基于 X 射線的高含矸煤一體化干法選煤技術研究

權春鋒，馬利云

1陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西西安 710300

2呂梁學院礦業(yè)工程系 山西呂梁 033001

我國煤炭資源十分豐富，儲量居世界第三，產量居世界第一，是世界上最大的煤炭消費國[1-3]。煤矸石是煤炭開采與加工過程中含碳量低、灰分高的固態(tài)廢棄物，隨著采煤機械化程度的提高，煤炭中含矸量也隨著增長，煤矸石分選已成為煤礦生產的重要環(huán)節(jié)[4]。為降低原煤中的各種雜質，以滿足不同用戶的要求，減少煤炭對大氣的污染，需要對煤炭進行加工[5-6]。

在當前煤炭行業(yè)產能過剩、供大于求、用戶對產品質量要求更加苛刻的情況下，人工揀矸分選系統(tǒng)配置嚴重制約著企業(yè)經濟效益的提高[7]。針對桑樹坪二號井原煤篩上物塊狀物料的粒度特征，煤、矸占比以及煤、矸各自的物理特性等特征，探索研究一項以技術先進、工藝簡單、分選精度好、效率高而且投資省、見效快、能夠保證產品質量，同時還不污染環(huán)境為總體方案要求的選煤新方法，具有重大的現(xiàn)實意義和經濟價值。

1 桑樹坪二號井選煤工況分析

韓城礦業(yè)桑樹坪二號井隸屬于陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，2015 年上半年完成了生產系統(tǒng)的擴能改造工作，礦井主運輸系統(tǒng)全面實現(xiàn)帶式輸送機運輸，南北采區(qū)的煤炭首先進入井底煤倉，然后通過斜井主運輸送帶及上倉輸送帶進入篩分車間進行篩分，分為+60 mm 篩上物塊煤、矸石及-60 mm 的篩下物混煤。由于篩上物矸石含量達 60%，矸石粒度為 30～300 mm，塊煤粒度為 25～100 mm，為提升產品質量，現(xiàn)有生產系統(tǒng)在篩下設置第一次人工揀選大矸，在塊煤倉上設置第二次人工揀矸，然后將塊煤用汽車倒運至現(xiàn)有儲煤場(混雜煤)進行第三次人工揀矸，最終塊煤產品經過汽車外運銷售，矸石通過汽車排棄。-60 mm 混煤直接由帶式輸送機運至儲煤場存儲后由汽車外運銷售。

桑樹坪二號井人工揀矸場景如圖 1 所示。

圖1 儲煤場人工揀矸

該選矸系統(tǒng)存在的問題：

(1)選矸員工配置較多，人工成本較高；

(2)工況復雜，安全管理壓力大；

(3)工作環(huán)境差，粉塵多，噪聲大，員工容易患職業(yè)?。?/p>

(4)員工勞動強度大，工作時間長，易疲勞，造成漏選或錯選，分選效率低；

(5)員工的熟練程度和技能高低影響分選效果；

(6)經過 3 次人工揀矸，部分塊煤在轉載、轉運、推土機盤煤過程中成為末煤(損失高達 65%)，總體經濟效益低。

2 智能煤矸分選系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結構組成

基于 X 射線識別的煤矸石智能分選系統(tǒng)其主要目標是實現(xiàn)對煤和矸石的識別和分選，提高煤的質量。其基本原理是利用 X 射線對不同密度的物質衰減程度不同，衰減后的 X 射線強度存在明顯區(qū)別[8]。通過接收衰減后的 X 射線信號，將其轉化為電信號，從而形成不同強度的 X 射線圖像，再對所獲得的X射線圖像進行分析處理，提取出煤和矸石的識別閾值，進而實現(xiàn)分選。該分選系統(tǒng)主要由 3 部分組成：檢測部分、識別部分和分選部分，如圖 2 所示。

圖2 煤和矸石智能分選系統(tǒng)結構

檢測部分包括排隊機構、帶式輸送機、X 射線源、探測器卡 X-card、數(shù)據(jù)采集卡 X-DAQ、X 射線源供電電源和數(shù)據(jù)采集卡供電電源。識別部分通過上位機對整個系統(tǒng)進行控制，是整個系統(tǒng)的核心部分。主要功能包括：X 射線源電壓和電流的控制，獲取衰減 X 射線信號，煤和矸石的識別以及通過 PLC 對氣閥進行控制打擊煤或矸石。

2.2 識別機理

基于現(xiàn)代傳感理論，引入雙能 X 射線發(fā)生系統(tǒng)，由一個射線源發(fā)出穩(wěn)定射線并由高低能兩組傳感器接收，對任意點同步產生兩組成像數(shù)據(jù)，以此反映被照射物質對射線的吸收結果，從而對不同粒級、不同形狀的煤和矸石進行精確成像和分組識別。X 射線對物質的衰減程度[9]

式中：I0為射線束透射物體前的強度；μ為衰減系數(shù)，與被照射物質的物理狀態(tài)和化學成分有關。

基于灰度值識別原理及式(1)可知，煤和矸石對 X 射線的衰減程度不同，與物體的高度和密度也有關系。相比于煤炭，矸石中含有大量的 Al2O3、SiO2，另外還含有數(shù)量不等的 Fe2O3、CaO、MgO 等物質。同碳元素相比，Al、Si、Fe 等元素對射線的吸收系數(shù)大，故在雙能 X 射線照射下，煤炭和矸石由于對射線的吸收不同從而形成成像差異。

在煤和矸石的智能識別過程中，首先需要對煤和矸石的圖像進行處理，通過近似計算煤和矸石圖像的面積S，得到煤或者矸石的高度hc和hg，同時采用直方圖[10]得到每塊煤和矸石的像素峰值灰度級fc和fg。因此，X 射線透過煤或者矸石之后的強度Ic和Ig分別為

式中：k1、k2分別為煤和矸石峰值灰度級與透射過的X 射線強度比例關系。

選取一系列煤和矸石進行試驗，擬合得到煤和矸石對 X 射線的衰減曲線[11]，如式(4)、(5)所示，進而得出峰值灰度級f和物體高度h的關系。

式中：μc、μg分別為煤和矸石對 X 射線的衰減系數(shù)。

由此筆者提出對煤和矸石識別的判斷式T=f h，并確定煤和矸石的識別閾值T0。

該研究以灰度級的頻率數(shù)和灰度值作為特征點，確定煤和矸石的識別閾值T0。選取桑樹坪二號井的具有代表性的煤塊和矸石，進行單物料分選調試，由分選控制程序記錄每個對象。通過計算機對大量煤和矸石透射后產生的灰度信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，建立煤和矸石分界的數(shù)學模型，如圖 3 所示。其中，分界線代表煤矸分選界限，可以根據(jù)物料特性的不同，調整分選界限，進而調整分選精度。

圖3 雙能 X 射線透射煤和矸識別數(shù)學模型

2.3 系統(tǒng)設計

采用高精度雙能 X 射線傳感器對照射煤和矸石后的 X 射線進行接收，接收到的 X 射線能量以一維數(shù)組的形式傳輸給控制上位機，由于采用雙能射線探測器，使同時獲取任意點的高低能能量信息成為可能，保證了數(shù)據(jù)同步、穩(wěn)定，相對于雙源射線更加具有可操作性。計算機通過 MATLAB 技術對數(shù)字信號進行預處理，得到反映射線能量的色彩信息，從而得出對物料組分屬性R的判斷，同時獲知物料的形狀、大小、位置、速度等信息。最終將符合設定擊打特征的對象信息通過計算機接口發(fā)送給執(zhí)行控制器。

識別機構與執(zhí)行機構如圖 4 所示，二者縱向排列，在自由落體過程中，對正處于自然下落的煤或者矸石施加一個法向外力，使之改變原拋落跡線完成整個識別與分選過程。識別-擊打一體化系統(tǒng)包括：給料系統(tǒng)、布料裝置、識別-執(zhí)行一體化機構 3 大主要系統(tǒng)，以及除塵、供風、電控 3 大輔助系統(tǒng)。工藝流程為：物料直接經布料器均勻單層給入智能一體化干選機；物料在自由拋落過程中被雙能 X 射線透射，分選控制系統(tǒng)對射線數(shù)據(jù)進行采集、分析、處理，識別煤塊和矸石；確定待擊打目標，將執(zhí)行命令傳輸給氣動執(zhí)行機構，氣動執(zhí)行機構根據(jù)計算機傳輸?shù)闹噶顖?zhí)行氣動擊打煤或矸石，被擊打者脫離原運動軌跡分離至遠方溜槽中，而未擊打者沿原正常軌跡進入近方溜槽中，從而實現(xiàn)選煤或矸石的高效、精確分離。

圖4 識別-擊打一體化模式系統(tǒng)示意

圖5 高頻臥式氣動噴射機構

3 試驗及結果分析

結合現(xiàn)場實際情況，根據(jù)干選車間工藝，布置一體化智能干選機、篩分機、布料器等，如圖 6 所示，完成安裝并對設備進行調試。

圖6 干選車間實景

調試分選粒級為 50～150 mm，分別測算選出產品煤中的含矸量以及矸中的帶煤量，結果發(fā)現(xiàn)篩下30～50 mm 的小塊煤含量較多，干法分離回收小塊煤時應將篩板孔下調為 30～150 mm?，F(xiàn)場對塊煤組成分析發(fā)現(xiàn)，大于 100 mm 的塊煤中基本全是矸石，這部分物料參與分選意義不大，試驗決定將分選上限調整為 100 mm 繼續(xù)測試，最終確定分選粒級為 30～100 mm。

確定好分選粒徑和雙能 X 射線透射煤矸分離數(shù)學模型后，根據(jù)制定的工藝流程進行工業(yè)試驗。試驗結果表明：單條一體化智能干法選煤系統(tǒng)的處理量為 50 t/h，人工揀選系統(tǒng)處理量為 20 t/h，干法系統(tǒng)可完全替代人工揀選系統(tǒng)(原系統(tǒng)為 2 條生產線)；煤中含矸小于 5.0%，最低時達到 1.4%，矸中帶煤小于5.0%，最低時達到 1.1%，煤的分選效率大于 90%，指標良好，超過了預期目標。通過智能干法選煤，不僅降低了工人患職業(yè)病的概率，而且降低了工人的勞動強度，有利于安全管理。

4 結論

(1)提出了利用雙能 X 射線識別煤與矸石的方法，建立了基于煤矸透射后生產的灰度值數(shù)學模型，該模型可根據(jù)物料特性的不同，調整分選界限來調整分選精度；

(2)在桑樹坪二號井儲煤場開展試驗，生產指標良好，超過了預期目標。該技術有效節(jié)省了噸煤人工加工費用 7 元左右，改善了作業(yè)環(huán)境，降低了勞動強度，提升了安全管理效率。