井下巷道選煤工藝技術(shù)探討

王 娜，李佰云

(北京圓之翰工程技術(shù)有限公司，北京 100015)

井下巷道選煤工藝技術(shù)探討

王 娜，李佰云

(北京圓之翰工程技術(shù)有限公司，北京 100015)

闡述了井下選煤工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，比較分析了三種選煤工藝技術(shù)在井下巷道中的應(yīng)用特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了井下重介質(zhì)旋流器選煤工藝設(shè)計(jì)實(shí)例，并結(jié)合井下巷道選煤技術(shù)特點(diǎn)，提出了井下選煤技術(shù)發(fā)展的方向和建議。

井下選煤；跳汰排矸；淺槽排矸；重介排矸；工藝布置

我國(guó)科學(xué)轉(zhuǎn)型發(fā)展要求煤礦生產(chǎn)模式的改革創(chuàng)新迫在眉睫。近年來(lái)，煤炭生產(chǎn)所帶來(lái)環(huán)境污染、矸石和煤泥廢棄物占地以及地面塌陷、粉塵污染、無(wú)效的運(yùn)輸浪費(fèi)等深層經(jīng)濟(jì)及社會(huì)問(wèn)題引發(fā)了社會(huì)的廣泛關(guān)注。

井下巷道選煤技術(shù)是破解傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一，是我國(guó)選煤工業(yè)的一個(gè)科學(xué)發(fā)展方向[1]。其特點(diǎn)是：將選煤系統(tǒng)建設(shè)在井下硐室和巷道中，在井下完成煤矸分離，矸石作為井下充填式開(kāi)采的原料，或者直接充填采空區(qū)，僅需要將精煤產(chǎn)品升井至地面?zhèn)}儲(chǔ)。近年來(lái)，固體充填開(kāi)采技術(shù)的迅速發(fā)展為井下巷道選煤工藝提供了技術(shù)支撐[2,3]。通過(guò)采煤、選煤、充填技術(shù)的集成和耦合，可實(shí)現(xiàn)采選充一體化[4]，既充分處理了矸石廢棄物，減小了采動(dòng)影響，又能夠提高煤炭資源回收率，實(shí)現(xiàn)低碳、循環(huán)、綠色發(fā)展。

1 井下選煤工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，煤礦企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了一些井下選煤的實(shí)踐，分別采用了井下選擇性破碎、動(dòng)篩跳汰和重介淺槽分選實(shí)現(xiàn)了井下塊煤排矸，雖然規(guī)模較小，但積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。下面將對(duì)國(guó)內(nèi)幾種常用的井下分選工藝進(jìn)行比較分析。

1.1 井下跳汰排矸工藝

山東新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊煤礦和開(kāi)灤集團(tuán)唐山礦分別于2009年和2013年先后建成了井下機(jī)械動(dòng)篩跳汰機(jī)塊煤排矸系統(tǒng)。井下跳汰排矸工藝與地面選煤廠動(dòng)篩排矸工藝類似：原煤經(jīng)50 mm分級(jí)，篩上300～50 mm粒級(jí)由塊原煤機(jī)械動(dòng)篩跳汰分選，塊精煤、末原煤、高頻篩篩上物、壓濾煤泥運(yùn)輸至井上，塊矸石充填。2013年，冀中能源邢東礦井下空氣室跳汰機(jī)排矸工藝投入使用，其工藝流程也與動(dòng)篩跳汰機(jī)類似，入選粒度范圍為200～25 mm。

井下跳汰排矸，以水為介質(zhì)進(jìn)行分選，優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，用水量少，生產(chǎn)成本低。缺點(diǎn)是：入料粒度范圍不能太大，有效分選深度和精度都不如重介分選；設(shè)備體積大，需要巷道和硐室尺寸大，受巷道地質(zhì)條件限制，支護(hù)費(fèi)用高；跳汰機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)量較大。

1.2 井下重介淺槽排矸工藝

部分煤礦將成熟的重介淺槽技術(shù)依據(jù)井下條件對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)并已成功應(yīng)用。2010年，新汶礦業(yè)集團(tuán)濟(jì)陽(yáng)煤礦、翟鎮(zhèn)煤礦井下淺槽排矸系統(tǒng)先后建成使用[5]。井下重介淺槽排矸工藝為：原煤經(jīng)25 mm(或50 mm)分級(jí)，篩上塊煤進(jìn)入淺槽分選，末原煤及脫介脫水后的精煤運(yùn)至地面再處理或出售；分選后的矸石進(jìn)行脫介脫水、破碎作業(yè)后運(yùn)至填充面填充。

井下采用重介淺槽排矸的主要優(yōu)點(diǎn)是：分選精度高，分選粒度范圍寬，單臺(tái)設(shè)備通過(guò)能力大，產(chǎn)品回收率高，對(duì)原煤入選量及粒度組成波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)；有效分選時(shí)間短，次生煤泥量低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作和維護(hù)。但也存在缺點(diǎn)，該工藝需要介質(zhì)回收系統(tǒng)，工藝復(fù)雜，占用巷道總面積大，配套設(shè)備多。

1.3 大直徑兩產(chǎn)品重介旋流器排矸

隨著重介質(zhì)密度控制系統(tǒng)、生產(chǎn)集控系統(tǒng)、脫介設(shè)備、介質(zhì)回收設(shè)備的發(fā)展和完善，以及近年來(lái)耐磨管、耐磨設(shè)備和生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)的成熟發(fā)展，解決了以往重介系統(tǒng)存在的系統(tǒng)維護(hù)工作量大的缺點(diǎn)，使重介生產(chǎn)成本大幅降低，系統(tǒng)可靠性大大提高。目前，重介旋流器已在地面選煤廠得到了廣泛應(yīng)用，已成為煤炭洗選加工首選方法，將之用于井下巷道也是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向。

井下采用大直徑重介旋流器分選的優(yōu)點(diǎn)是：可全粒級(jí)入選，無(wú)需預(yù)先分級(jí)或脫泥，并且分選粒度范圍寬，原煤入選粒度范圍可達(dá)200～0 mm，分選下限低，有效分選下限在1.0 mm左右；設(shè)備體積小，易于布置和操作，占用巷道較少；煤質(zhì)波動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)，分選精度高，處理能力大。

2 井下重介質(zhì)旋流器選煤工藝設(shè)計(jì)

下面以內(nèi)蒙古一礦井井下重介質(zhì)旋流器選煤工藝設(shè)計(jì)為例，來(lái)對(duì)井下重介質(zhì)旋流器選煤工藝進(jìn)行詳細(xì)介紹。該礦井目前年產(chǎn)量約240萬(wàn)t，主采本礦區(qū)5號(hào)、9號(hào)和16號(hào)煤層，其中：5號(hào)煤層采用刨煤機(jī)綜合機(jī)械化采煤工藝；9號(hào)煤層采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝；16號(hào)煤層二采區(qū)南翼采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝(大采高)，二采區(qū)北翼采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝。礦井現(xiàn)有主立井擔(dān)負(fù)全礦井煤炭的提升任務(wù)，井筒凈直徑4.5 m，提升高度約350 m，安裝JKM-3.25×4(Ⅲ)E型塔式多繩摩擦提升機(jī)，裝備1對(duì)12 t箕斗，鋼絲繩采用31ZBB6V×30+FC-1670型首繩4根、139×23ZAB-P8×4×9-1370型尾繩2根。井下設(shè)有兩座原煤倉(cāng)，1號(hào)原煤倉(cāng)直徑為6 m，容積約480 t；2號(hào)原煤倉(cāng)直徑為8 m，容積約854 t。礦井地面有兩座年處理能力為300萬(wàn)t的選煤廠，采用無(wú)壓給料三產(chǎn)品重介旋流器+煤泥重介+浮選+煤泥壓濾的選煤工藝。

2.1 井下重介排矸的提出

礦井要求原煤產(chǎn)能增加到5.0 Mt/a，但主井提升能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，目前最大提升能力僅約3.0 Mt/a。根據(jù)礦井的煤質(zhì)資料，原煤中矸石含量約20%，煤泥含量約10%。若建設(shè)5.0 Mt/a井下選煤廠，可以將井下洗選矸石充填在工作面，主井只提升粗精煤。粗精煤提升量約為3.5 Mt/a，矸石充填量1.0 Mt/a，通過(guò)泵排煤泥量為0.5 Mt/a。因此，井下選煤廠建設(shè)后，只需要對(duì)現(xiàn)有礦井提升系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，將現(xiàn)有的12 t箕斗更換為13 t箕斗，同時(shí)更換相應(yīng)的設(shè)備。改造后，主井的最大提升能力為612 t/h，滿足粗精煤提升能力要求，不用再建新井，既節(jié)約了投資，又縮短了工期。

2.2 井下重介旋流器排矸工藝流程

各煤層原煤直接進(jìn)入各自的原煤倉(cāng)，在煤倉(cāng)下口，通過(guò)原煤巷膠帶機(jī)進(jìn)入井下選煤廠；井下選煤廠采用一套大直徑兩產(chǎn)品重介旋流器排矸，原煤入選粒度為150～0 mm，采用φ2 000 mm無(wú)壓給料兩產(chǎn)品重介旋流器脫泥分選；精煤脫介脫水采用B=2 500 mm靜態(tài)鏈?zhǔn)矫摻槊撍Y，篩孔為1.0 mm，脫介段長(zhǎng)度為50 m，脫介脫水后的粗精煤通過(guò)精煤巷膠帶機(jī)進(jìn)入精煤倉(cāng)，利用主井提升運(yùn)出；矸石脫介脫水采用B=2 000 mm靜態(tài)鏈?zhǔn)矫摻槊撍Y，篩孔為1.0 mm，脫介段長(zhǎng)度為50 m，脫水后的矸石去充填；合格介質(zhì)和磁選精礦回合格介質(zhì)桶，磁選尾礦作為脫泥的噴水；煤泥水通過(guò)管路由回風(fēng)立井排至地面選煤廠處理；粗精煤再進(jìn)入地面選煤廠分選，出精煤和中煤。

矸石充填流程為：井下選煤廠洗選出的矸石通過(guò)膠帶輸送機(jī)運(yùn)至工作面，經(jīng)過(guò)回風(fēng)順槽，由轉(zhuǎn)載機(jī)提升到懸掛在支架上的充填開(kāi)采輸送機(jī)內(nèi)，通過(guò)卸料孔將充填物料充填入采空區(qū)內(nèi)，將充填物料壓實(shí)并接頂?？紤]工作面回采的不均衡性，增加一容量約350 t的矸石緩沖倉(cāng)。

2.3 井下重介排矸工藝布置

井下巷道選煤廠總平面布置如圖1所示。巷道布置圖如圖2—4所示。為滿足9號(hào)煤層、16號(hào)煤層煤的分采分運(yùn)要求，井下共布置四座煤倉(cāng)，分別為9號(hào)煤原煤倉(cāng)、16號(hào)煤原煤倉(cāng)、9號(hào)煤精煤倉(cāng)、16號(hào)煤精煤倉(cāng)。因原有兩個(gè)原煤倉(cāng)容積較小，主井能力提升后不能滿足新的提升緩沖需要，設(shè)計(jì)將1號(hào)原煤倉(cāng)改為9號(hào)煤精煤倉(cāng)，2號(hào)原煤倉(cāng)改為16號(hào)煤精煤倉(cāng)。新施工兩座煤倉(cāng)，其中新施工的9號(hào)煤原煤倉(cāng)凈直徑為 7 m，高度為40 m，倉(cāng)容量為1 100t；新施工的16號(hào)煤原煤倉(cāng)凈直徑為 10 m，高度為40 m，容量為2 200 t。

圖1 井下巷道選煤廠總平面布置

圖2 井下巷道選煤廠巷道布置圖一

圖3 井下巷道選煤廠巷道布置圖二

圖4 井下巷道選煤廠巷道布置圖三

設(shè)計(jì)將充填工作面布置在9號(hào)煤層處。一采區(qū)9號(hào)煤層平均厚度為2.54 m，煤層傾角1°～3°，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，目前生產(chǎn)采用綜采一次采全高回采工藝，工作面年生產(chǎn)能力為180萬(wàn)t，有利于改造為充填回采。9號(hào)煤層煤容重為1.51 t/m3，回填矸石的松散容重按1.7 t/m3計(jì)算，則當(dāng)充填率達(dá)到50%時(shí)，即能消耗掉井下選煤廠洗選矸石。

井下重介排矸方案投資估算見(jiàn)表1。

表1 井下重介排矸方案投資估算

3 井下巷道選煤技術(shù)特點(diǎn)

與地面選煤廠相比，井下巷道選煤廠具有以下新特點(diǎn)：

(1)井下選煤作業(yè)應(yīng)符合井下安全規(guī)范，因此井下選煤廠的通風(fēng)、除塵可利用礦井系統(tǒng)；選煤廠的安全防護(hù)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)完全可依托礦井系統(tǒng)建設(shè)；僅需單獨(dú)設(shè)置硐室變電所、檢修聯(lián)絡(luò)巷、通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、洗選硐室和短的轉(zhuǎn)載巷道。

(2)改變地面層疊式布置理念。受礦井建設(shè)和地質(zhì)條件的限制，井下選煤設(shè)計(jì)原則為最大限度地減少機(jī)械轉(zhuǎn)載運(yùn)輸環(huán)節(jié)。結(jié)合井下巷道及硐室截面尺寸及長(zhǎng)度的特點(diǎn)，將主要工藝設(shè)備布置在不同高度的硐室內(nèi)，在保證自流高度差要求的前提下最大限度地利用巷道高度差進(jìn)行階梯式布置。

(3)可采用“井下排矸+地面洗選”雙結(jié)合的形式建設(shè)選煤廠，即簡(jiǎn)化現(xiàn)有地面選煤廠生產(chǎn)工藝，將矸石用于采空區(qū)和巷道的充填，釋放地面矸石堆棄場(chǎng)地，節(jié)約土地。

(4)作為選煤廠的神經(jīng)系統(tǒng)，選煤生產(chǎn)控制系統(tǒng)應(yīng)有很高的可靠性和準(zhǔn)確性。井下選煤控制系統(tǒng)可分別設(shè)置于地面和井下現(xiàn)場(chǎng)，如主控制室設(shè)置在地面，集中控制室設(shè)置在主洗車間；井下生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置分控制室，并建立對(duì)工藝關(guān)鍵點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(5)礦井選煤生產(chǎn)與礦井生產(chǎn)安全同等重要，因此，所有選煤設(shè)備均按礦井生產(chǎn)要求進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。選煤廠的主要設(shè)備如刮板、膠帶、泵都是井下常見(jiàn)設(shè)備，日常檢修維護(hù)與礦井相同，而旋流器和磁選機(jī)檢修維護(hù)與地面選煤廠相同。

(6)井下選煤廠采用硐室(巷道)式結(jié)構(gòu)建設(shè)。硐室建設(shè)具有以下特點(diǎn)：硐室(巷道)斷面尺寸大于常規(guī)硐室；各硐室(巷道)間距小、數(shù)量多；變形控制要求高且硐室(巷道)能承受一定的振動(dòng)，穩(wěn)定性要求高。硐室(巷道)的支護(hù)方式根據(jù)礦井的具體條件選擇高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨桿錨索強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)或者二次聯(lián)合支護(hù)等。

綜上所述認(rèn)為，井下選煤技術(shù)尤其適用于以下幾種情況：

(1) 礦井深部開(kāi)采，提升高度和能耗較高的礦井。據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)輸提升耗能約占礦井能耗30%以上，井下洗選矸石全部充填采空區(qū)，只需將產(chǎn)品煤升井運(yùn)至地面直接裝倉(cāng)儲(chǔ)存，從而能夠大大降低運(yùn)輸能耗。

(2)開(kāi)采毛煤含矸量較高，地面選煤廠入洗矸石量大的礦井。通過(guò)井下選煤廠分選后，矸石直接回填采空區(qū)，為礦井?dāng)U產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

(3)礦井開(kāi)采煤質(zhì)變差，矸石和煤泥含量均增加，原有選煤廠矸石系統(tǒng)、煤泥水系統(tǒng)能力嚴(yán)重不足，地面選煤廠改擴(kuò)建成本較高。通過(guò)井下選煤排矸以改善地面選煤廠生產(chǎn)指標(biāo)，或者僅針對(duì)特定高含矸煤層建立井下選煤系統(tǒng)，洗選后與其他煤層分別提升，實(shí)現(xiàn)分采分運(yùn)。

(4)地面目前已無(wú)排矸場(chǎng)地，矸石處理費(fèi)用高的礦井。將選煤廠建設(shè)在井下，洗選矸石在井下處理利用，地面無(wú)污染物排放，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色礦山的目標(biāo)。

4 結(jié)論與建議

井下巷道選煤工藝技術(shù)更新了傳統(tǒng)的洗選工藝和選煤工程建設(shè)模式，形成了一種全新的煤炭洗選理念，對(duì)煤礦環(huán)境將是一個(gè)革命性的改善。發(fā)展煤炭綠色生產(chǎn)模式，需要政府主管部門、各大礦務(wù)局、科研院校的足夠關(guān)注和重視，相關(guān)部門要積極配合，共同推進(jìn)新項(xiàng)目的建設(shè)和實(shí)施。鑒于目前井下排矸工藝技術(shù)發(fā)展較為緩慢，因此結(jié)合實(shí)際，對(duì)發(fā)展井下選煤技術(shù)提出幾點(diǎn)建議：

(1)優(yōu)化采、選、充一體化系統(tǒng)，做到協(xié)調(diào)、統(tǒng)一。對(duì)于生產(chǎn)礦井來(lái)說(shuō)，要結(jié)合生產(chǎn)礦井的實(shí)際情況，如井底煤倉(cāng)的存儲(chǔ)能力和位置、主井提升方式和提升能力，進(jìn)行必要的支架改造及適當(dāng)增加運(yùn)輸轉(zhuǎn)載等。對(duì)于新建礦井，應(yīng)在新井建設(shè)初期，綜合考慮采、選、充一體化建設(shè)、一體化生產(chǎn)，既節(jié)省投資，又能夠優(yōu)化布局實(shí)現(xiàn)能效最大化。

(2)對(duì)選煤設(shè)備進(jìn)行改造，以達(dá)到國(guó)家煤礦安全強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高選煤設(shè)備在井下環(huán)境中的適用性、可靠性，實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、系列化?？紤]到巷道尺寸、圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)費(fèi)用，應(yīng)研究和開(kāi)發(fā)輕型組裝篩分、脫水脫介設(shè)備以及高效小型化的濃縮設(shè)備、壓濾設(shè)備。

[1] 楊俊利. 發(fā)展煤礦井下選煤技術(shù)與裝備的思考[J]. 選煤技術(shù), 2010 (1): 53-44，78.

[2] 馬立強(qiáng), 李永升. 煤礦井下矸石置換煤炭清潔生產(chǎn)技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2010 (5): 816-819.

[3] 繆協(xié)興, 張吉雄. 井下煤矸分離與綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2014 (8): 1424-1433.

[4] 劉 峰, 王 娜. 煤炭采選一體化綠色生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 有色金屬(選礦部分), 2013(Sup): 35-40.

[5] 邢成國(guó), 許建寧, 李 寶. 煤礦井下重介淺槽排矸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù), 2011(5): 51-54.

Discussion on coal preparation technology in underground roadway

WANG Na, Li Bai-yun

(Beijing YZH Engineering Technology Co., Ltd. , Beijing 100015, China)

Development situation on underground coal preparation technologies is introduced, which includes application analysis of three kinds of coal preparation technologies in underground roadway as well as detailed project of underground dense medium cyclone coal dressing technology. What' more, based on technical features of coal dressing technology in underground roadway, suggestion on the development of this technology is proposed.

underground coal preparation; reject removal by jigging; reject removal by heavy medium vessel; process arrangement

1001-3571(2015)06-0062-04

TD942

B

2015-08-25

10.16447/j.cnki.cpt.2015.06.017

北京市優(yōu)秀人才資助項(xiàng)目

王 娜(1984—)，女，安徽省蚌埠市人，博士，從事選煤工藝設(shè)計(jì)及技術(shù)研究工作。

E-mail:wangna@bj-yzh.com Tel：15901175605