和经济效益，对减少煤矿事故和减轻事故损失具有重要的意义。本文对原煤坚固 性系数自动检测装置做了结构设计和 试验研究，具有一定的实际意义和理论指导 价值。 沈阳理工大学硕士学位论文 2 1.2 原煤坚固性系数检测的发展状况 1909年普洛托奇雅可洛夫首次用坚固性概念来分析在煤中钻眼
10、的生产率1。 1911年, 他提出用岩石抗压强度的一百五十分之一表示岩石的坚固性系数f 值, 1921年改用抗压强度的八十分之一，1926年改用抗压强度的百分之一。1952年， 普氏之子提出测定f 值的捣碎法，并被当时的苏联科学院采矿研究院推荐为暂行 统一方法， 1975年确定为苏联国家标准。f 值在国内煤岩分类、煤与瓦斯突出等 领域得到了广泛应用。在突出煤与瓦斯研究领域，随着区域预测的开展，f 值作 为煤体强度指标与瓦斯压力p , 开采深度H , 瓦斯放散初速度$p 相结合, 建立了 区域预测综合指标D 和K 1目前, 测定f 值有四种方法, 这些方法不仅测定煤样份 数、原始粒度和夯捣次数规
11、定不一致, 而且测定煤样重量也不相同, 这必然给测 定值的统一性和可比性带来疑问, 严格说来计算出的D , K 已不再是同一物理量。 近年来，随着煤炭行业的快速发展，对测煤坚固性系数的方法也有了很大的 进步。2007年，由 赵旭生、胡千庭、邹银辉、康建宁通过对不同坚固性系数煤层 的煤屑加载破坏试验的数据分析和总结，提出了一套新的坚固性系数快速测定原 理和方法,为推广新的突出预测综合指标提供了保证。煤的抗破坏能力主要与煤的 机械强度、硬度和煤的结构等参数有关，但煤的力学参数测定比较复杂，而煤的 坚固性系数（f）的测定相对简单，所以，一般用f值综合反应煤的抗破坏能力2。 “落锤法”f值测定原理是在
12、一定冲击功作用下，煤的破碎功与破碎物所增加的表 面积成正比，通过测定在固定冲击破碎功下煤粉碎至某一粒度的量来计算f。对于 一定粒径和力学性质的材料颗粒，使其达到粉碎时所需要的功与作用于材料粒子 上的最大载荷有关。粉碎功可通过粉碎过程中所作的机械功获得。可用图1.1所示 的原理近似测定煤的坚固性系数。粉碎煤块的过程是：在外力作用下，煤屑之间 的空隙首先被压缩，煤屑被压紧，随着力的不断增加，煤屑逐步粉碎，总变形量 加大。煤的坚固性系数越小，则在相同的加压过程中，越容易粉碎，煤屑整体的 变形则越大。所以，在测试环境和煤的密度基本相同的条件下，煤的坚固性系数 测定值主要与煤的粒径、所加载荷、煤样筒的直
13、径、压缩量 12 ()LLLL =，（其 中 1 L ， 2 L 分别为初始和煤粉碎时的行程 ）有关。 其原理图如图1所示： 第 1 章 绪论 3 图 1.1 原煤坚固性系数测定原理 原煤坚固性系数快速测定装置主要由煤样筒、液压腔、压力表和加力杆等组 成，对每个采集的煤样，用落锤法和快速测定法两种方法进行测定，将落锤法测 定所得的f 值作为标准，与快速测定法进行对比。煤屑粒度定为 43dB。5bits相位控制可实现最小11.5 的相位改变。频率控制和相位调节可采用并行或串行方式。 AD9851工作电压范围较宽， 为2.75.2V，180MHz工作时的功耗为550mW， 功耗低，在2.7V时仅为
14、4mW。AD9851采用28脚表面贴装形式封装。9851内部 有一个高速比较器 实为一个高速运放，将DDS输端出接入该比较器的一个输入 脚， 在另一个输入脚接上做比较的直流电平， 就可以输出与DDS输出同频率的方 波，改变直流电平就可以改变方波的占空比。 沈阳理工大学硕士学位论文 34 图 3.8DDS 与单片机接口电路 为了使差分运放稳定工作，将THS4503的放大倍数设置为1，并根据其应用 电路配置反馈电阻。为了增强其对感性负载的驱动能力，从THS4503出来的两路 差分信号经过两片AD811进行放大，以达到足够的幅值送给整流二极管整流，再 经过两级电容滤波，得到平滑的直流电压。由于A/D
15、只能采样正电压，在输出负 电压的一路采用由通用运放LF353构成的一级反相器进行反相，另一路加一级电 压跟随器进行阻抗匹配。同时为了消除数字电路对模拟电路的干扰，数字地和模 拟地分开，它们之间用磁珠相连进行处理，达到较好的抗干扰效果。设计的电路 如图3.9所示： 图 3.9 差动变压器与前缀、后缀接口电路 电机驱动采用PWM方式控制，MSP430F149通过内部定时器产生PWM信号， 通过光耦进行隔离，驱动电机运转，同时通过继电器控制电机的正反转，以达到 精确控制磁棒位置的目的。 第 3 章 测煤粉高度装置设计 35 直流电机连接减速装置带动齿轮旋转，齿轮带动齿条移动，从而实现磁棒的 上下移动
16、。这里选用电机型号为：Z2系列小型直流电机，电动机可用三角皮带、 正齿轮或弹性联轴器进行传动，不使电机轴承受轴向推力。电动机可在正传或逆 转情况下正常工作。 硬件电路是整个系统的基础，在该系统的硬件电路设计制作过程中，应注意 以下几点： 1. 电源。 电源的参数指标决定着整个系的性能指标， 在电源电路设计过程中， 应注意数字电路对模拟电路的干扰，电路中数字地和模拟地应当分开处理，尽可 能采用独立的两组电源分别给数字部分和模拟部分进行供电。 2. 激励源信号。 从DDS出来的100kHz正弦信号要进行滤波， 尽可能消除高 频分量。送入差分运放器的正弦信号要进行隔直处理，去掉直流偏置，否则 THS4503会烧毁芯片。 3. A/D转换电路。ADS7886对干扰很敏感，不能用排线将其数据端与430单 片机进行连接，要用分散尽可能短的线进行连接，否则430单片机无法读到A/D 转换后的数据。 4. 电机驱动电路。直流电机在运行过程中会产生强的电磁干扰，要充分考虑 到直流电机的影响，电机驱动电路要加足够的电源滤波电容。 5. 线圈电路。系统中差动变压器实际上
