本发明涉及矿物加工技术领域，尤其涉及一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置及方法。
背景技术：
煤炭是我国主体能源，需求量居高不下。随着煤矿开采深度的增加，煤矸石的提升运输费用和提升难度也在急剧提高。另外，考虑到煤矸石提升至地面后，容易形成地表固体废弃物污染环境，因此，处理煤矸石的最佳方案是在井下将其破碎后用于采空区充填。
煤岩体的破碎方式可分为机械能破碎和非机械能破碎。其中利用高压电脉冲放电碎岩的新式技术就属于非机械能破碎。使用高压电脉冲放电破碎矸石可以避免产生飞石，且由于其密度高、破坏性强的特点能完成破碎效果好、破碎效率高的工业目标。目前，常规的机械能破碎设备一般包括颚式
破碎机、圆锥破碎机和辊式破碎机。颚式破碎机是通过周期摇动颚板压碎物料实现破碎，但容易因给矿不均匀引发颚板磨损不均匀，破碎效率较低。圆锥破碎机能利用内锥绕外圆锥做偏心运动压碎在两锥间的物料，但是存在结构复杂、造价高、机身高、检修困难等缺点。对辊破碎机是利用一对相向转动的圆辊破碎物料，相较于其他类型的破碎机，具有结构简单、机体紧凑轻便、安装维修方便等优势。本发明将高压电脉冲放电碎岩技术与对辊破碎机进行结合，充分发挥两者的优越性，实现煤矸石的有效破碎，辅助煤矸石在井下充填采空区的活动。
技术实现要素：
本发明的目的是为了针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置，该装置对粗细矸石进行筛分，体积较小的矸石由破碎辊实现破碎，体积较大的矸石在脉冲放电产生的等离子体及其强力的冲击波的作用下，形成损伤和破坏，从而更高效快捷地完成矸石的破碎，辅助其在井下充填采空区。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置，包括破碎装置外壳，该破碎装置外壳内置机械破碎区、脉冲破碎区、水循环单元以及等离子体发生装置，所述机械破碎区和脉冲破碎区位于等离子体发生装置的两侧；破碎装置外壳的上部开设有进料口，下部开设有第二出料口、第一出料口；
机械破碎区从上至下依次设置的第一倾斜粗筛网、破碎辊、第二倾斜细筛网，所述第一倾斜粗筛网低处连接至脉冲破碎区，将大块矸石引导至脉冲破碎区，第一倾斜粗筛网位于进料口下方，所述第二出料口位于第二倾斜细筛网的低处，所述第一出料口位于第二倾斜细筛网的下方；
脉冲破碎区内具有等离子体放电容器，等离子体放电容器的侧部由正极板和负极板围成，底部为过滤网，所述等离子体放电容器的下部设有暂存区域，暂存区域包括固定板和倾斜底面，所述倾斜底面的高处边固定于等离子体放电容器的底部一侧边缘，倾斜底面的两侧分别设有一块固定板，固定板与倾斜底面及等离子体放电容器底部的连接均呈密封状态，倾斜底面的低处与等离子体放电容器的底部另一侧边缘之间为暂存区域的开口，该开口处设有翻转挡板，翻转挡板的上侧边铰接于等离子体放电容器的底部，翻转挡板外侧面与等离子体发生装置之间设有液压撑杆；
水循环单元包括蓄水仓，蓄水仓内设有水泵，蓄水仓内盛有循环水，所述水泵与等离子体放电容器的上部之间设有进水管，进水管上具有第一阀门，所述倾斜底面的低处与蓄水仓内之间设有出水管，出水管上具有第二阀门；
等离子体发生装置包括高压电源、电容器、放电开关。
作为更进一步的优选方案，等离子体放电容器包括两块相互垂直拼接的正极板以及两块相互垂直拼接的负极板，两块正极板和两块负极板组成等离子体放电容器的侧部。
作为更进一步的优选方案，等离子体放电容器的靠上位置设有上液位控制器，所述倾斜底面的低处位置设有下液位控制器。
作为更进一步的优选方案，机械破碎区内的侧部位置设有用于引导小块矸石掉落的导向板。
作为更进一步的优选方案，破碎装置外壳底部具有车轮。
作为更进一步的优选方案，第一倾斜粗筛网的目数与过滤网的目数相同，均由绝缘材料制成。
一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置的破碎方法，包括以下步骤：
步骤一：矸石从进料口进入，落入到第一倾斜粗筛网上进行第一次筛分，符合第一倾斜粗筛网要求的矸石顺着导向板滑落至破碎辊，实现破碎，不符合第一倾斜粗筛网要求的矸石则落入等离子体放电容器的过滤网上，打开第一阀门，水泵抽取循环水经进水管向等离子体放电容器注水，当等离子体放电容器内的水位达到上液位控制器时，第一阀门关闭；
步骤二：打开高压电源对电容器进行充电，电容器两端电压达到电压设定值时，中断充电，放电开关闭合，电路接通，电容器放电，电能通过正极板与负极板对等离子体放电容器内的液体进行加载，液体中产生等离子体及其强力的冲击波，冲击波作用于矸石，使其破碎，破碎的矸石透过过滤网，聚集在等离子体放电容器的倾斜底面；
步骤三：电容器放电结束后，第二阀门打开，等离子体放电容器内的水经出水管返回到蓄水仓；
步骤四：当等离子体放电容器内的水位达到下液位控制器时，第二阀门关闭，液压撑杆带动翻转挡板翻转，等离子体放电破碎后的矸石落入到第二倾斜细筛网，与辊式破碎后的矸石一起进行第二次筛分，符合第二倾斜细筛网要求的破碎矸石通过第一出料口落入运输机，不符合第二倾斜细筛网要求的破碎矸石通过第二出料口汇集，重复执行以上步骤，直至矸石符合破碎要求。
本发明的有益效果在于：
本发明通过预先筛分粗细矸石，对体积较小的矸石采取辊式破碎，对体积较大的矸石借助脉冲放电产生的等离子体冲击波完成破碎，从而实现不同粒径的矸石的破碎，提高了破碎效率，减小了能耗，增大了实用性。本发明在使用破碎辊的基础上，叠加了高压电脉冲放电技术的优势，绿色可控、破坏性强，对破碎辊受限于中级破碎和细碎且齿辊易磨损的弊端进行弥补，对硬度较高和体积较大的矸石实现更高效的破碎效果，对比传统的破碎设备，在相同能耗下，本发明的破碎效率和处理量都更高。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为等离子体放电容器的立体图；
图3为本发明实施例提供的破碎工艺流程图；
附图标记说明：
1-进料口，2-第一倾斜粗筛网，3-导向板，4-破碎辊，5-破碎装置外壳，6-等离子体放电容器，7-正极板，8-负极板，9-过滤网，10-固定板，11-下液位控制器，12-上液位控制器，13-高压电源，14-电容器，15-保护电阻，16-放电开关，17-等离子体发生装置，18-翻转挡板，19-液压撑杆，20-出水管，21-第二阀门，22-循环水，23-水泵，24-蓄水仓，25-进水管，26-第一阀门，27-水循环单元，28-第二倾斜细筛网，29-第二出料口，30-第一出料口，31-车轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置包括破碎辊4、破碎装置外壳5、等离子体放电容器6、等离子体发生装置17和水循环单元27，所述破碎装置外壳5的上表面右侧设有进料口1，所述进料口1下方设置有第一倾斜粗筛网2，所述第一倾斜粗筛网2的下方布置有导向板3，所述导向板3的下方安装有一对破碎辊4。
等离子体放电容器6设置在破碎装置外壳5的左侧内部且由正极板7、负极板8、过滤网9、固定板10和翻转挡板18组成，所述正极板7和负极板8分别有两块并构成等离子体放电容器6的侧面主体，所述翻转挡板18和两块固定板10连接等离子体放电容器6的侧面主体和倾斜底面，所述上液位控制器12安装在正极板7的外侧上部，所述下液位控制器11安装在等离子体放电容器6的倾斜底面的最低处，所述过滤网9安装在等离子体放电容器6的侧面主体的底面。
等离子体发生装置17布置在等离子体放电容器6的右侧且由高压电源13、电容器14、保护电阻15和放电开关16组成，所述高压电源13的输出端与保护电阻15的输入端相连，所述保护电阻15的输出端分别与电容器14和放电开关16的输入端相连，所述电容器6的输出端与高压电源13的输入端相连，所述放电开关16的输出端与正极板7相连，所述负极板8与电容器14的输出端相连，所述等离子体发生装置17的底部设置有一液压撑杆19，所述液压撑杆19带动翻转挡板18进行翻转。
水循环单元27由出水管20、第二阀门21、水泵23、蓄水仓24、进水管25和第一阀门26和组成，所述出水管20的进水口与等离子体放电容器6的倾斜底面的下端口相连且其出水口与蓄水仓24相连，所述第二阀门21安装在出水管20上，所述水泵23置于蓄水仓24内部且其出水口与进水管25的进水口相连，所述进水管25的出水口设置在等离子体放电容器6的侧壁上部，所述第一阀门26安装在进水管25上。
破碎装置外壳5的下表面和右侧壁设有第一出料口30和第二出料口29，所述第二出料口29和等离子体放电容器6的倾斜底面之间设置有第二倾斜细筛网28相连，所述第一出料口30设置在第二倾斜细筛网28的下方，所述破碎装置外壳5的底部安装有四个车轮31。
过滤网9的目数与第一倾斜粗筛网2的目数相同，且由绝缘材料制成。
方法按以下步骤进行：
a、矸石从进料口1进入，落入到第一倾斜粗筛网2上进行第一次筛分，符合第一倾斜粗筛网2要求的矸石顺着导向板3滑落至破碎辊4，实现破碎。不符合第一倾斜粗筛网2要求的矸石则落入等离子体放电容器6的过滤网9上，打开第一阀门26，水泵23抽取循环水22经进水管25向等离子体放电容器6注水，当等离子体放电容器6内的水位达到上液位控制器12时，第一阀门26关闭。
b、打开高压电源13对电容器14进行充电，电容器14两端电压达到电压设定值时，中断充电，放电开关16闭合，电路接通，电容器14放电，电能通过正极板7与负极板8对等离子体放电容器6内的液体进行加载，液体中产生等离子体及其强力的冲击波，冲击波作用于矸石，使其破碎，破碎的矸石透过过滤网9，聚集在等离子体放电容器6的倾斜底面。
c、电容器14放电结束后，第二阀门21打开，等离子体放电容器6内的水经出水管20返回到蓄水仓24。
d、当等离子体放电容器6内的水位达到下液位控制器11时，第二阀门21关闭，液压撑杆19带动翻转挡板18翻转，等离子体放电破碎后的矸石落入到第二倾斜细筛网28，与辊式破碎后的矸石一起进行第二次筛分，符合第二倾斜细筛网28要求的破碎矸石通过第一出料口30落入运输机，不符合第二倾斜细筛网28要求的破碎矸石通过第二出料口29汇集，重复执行以上步骤，直至矸石符合破碎要求。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
技术特征：
1.一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置，其特征在于：包括破碎装置外壳（5），该破碎装置外壳（5）内置机械破碎区、脉冲破碎区、水循环单元（27）以及等离子体发生装置（17），所述机械破碎区和脉冲破碎区位于等离子体发生装置（17）的两侧；破碎装置外壳（5）的上部开设有进料口（1），下部开设有第二出料口（29）、第一出料口（30）；
所述机械破碎区从上至下依次设置的第一倾斜粗筛网（2）、破碎辊（4）、第二倾斜细筛网（28），所述第一倾斜粗筛网（2）低处连接至脉冲破碎区，将大块矸石引导至脉冲破碎区，第一倾斜粗筛网（2）位于进料口（1）下方，所述第二出料口（29）位于第二倾斜细筛网（28）的低处，所述第一出料口（30）位于第二倾斜细筛网（28）的下方；
所述脉冲破碎区内具有等离子体放电容器（6），等离子体放电容器（6）的侧部由正极板（7）和负极板（8）围成，底部为过滤网（9），所述等离子体放电容器（6）的下部设有暂存区域，暂存区域包括固定板（10）和倾斜底面，所述倾斜底面的高处边固定于等离子体放电容器（6）的底部一侧边缘，倾斜底面的两侧分别设有一块固定板（10），固定板（10）与倾斜底面及等离子体放电容器（6）底部的连接均呈密封状态，倾斜底面的低处与等离子体放电容器（6）的底部另一侧边缘之间为暂存区域的开口，该开口处设有翻转挡板（18），翻转挡板（18）的上侧边铰接于等离子体放电容器（6）的底部，翻转挡板（18）外侧面与等离子体发生装置（17）之间设有液压撑杆（19）；
所述水循环单元（27）包括蓄水仓（24），蓄水仓（24）内设有水泵（23），蓄水仓（24）内盛有循环水（22），所述水泵（23）与等离子体放电容器（6）的上部之间设有进水管（25），进水管（25）上具有第一阀门（26），所述倾斜底面的低处与蓄水仓（24）内之间设有出水管（20），出水管（20）上具有第二阀门（21）；
所述等离子体发生装置（17）包括高压电源（13）、电容器（14）、放电开关（16）。
2.根据权利要求1所述的一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置，其特征在于：所述等离子体放电容器（6）包括两块相互垂直拼接的正极板（7）以及两块相互垂直拼接的负极板（8），两块正极板（7）和两块负极板（8）组成等离子体放电容器（6）的侧部。
3.根据权利要求1所述的一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置，其特征在于：所述等离子体放电容器（6）的靠上位置设有上液位控制器（12），所述倾斜底面的低处位置设有下液位控制器（11）。
4.根据权利要求1所述的一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置，其特征在于：所述机械破碎区内的侧部位置设有用于引导小块矸石掉落的导向板（3）。
5.根据权利要求1所述的一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置，其特征在于：所述破碎装置外壳（5）底部具有车轮（31）。
6.根据权利要求1所述的一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置，其特征在于：所述第一倾斜粗筛网（2）的目数与过滤网（9）的目数相同，均由绝缘材料制成。
7.根据权利要求1-6中任一所述的一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置的破碎方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：矸石从进料口（1）进入，落入到第一倾斜粗筛网（2）上进行第一次筛分，符合第一倾斜粗筛网（2）要求的矸石顺着导向板（3）滑落至破碎辊（4），实现破碎，不符合第一倾斜粗筛网（2）要求的矸石则落入等离子体放电容器（6）的过滤网（9）上，打开第一阀门（26），水泵（23）抽取循环水（22）经进水管（25）向等离子体放电容器（6）注水，当等离子体放电容器（6）内的水位达到上液位控制器（12）时，第一阀门（26）关闭；
步骤二：打开高压电源（13）对电容器（14）进行充电，电容器（14）两端电压达到电压设定值时，中断充电，放电开关（16）闭合，电路接通，电容器（14）放电，电能通过正极板（7）与负极板（8）对等离子体放电容器（6）内的液体进行加载，液体中产生等离子体及其强力的冲击波，冲击波作用于矸石，使其破碎，破碎的矸石透过过滤网（9），聚集在等离子体放电容器（6）的倾斜底面；
步骤三：电容器（14）放电结束后，第二阀门（21）打开，等离子体放电容器（6）内的水经出水管（20）返回到蓄水仓（24）；
步骤四：当等离子体放电容器（6）内的水位达到下液位控制器（11）时，第二阀门（21）关闭，液压撑杆（19）带动翻转挡板（18）翻转，等离子体放电破碎后的矸石落入到第二倾斜细筛网（28），与辊式破碎后的矸石一起进行第二次筛分，符合第二倾斜细筛网（28）要求的破碎矸石通过第一出料口（30）落入运输机，不符合第二倾斜细筛网（28）要求的破碎矸石通过第二出料口（29）汇集，重复执行以上步骤，直至矸石符合破碎要求。
技术总结
本发明属于矿物加工技术领域，公开了一种辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置及方法，装置主要由破碎辊、破碎装置外壳、等离子体放电容器、等离子体发生装置和水循环单元组成；首先采用第一倾斜粗筛网对矸石进行预筛分，体积较小的矸石由破碎辊进行破碎，体积较大的矸石进入到等离子体放电容器，在脉冲放电产生的等离子体及其冲击波的作用下进行破碎，破碎后的矸石经第二倾斜细筛网的二次筛分后，按是否符合破碎要求分别收集。本发明在使用破碎辊的基础上，利用高压电脉冲放电技术，弥补了普通辊式破碎机受限于中级破碎和细碎且齿辊易磨损的弊端，可以更好更高效地破碎硬度较高和体积较大的矸石，辅助矸石在井下充填采空区。
技术研发人员：林柏泉;钟璐斌;张祥良;倪祯
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2020.07.15
技术公布日：2020.11.13
声明：
“辅助井下矸石充填的等离子体破碎装置及方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中国矿业大学
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2024年12月27日 ~ 29日 
