煤的破碎特征研究

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图 2 各组冲击试验的分形曲线
表 3 试验结果分析
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3 R
A 0. 84 0. 84 0. 84 1. 54 1. 54 1. 54 2. 42 2. 42 2. 42 7. 26 6. 34 5. 53 1. 73
B 6 8 10 6 8 10 6 8 10 5. 07 6. 77 7. 29 2. 22
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（ 责任编辑： 秦爱新）
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注： A 为坚固性系数； B 为冲击速度； C 为冲击次数。
由试验结果可知： 影响分形维数的因素中，冲击 速度大小的影响最为显著，物料硬度的影响次之，冲
击次数的影响很小； 分形维数随着物料硬度的增加 而减小，随着冲击速度的增大而增大。
4 结论
（ 1） 使用分形方法可以描述煤的冲击破碎块度 的分形特征。
对于粒度分布规律的研究，国内外学者更多地 对爆破荷载作用下岩矿材料破坏后的碎块分形特征 进行了探讨，而对一般性机械破碎作用对岩矿碎块 的分形特征关注不多，文献［6］和［7］对单轴压缩加 载破坏后 的 岩 石 碎 块 分 形 性 质 进 行 了 研 究，文 献 ［8］建立 了 旋 转 钻 井 中 钻 头 破 碎 岩 石 的 分 形 模 型， 文献［9］对螺旋滚筒截割煤的分形特征进行了试验 研究，而对煤和矸石的冲击破碎块度分形特征的研 究很少。因此，本文以煤为研究对象，通过冲击式破 碎试验，探讨煤的冲击破碎块度分形特征。
冲击速度 / （ m·s － 1 ） 6 8
10
冲击次数 1 2 3
根据确定的因素水平，选用正交表 L9 （ 34 ） 安排
2012 年第 8 期
马繁胜： 煤的破碎特征研究
总第 200 期
试验。
3 试验结果与分析
正交试验的试验安排和结果见表 2。
表 2 试验安排及结果
序号 A B
1 0. 84 6 2 0. 84 8 3 0. 84 10 4 1. 54 6 5 1. 54 8 6 1. 54 10 7 2. 42 6 8 2. 42 8 9 2. 42 10
块度累积分布 /% C
50 mm 70 mm 90 mm 110 mm 130 mm 150 mm
1 43. 6 59. 5 72. 3 87. 2 93. 1 100 2 64. 9 79. 6 93. 7 100. 0 100. 0 100 3 73. 4 87. 1 97. 5 100. 0 100. 0 100 2 23. 6 37. 9 52. 1 77. 4 91. 2 100 3 54. 2 71. 3 83. 1 91. 6 95. 8 100 1 51. 2 60. 7 72. 5 83. 7 96. 1 100 3 16. 2 30. 8 48. 7 70. 3 86. 3 100 1 30. 5 43. 9 65. 1 76. 1 93. 7 100 2 53. 3 64. 8 79. 7 87. 3 100. 0 100
1 试验装置
试验装置由送料胶带、刮板输送机槽、高速胶带
收稿日期： 2012 － 05 － 02 作者简介： 马繁胜（ 1976—） ，男，山东兖州人，助理工程师，1997 年 毕业于西安仪表工业学校，现从事矿用电气设备研究工作。
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表 1 各水平试验因素情况
试验号
水平 1 水平 2 水平 3
坚固性系数 0. 84 1. 54 2. 42
总之，不考虑现场条件限制及监测时人为测量 误差等因素引起的数据不合理现象，从整体上来看， 下部煤层回采工作面的推进对上部煤层回风巷道影 响最大的范围为工作面前方 100 m 和工作面后方 80 m。其中，变形最为严重的区域在相对工作面 20 m 和 － 20 ～ 60 m，最大值达 25 mm / d。相对工作面 80 ～ 40 m 范围内，变形速度平均值为 7 mm / d； 在 40 ～ 20 m 范围内，巷道变形速度平均值为 13 mm / d； 相对工作面距离 － 60 m 以后，巷道变形速度逐渐减
3 动压影响范围确定
综合各测点顶底板、两帮移近量的变形规律以 及特定点的变形情况，可以得出： ①回采工作面的回 采活动对回风大巷的影响范围约 200 m； ②随着工 作面的推进，回风大巷顶底板移近量的影响区域为 工作面前方 80 m 和后方 60 m 范围内，其中在相对 工作面 20 ～ － 20 m 内 最 为 严 重，最 大 值 达 到 20 mm / d； ③回风巷两帮影响最大区域在工作面前方 100 m 处和工作面后方 80 m 处，其中变形最严重的 区域在工作面前方 20 m 和后方 20 ～ 60 m 范围内， 最大值达到 25 mm / d。
4 结语
（ 1） 回采工作面的回采活动对回风巷道的影响 范围约为 200 m，其中工作面前方影响距离为 80 ～ 100 m，后方 60 ～ 80 m。
（ 2） 变形最为严重的区域发生在工作面前方 20 m 和后方 20 m 范围内，在工作面推过 10 m 后，变形 速度最大值达到了 20 mm / d。
碎块度的分布特征。分析煤的冲击破碎块度分形维数的影响因素，冲击速度的影响最为显著，物料硬度的影
响次之，冲击次数的影响很小； 分形维数随着煤硬度的增加而减小，随着冲击速度的增大而增大。
关键词： 冲击破碎； 分形特征； 正交试验
中图分类号： TD921． 2
文献标志码： B
文章编号： 1003 － 0506（ 2012） 08 － 0024 － 02
2012 年第 8 期
中州煤炭
总第 200 期
煤的破碎特征研究
马繁胜
（ 山东能源机械集团 通力装备制造有限公司，山东 莱芜 271100）
摘要： 根据分形理论建立了煤的冲击破碎块度分布分形表达式，并利用冲击式破碎装置进行了正交试验。结
果表明： 在双对数坐标下的回归曲线均为直线，并且线性回归良好，说明使用分形方法可以描述煤的冲击破
加速器、压料装置和破碎板组成（ 图 1） 。煤通过送 料胶带顺着刮板输送机槽滑落到高速胶带加速器上 时，压料装置保证物料不滑动，使其高速冲击前置的 破碎板。高速胶带加速器通过变频器调整速度，以 使物料获得不同的冲击速度。
图 1 试验装置布置
2 试验方法
试验煤样分别取自山东良庄煤矿、大刘煤矿和 徐州夹河煤矿，其坚固性系数分别为 0. 84、1. 54 和 2. 42。用筛子筛分出 50 ～ 150 mm 的块状煤样，从 中均匀取出 9 份，每份 200 kg，利用直射式冲击破碎 装置进行冲击破碎正交试验。将煤的硬度、冲击速 度和冲击次数作为试验因素，各因素设 3 个水平状 态。因素和水平情况见表 1。
（ 2） 影响煤的冲击破碎块度分形维数的因素 中，冲击速度大小的影响最为显著，物料硬度的影响 次之，冲击次数的影响很小。
（ 3） 分形维数随着煤硬度的增加而减小，随着 冲击速度的增大而增大。
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注： A 为坚固性系数； B 为冲击速度； C 为冲击次数。
将试验所得的块度累积分布结果建立在 Mx /M － x / xmsx的双对数坐标系上，应用 Origin8. 0 软件进 行曲线拟合，结果如图 2 所示。
从图 2 可以看出，9 组试验结果在双对数坐标 下的回归曲线均为直线，并且线性回归良好。说明 使用分形方法可以描述煤的冲击破碎块度分布的分 形特征。
C 1 2 3 2 3 1 3 1 2 6. 47 6. 31 6. 35 0. 16
分形维数 D 2. 23 2. 44 2. 59 1. 53 2. 45 2. 36 1. 31 1. 88 2. 34
相关系数 R2 0. 982 0. 983 0. 945 0. 987 0. 952 0. 990 0. 989 0. 985 0. 993
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根据线性拟合曲线，可得斜率 b 值及相关系数 R2 ，由 b 值可求得相应的 D 值。利用正交试验的直 观分析方法对分形维数 D 值进行分析，找出对分形 维数影响的主次因素。结果分析见表 3。
表 3 中，各因素水平效应值 Ki 为各因素在 i 水 平状态下分形维数指标之和； 极差 R 为各因素水平 效应值中最大与最小值之差，它是衡量分形维数波 动大小的重要指标，极差大的因素，其变化程度对分 形维数影响就大，反之则小。
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（ 责任编辑： 许久峰）
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Βιβλιοθήκη Baidu
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2012 年第 8 期
中州煤炭
总第 200 期
形速度开始减少，在 － 80 m 之后巷道变形速度开始 趋于稳定。
小； － 80 m 以后巷道变形速度为 2. 5 mm / d，变形趋 于稳定。
随着采煤机械化程度的提高和对夹矸煤层的开 采，煤中混入的大块矸石量逐渐增加，降低了原煤质 量； 大量矸石进入选煤作业，影响选煤效率，增加了 分选成本。同时，矸石大量堆积在地面，成为矿山企 业环境污染的主要危害源。在井下直接进行煤矸分 选，不仅可以提高原煤质量，降低选煤成本，而且可 为井下矸石充填提供原料，解决矸石的地面排放问 题［1-2］。煤和矸石破碎分选是实现井下煤矸分选的 有效方法［3-4］，用分形维数表示矿石的块度分布，可 恰当地反映其破碎的统计特征［5］。因此，煤和矸石 破碎块度的分形特征研究可为破碎分选技术和设备 的开发提供理论基础。