X射線識(shí)別煤矸選煤技術(shù)對(duì)煤質(zhì)分析的要求

王洪濤

摘 要：近年來(lái)，越來(lái)越多的干煤分離技術(shù)的研究，基于x射線確定選煤技術(shù)的煤矸石是一種不用水、不用介，也不產(chǎn)生粘液的分離方法基于圖像處理技術(shù)，由于其簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的工藝流程，降低生產(chǎn)成本，在未來(lái)有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：X射線;煤質(zhì)分析;選煤;識(shí)別

分析了X射線識(shí)別技術(shù)在煤炭分選方面的應(yīng)用，從X射線識(shí)別煤矸基本原理、X射線識(shí)別煤矸技術(shù)方案、X射線管理和γ射線管理對(duì)比、X射線識(shí)別技術(shù)對(duì)煤質(zhì)分析的要求等方面介紹了X射線識(shí)別煤矸分選技術(shù)。X射線煤矸識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)是X射線照射不同物質(zhì)時(shí)，衰減程度不同、成像不同。X射線識(shí)別煤矸的分選技術(shù)有效分選上限達(dá)到300 mm，下限低至15 mm，有效分選粒度為300～25 mm。

一、X射線管理和γ射線管理對(duì)比

X射線裝置是一種電子裝置，不是放射性物質(zhì)，因此沒(méi)有半衰期。對(duì)運(yùn)輸、保存、回收均沒(méi)有特殊要求。輻射安全許可證辦理簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員技能要求低。γ射線由放射源產(chǎn)生，半衰期長(zhǎng)，使用過(guò)程中的輻射防護(hù)、γ射線源的保存和管理是人們擔(dān)憂和關(guān)心的問(wèn)題。在運(yùn)輸、保存和回收環(huán)節(jié)有明確要求。輻射安全許可證辦理困難，維修操作具有局限性。X射線技術(shù)是面對(duì)面的識(shí)別，基于X射線識(shí)別方式的分選機(jī)無(wú)需分道布料，只要保證物料間無(wú)疊壓，就可以精準(zhǔn)識(shí)別煤和矸石。X射線分選設(shè)備無(wú)需分道排隊(duì)，若一個(gè)通道里有2個(gè)物體，不可避免會(huì)造成識(shí)別誤差，降低分選精度，而X射線不分道，只要保證物料間不疊壓，就可快速識(shí)別出煤和矸石，識(shí)別精度高，分選精度高。

二、X射線識(shí)別煤矸技術(shù)

X射線識(shí)別煤矸是技術(shù)的核心部分，應(yīng)用到實(shí)際中就是識(shí)別系統(tǒng)，另外還包括給料系統(tǒng)、布料系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。識(shí)別系統(tǒng)主要包括X射線發(fā)射裝置和探測(cè)裝置，分別完成原始射線的發(fā)射和被吸收后射線的探測(cè);給料系統(tǒng)主要是篩分機(jī)或給料機(jī)等設(shè)備，選煤廠常用設(shè)備為篩分機(jī)，完成原料煤由儲(chǔ)存系統(tǒng)向分選系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移;布料系統(tǒng)主要作用是完成物料的均勻分布，將帶式輸送機(jī)和布料擋板組合，完成物料的均勻排布，為下一步煤矸識(shí)別做準(zhǔn)備;執(zhí)行系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的收尾環(huán)節(jié)，即對(duì)系統(tǒng)下達(dá)的命令進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，完成工作任務(wù)。具體到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程就是根據(jù)識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行噴氣操作，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定對(duì)煤或矸石噴氣，從而將兩者分離，完成分選。目前X射線識(shí)別煤矸的分選技術(shù)有效分選上限達(dá)到300 mm，下限低至15 mm，有效分選粒度為300～25 mm，如TDS智能干選機(jī)，分選精度接近于重介淺槽分選機(jī)，高于動(dòng)篩、跳汰及其他干選設(shè)備。由于X射線識(shí)別煤矸的分選技術(shù)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)捷、安全高效等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)其他傳統(tǒng)選煤技術(shù)，更有利于實(shí)現(xiàn)井下煤炭分選，井下排除矸石，不用提升至地面，直接用于井下充填等，節(jié)省能源，減少矸石排放，為綠色礦山的建設(shè)提供有效的技術(shù)方案。

三、X射線識(shí)別煤矸基本原理

X射線是由于原子中電子在能量相差懸殊的2個(gè)能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的粒子流，是波長(zhǎng)介于紫外線和γ射線之間的電磁波，具有比可見(jiàn)光更強(qiáng)的固體、液體穿透能力，甚至能夠穿透一定厚度的鋼板。當(dāng)X射線穿過(guò)物品時(shí)，不同物質(zhì)組成、不同密度和厚度的物品內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠不同程度地吸收X射線，密度、厚度越大，吸收射線越多;密度、厚度越小，吸收射線越少，因此從物品透射出來(lái)的射線強(qiáng)度就能反映出物品物質(zhì)組成、密度和厚度。由于煤和矸石在物質(zhì)組成和密度等性質(zhì)方面有明顯差異，可以利用X射線將兩者識(shí)別并加以區(qū)分，在此基礎(chǔ)上再與其他技術(shù)聯(lián)合，完成煤矸分選。

四、系統(tǒng)工作原理與關(guān)鍵技術(shù)

1.系統(tǒng)工作原理。由于煤和矸石所含元素、密度不同，對(duì)X射線的吸收系數(shù)不同，X射線衰減程度也會(huì)不同，基于X射線和機(jī)器視覺(jué)的煤與矸石分選系統(tǒng)就是根據(jù)這一原理來(lái)剔除矸石含量較高的劣質(zhì)煤。X射線具有強(qiáng)穿透力，在穿透煤和矸石后有一定的衰減，煤和矸石對(duì)X射線的衰減程度不同，射線在穿透物體過(guò)程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而使其強(qiáng)度減弱。利用探測(cè)器采集到衰減后的X射線，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡處理得到圖像，由圖像處理算法得到不同的灰度值信息。同時(shí)利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)獲得煤和矸石的圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理算法得到煤和矸石的厚度信息。綜合灰度值信息和厚度信息確定煤和矸石的分離閾值，然后利用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥打擊矸石，最終實(shí)現(xiàn)煤和矸石的分離。

2.關(guān)鍵技術(shù)。（1）X射線源電壓和電流設(shè)置。X射線強(qiáng)度過(guò)小無(wú)法穿透煤或矸石，強(qiáng)度過(guò)大會(huì)造成大量輻射，因此應(yīng)選擇合適的X射線強(qiáng)度。X射線強(qiáng)度主要通過(guò)X射線源電壓來(lái)控制。X射線源正常工作電壓為150 kV、電流為500μA?？紤]到實(shí)驗(yàn)操作的安全性，設(shè)置8組不同電壓，分別為115，120，125，130，135，140，145，150 kV。隨著X射線源電壓的減小（即X射線強(qiáng)度的減弱），煤和矸石的X射線圖像灰度值不斷減小，煤和矸石的x射線圖像灰度值差異先增大后減小，在電壓為140 kV時(shí)煤和矸石的X射線圖像灰度值差異最大，易于系統(tǒng)識(shí)別煤和矸石。因此系統(tǒng)中設(shè)置X射線源電壓為140 kV、電流為500μA。（2）煤和矸石厚度測(cè)量。光纖傳感器由光源、入射光纖、接收光纖、光電探測(cè)器組成，光纖傳感器探頭由入射光纖和接收光纖組成，光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖射向被測(cè)物體，接收光纖接收被測(cè)物體表面反射的光并將其傳輸至光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。由于光電探測(cè)器接收的光強(qiáng)大小與被測(cè)物體到光纖傳感器探頭的距離有關(guān)，而光強(qiáng)與光纖傳感器輸出電壓呈線性關(guān)系，所以可通過(guò)測(cè)量光纖傳感器輸出電壓來(lái)獲得被測(cè)物體與光纖傳感器探頭之間的距離。H為光纖傳感器探頭到輸送帶表面的距離，為固定值;h為光纖傳感器探頭到被測(cè)物體表面的距離，即光纖傳感器的檢測(cè)距離。因此被測(cè)物體的厚度為d=H一h

由于輸送帶具有一定的寬度，被測(cè)的煤和矸石在輸送帶上具體位置不能確定，所以需要在輸送帶上方沿輸送帶寬度方向架設(shè)多個(gè)光纖傳感器探頭，并使檢測(cè)范圍盡量覆蓋整個(gè)輸送帶寬度。考慮成本因素，在輸送帶寬度為1 m的情況下，可并排設(shè)置16個(gè)光纖傳感器探頭。

五、X射線識(shí)別技術(shù)對(duì)煤質(zhì)分析的新要求

煤質(zhì)分析是指為了解煤的質(zhì)量和燃燒特性，用物理和化學(xué)的方法對(duì)煤樣進(jìn)行的化驗(yàn)和測(cè)試工作。煤質(zhì)分析按國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)ｍ?xiàng)試驗(yàn)工藝進(jìn)行，為有關(guān)設(shè)備和工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)的基礎(chǔ)性工作。煤質(zhì)分析主要包括煤炭物理和化學(xué)性質(zhì)分析，具體項(xiàng)目有物理特性分析、工業(yè)分析、元素分析以及灰成分分析等方面。物理特性包括粒度、密度、硬度等;工業(yè)分析包括對(duì)水分、灰分、發(fā)熱量、硫分的分析;元素分析包括對(duì)碳、氫、氧、氮、硫等主要元素含量及性質(zhì)的分析。鑒于X射線煤矸識(shí)別技術(shù)已經(jīng)基本成熟，且不用水、不用介、不產(chǎn)生煤泥，未來(lái)應(yīng)用前景廣闊。因此，應(yīng)加強(qiáng)煤炭對(duì)X射線、γ射線等的透射率等性質(zhì)分析。利用X射線對(duì)煤與矸石進(jìn)行照射，煤矸因原子序列數(shù)不同所形成的成像存在差異，差異的根本原因是X射線經(jīng)過(guò)物體后有所減弱，X射線經(jīng)過(guò)物體后減弱是由2種過(guò)程產(chǎn)生的，一種是射線被物體吸收，另一種是被散射。根據(jù)能量守恒定律，除去被吸收和被散射的能量，剩余就是透過(guò)物質(zhì)后的X射線能量。X射線煤矸識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)是X射線照射不同物質(zhì)時(shí)，衰減程度不同、成像不同。對(duì)這一性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析，有利于選煤新技術(shù)的采用，推動(dòng)選煤技術(shù)向更簡(jiǎn)捷、更智能、更有效的方向發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)

總之，近年來(lái)X射線識(shí)別煤矸分選技術(shù)在我國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)，盡管還存在不盡人意之處，但其優(yōu)越性是行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。希望通過(guò)不斷發(fā)展，推動(dòng)選煤技術(shù)不斷向現(xiàn)代化、智能化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇靖峰，X射線識(shí)別煤矸選煤技術(shù)對(duì)煤質(zhì)分析研究.2017.

[2]陳曉燕，淺談X射線識(shí)別煤矸選煤技術(shù)對(duì)煤質(zhì)分析的要求.2017.