(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211122648.7 (22)申请日 2022.09.15 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221116 江苏省徐州市大 学路1号中国 矿业大学 (72)发明人 钮月　邓淇　刘应科　龙昭熹　 刘宏倡　丁军海　王景昆　罗飞扬　 施维　王佳丽　尚少康　王红浩　 徐盛华　向贺　 (74)专利代理 机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 专利代理师 李悦声 (51)Int.Cl. G01N 1/08(2006.01) G01N 1/28(2006.01) (54)发明名称 模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎 实验系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种模拟物理流态化采煤的 底槽落煤精细破碎实验系统及方法， 属于采矿工 程领域。 包括系统支架， 系统支架上设有双动力 源， 双动力源 连接有垂直向下设置的可伸缩采煤 钻头， 可伸缩采煤钻头下方设有方便拆卸更换的 用以模拟钻孔底部包含积水以及落煤的筒状容 器； 利用电机驱动机械钻头进行竖向移动与周向 旋转， 对底槽中处于淹没状态的大块落煤进行精 细破碎； 统计煤体精细破碎后颗粒的粒径与几何 形状， 基于扁平率、 凸度等参数构建综合指标， 对 碎煤效果进行评估； 针对不同现场采煤条件， 研 究利用机械钻头精细破碎底槽落煤的方法， 选择 合理的钻头工况参数组合， 从而优化现场深部矿 井物理流态化采煤的技 术方案， 指导工程实 践。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115452455 A 2022.12.09 CN 115452455 A 1.一种模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统， 其特征在于： 包括系统支 架， 系统支架上设有双动力源， 双动力源连接有垂 直向下设置的可伸缩采煤钻头， 可伸缩采 煤钻头下 方设有方便拆卸更 换的用以模拟钻孔底部包 含积水以及落煤的筒状容器； 双动力源包括控制钻头竖向上下移动的轴向电机(1)以及控制钻头周向旋转运动的周 向电机(4)； 系统支架包括左右垂直设置的两个外侧竖直支架(6)， 两个外侧竖直支架(6)顶部之间 设有水平支架(3)、 底部之间设有底座(14)， 两个外侧竖直支架(6)底部分别设有可调节的 底座支角(15)； 所述轴向电机(1)通过液压杆(2)设置在水平支架(3)上， 水平支架(3)与底 座(14)之间平行两个外侧竖直支架(6)分别设有两侧的与水平支架相对滑动的内侧竖直支 架(9)， 外侧竖直支架(6)与内侧竖直支架(9)之间底部通过固定装置b(18)连接固定， 内侧 竖直支架 中间设有 能够在内侧竖直支架(9)上下移动的可移动支架(8)， 可移动支架(8)下 方设有钻头(10)， 钻头(10)上方通过连接杆(5)与液压杆(2)连接， 周向电机(4)设置在可移 动支架(8)上， 并通过旋转轴承(7)驱动钻头(10)旋转； 筒状容器包括推车(12)， 推车(12)包括推车平台(20)， 推车平台(20)一侧设有推车手 柄(21)， 推车平台(20)下方设有推车脚轮(13)， 上方设有开口向上的筒状结构的底槽(11)， 底槽(11)上开口设有可拆卸更换的套筒筒身(25)， 套筒筒身(25)设有多种不同内径尺寸， 根据需要更换套筒筒身(25)从而模拟不同孔径的钻孔， 底槽(11)中存有模拟钻孔积水的混 合水， 混合水中设有漂浮状态的模拟掉落煤体， 多块煤体处于淹没状态并能相对移动， 模拟 物理流态化采煤模式下钻井底槽大块落煤的现场环境， 最后利用钻头(10)同时进 行竖向移 动和周向旋转对淹没环 境中可移动的底槽(11)中落煤进 行滚压与切削， 使其破碎为细 小颗 粒状。 2.根据权利要求1所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统， 其特征在 于： 所述套筒筒身(25)上开口设有与底槽上沿固定的套筒上沿(19)， 底槽(11)上沿外侧设 有与套筒筒身(25)上沿匹配固定用的销栓(23)， 。 3.根据权利要求1所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统， 其特征在 于： 底槽(11)的底部中心处设有根据需要控制开合的排水阀门(22)， 排水阀门(22)通过管 路连接设置在底槽(1 1)侧面的排水 龙头(24)。 4.根据权利要求1所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统， 其特征在 于： 套筒筒身(25)包括不同内壁粗糙程度、 不同刚度的类型， 从而模拟不同采煤 现场的钻井 底槽条件。 5.根据权利要求1所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统， 其特征在 于： 钻头(10)能够拆卸并替换， 可根据需求更改钻头的类型、 型号、 尺寸 规格参数。 6.根据权利要求1所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统， 其特征在 于： 底座(14)连接有便于推车(12)移动的斜坡(16)， 推车(12)的底部设有脚轮(13)， 能够将 推车(12)及推车(12)上的底槽(1 1)推送至底座(14)上的固定装置a(17)处与底座固定 。 7.一种使用上述任一权利要求所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系 统的试验方法， 其特 征在于步骤如下： 1)根据需要在推车(12)上的底槽(11)安装与模拟需要匹配的套筒筒身(25)， 之后在底 槽(11)中灌入混合水模拟钻孔内积水， 混合水包括水及模拟地区的泥沙混合体， 之后根据权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115452455 A 2模拟要求在混合水中放置松散的大块落煤使得煤体处与淹没环境中， 从而模拟掉落钻孔底 部的煤体； 2)将推车(12)推入底座(14)， 并通过固定装置a(17)固定推车(12)底部的推车脚轮 (13)从而将底槽(1 1)固定在钻头(10)的正下 方； 3)设定钻头(10)的工况参数， 调整钻头(10)与煤块的相对位置， 通过轴向电机(1)驱动 钻头(10)移动从而 使两者接触并压实； 4)启动周向电机(4)使钻头(10)旋转， 同步记录钻头(10)的工况参数： 负载、 下降速度、 转速、 扭矩， 的动态变化并实时显示； 5)钻头(10)对混合水中的煤体进行碎煤， 碎煤过程结束后， 导出实验数据， 取出底槽中 破碎后的煤 颗粒； 6)对煤颗粒干燥后， 统计煤颗粒的粒径分布结果， 计算粒径尺寸的期望与方差指标； 对 煤颗粒的三维结构进行解算， 统计扁平率、 凸度、 纵横比、 球形度单一参数， 定义参数权重， 构建描述颗粒形状的综合指标； 结合实验结果对综合指标进行验证并修正， 综合评估煤体 破碎效果； 通过研究不同工况参数下煤体破碎后颗粒形态的统计结果， 获取尺 寸较小、 形状 接近球形的最优的工况参数组合： 当颗粒尺 寸的最长边低于2c m， 且越接近球形则说明工况 参数组合越好； 7)更改钻头(10)的工况参数， 重复步骤2)～6)进行实验； 8)基于变量控制法进行分组实验， 研究钻头的负载、 下降速度、 扭矩、 转速工况参数对 碎煤效果的影响； 9)统计不同工况组合下碎煤评估指标， 建立神经网络分析模型结合实验结果进行分 析， 通过拟合获取钻头对煤体精细破碎的优选 工况； 10)根据实际需要， 可改变煤体的初始性质： 煤体坚固性系数、 煤体组分、 煤块初始尺 寸， 与底槽(11)的不同内壁粗糙程度、 不同刚度的类型， 利用钻头(10)进一步精细破煤体， 能够使破碎后的煤炭的颗粒尺 寸和形状符合射流泵的最优提升与输运条件； 重复步骤2)～ 9)， 研究获取针对不同现场采煤条件下的机械钻头精细破碎底槽落煤的优选工况参数组 合， 优化物理流态化采煤技 术方案， 指导工程实 践。 8.根据权利要求1所述试验方法， 其特征在于： 钻头(10)对混合水中的煤体进行碎煤 时， 轴向电机(1)通过竖直的液压杆(2)驱动钻头(10)做轴向上下运动并施加负载， 周向电 机(4)通过旋转轴承(7)带动钻头(10)做轴向旋转破碎煤体， 轴向电机(1)驱动钻头(10)不 断向下接触到煤， 对煤施加压力/负载和旋转能产生的扭矩， 使得煤体被压被扭破碎； 随着 大块煤不断破碎成颗粒， 电机驱动钻头不断地下降并压实煤块； 钻头(10)的下降速度、 对煤 体的压力， 旋转的转速和扭矩均会影响粉碎效果。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115452455 A 3