井下智能干選系統(tǒng)工藝探討

李騰

（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054）

1 概況

由于煤層中含有夾矸及煤礦開采過程中混入頂?shù)装?，因此煤礦在生產過程中會產生煤矸石，傳統(tǒng)的處理方式是直接將矸石堆放于地表，形成矸石山。矸石山會對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來很大的威脅與破壞，包括侵占土地，污染空氣、水質和土壤。我國2020年規(guī)模以上工業(yè)原煤產量38.4億噸，按矸石產率10%估算，年產矸石約3.8億噸，年產量大，并且成年累積。矸石山給礦區(qū)綠色發(fā)展帶來的環(huán)境污染等負面效應越來越難以被接受，甚至影響煤礦的生存。近年來，我國政府高度重視并積極引導和大力提倡新的煤礦發(fā)展趨勢，降低煤矸石對環(huán)境的影響。部分省、自治區(qū)鼓勵發(fā)展井下選充一體化技術，其中山西省能源局印發(fā)《關于在全省新建煤礦開展井下矸石智能分選系統(tǒng)和不可利用矸石全部返井試點示范工程建設的通知》，通過建設井下選充一體化示范工程，引領煤炭綠色開采利用的變革。

井下選充一體化工程通過原煤井下分選、矸石就地充填，可以減少因矸石無效提升運輸而產生的運輸費用，避免矸石提升到地面堆積對地面環(huán)境造成污染，還可以提高原煤中精煤的產率,最終增加煤礦精煤產量,提高煤礦收益。目前井下充填方式有綜合機械化固體充填、短壁干式充填、膏體充填、漿體管道充填等模式，幾種充填方式均有工程案例，具體的選擇需根據(jù)礦井矸石充填的工程目的、井下生產系統(tǒng)、充填的矸石量等合理選擇，本文主要探討井下分選系統(tǒng)。

2 井下分選工藝對比分析

2.1 重介淺槽排矸工藝

重介淺槽的分選原理利用煤的密度小、矸石密度大的特征，在相對靜止重介懸浮液中煤上浮、矸石下沉，從而實現(xiàn)煤矸分離。重介淺槽排矸工藝的優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點：①有效分選粒度范圍寬。淺槽分選機分選有限粒度范圍為13～200mm，最低入料下限可達6mm；②設備處理能力大，單臺設備最大處理能力達790t/h，還可通過增寬矸石刮板增大排矸能力；③淺槽分選機主要用于分選塊煤，分選可能偏差Ep值低，對原煤煤質波動適應性強。

（2）缺點：分選上限低，一般在200mm，加工成本略高。

新汶礦業(yè)集團濟陽礦應用了井下淺槽重介排矸工藝，設計處理能力為300t/h，用于分選粒度為300～25mm的毛煤。

2.2 跳汰排矸工藝

跳汰分選的原理為在重力場下以水為介質進行分選，物料在上升和下降的交變脈動水流中根據(jù)密度不同進行分層，進而實現(xiàn)分選。跳汰排矸工藝的優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點：①適應粒級范圍廣，有效分選粒度下限低；②加工費較低，沒有介質消耗，無介質回收系統(tǒng)；③除雜效果好。

（2）缺點：①當煤質波動或產品要求發(fā)生變化時，調整設備時自動化程度低，需要一定的人工干預，分選效率低；②跳汰機及配套的脫水斗提機布置復雜、導致廠房體積偏大。

晉中能源邢東煤礦應用了井下跳汰排矸工藝，系統(tǒng)處理能力為600t/h，毛煤中200～30mm進入跳汰系統(tǒng)分選。

2.3 動篩排矸工藝

動篩跳汰分選適應的入洗粒級為400～30mm的塊煤。原煤在動篩內松散、分層、分選的原理與跳汰相似，不同之處為不通過水流的脈動，而通過動篩機的篩板做上下往復運動。動篩排矸工藝的優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點：①動篩跳汰機分選粒級寬，排矸能力大，大塊煤與矸洗選過程中次生煤泥產出量少，是有效的排矸設備；②相比跳汰機，動篩分選過程中不需要沖水和頂水，通過篩板運動實現(xiàn)物料松散，因此，用水量較小。噸煤循環(huán)用水量為0.1～0.3m3，相當一般跳汰機的5%，補充水量僅是產品帶走的水量；③配套設備少。由于動篩跳汰機自身集成了提升部件，并且不用風，因此，無斗提機及壓風系統(tǒng)，投資少。

（2）缺點：①分選下限高，一般為30mm，因而使入洗量減少，不利于穩(wěn)定煤質；②處理能力相對淺槽較小。

新汶礦業(yè)集團協(xié)莊煤礦、翟鎮(zhèn)煤礦應用了井下動篩排矸工藝，+50mm進入動篩跳汰系統(tǒng)分選。

2.4 智能干法選煤工藝

智能干法選煤技術區(qū)別于傳統(tǒng)的濕法選煤方法及其他干選技術，利用煤與矸石對射線的吸收不同完成識別。對識別的煤、矸利用高壓風擊打完成分選。工作流程為：物料經給料裝置給入帶式輸送機布料裝置，物料在布料裝置上實現(xiàn)單層排列，原料經位于布料裝置上方的X射線源和位于布料裝置下方的X射線探測器識別判斷物料是精煤或矸石，同時，將位置信息傳遞給電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)根據(jù)被執(zhí)行目標物的位置，開啟相應位置的陣列式氣閥完成擊打，被擊打的矸石落入遠端溜槽中，精煤則保持原運動軌跡落入精煤溜槽中，至此完成物料的射線干法分選，智能干選機示意圖見圖1。

圖1 智能干選機示意圖

澄合礦業(yè)公司百良旭升煤礦應用了井下智能干選系統(tǒng)，用于分選50～300mm塊煤，分選能力150t/h，可分選出矸石130Kt/a。百良旭升煤礦同步建設有井下充填系統(tǒng)，矸石就地分選就地充填，可給煤礦增加年利潤約1507萬元。

2.5 井下分選工藝對比（表1）

表1 井下分選工藝對比表

重介淺槽、跳汰及動篩排矸等濕法選煤技術在雖然有井下應用的實例，但存在工藝系統(tǒng)復雜、設備較多、需要考慮介質及煤泥水系統(tǒng)，前期投資及后期維護成本均較高等問題，因此影響了傳統(tǒng)濕法選煤技術在井下的推廣。智能干法選煤技術的分選系統(tǒng)僅包含智能干選機及配套的壓風系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)，設備本體較常規(guī)濕法分選設備體積小，具有系統(tǒng)簡單、分選精度高，投資少等優(yōu)勢，利于扁平化布置于井下，因此成為井下分選技術新的方向。

3 井下智能干法選煤工藝

3.1 系統(tǒng)能力確定原則

由于井下生產存在不均衡性，井下智能干選系統(tǒng)主要關鍵設備的處理能力不應以礦井的平均生產能力為依據(jù)，應以智能干選系統(tǒng)設置環(huán)節(jié)的主運輸峰值能力作為系統(tǒng)設備處理能力選型。

另外，為了保證井下選充系統(tǒng)能力的匹配，井下干選系統(tǒng)產生的矸石總量應小于工作面矸石充填需求量和井下矸石儲備能力的總和，同時兼顧分選與充填環(huán)節(jié)的工作制度，要保證矸石產出與消耗量匹配。

3.2 工藝流程制訂

目前智能干選機根據(jù)入料粒度共分為500～100mm、300～50mm、150～25mm三款機型。三種型號設備最大處理能力分別為320t/h，240t/h，140t/h。

具體的智能干選機選用型號需根據(jù)實際礦井的井下生產能力及煤質資料確定，但也有一定的原則。一般井下原煤中500～100mm粒級產率較低，產量較少，一方面無法充分發(fā)揮設備的處理能力，另一方面，也無法實現(xiàn)井下盡量多的分選出矸石。而原煤中150～25mm粒級產量大，對于大型礦井而言需多臺干選機才能實現(xiàn)完全分選，會導致干選硐室過大，存在實施難度大，井巷工程投資偏高的問題。因此一般選擇的干選機處理粒度為300～50mm。

一般井下智能干選系統(tǒng)工藝環(huán)節(jié)有兩個，一為分級環(huán)節(jié)，二為智能干選環(huán)節(jié)。原煤首先經滾軸篩實現(xiàn)50mm分級300～50mm進入智能干選機進行分選，篩下返回主煤流系統(tǒng)。300～50mm經智能干選機分選出矸石及精煤，矸石進入后續(xù)充填系統(tǒng)，精煤返回主煤流系統(tǒng)。

通常，井下工作面順槽口處布置有破碎機，排料粒度一般小于300mm，如果安裝的破碎機為雙齒輥破碎機，粒度控制情況較好，破碎后原煤中限上物料少。如果安裝的破碎機為環(huán)錘破碎機，排料中通常存在超限的特大塊，此時，在進入干選機前需要增加破碎環(huán)節(jié)。井下智能干選工藝流程圖見圖2。

圖2 井下智能干選工藝流程圖

3.3 工藝布置

（1）井下工藝布置原則。智能分選系統(tǒng)位置選擇主要考慮以下三點：第一，井下布置智能干選系統(tǒng)要結合礦井主運輸系統(tǒng)，優(yōu)選布置于井下生產的轉載環(huán)節(jié)，利于直接布置系統(tǒng)或將物料導出布置系統(tǒng)，減少對礦井正常生產的影響。第二，井下布置智能干選系統(tǒng)需考慮采用的矸石充填方式及矸石充填位置。智能干選系統(tǒng)布置應靠近矸石充填準備系統(tǒng)及矸石充填位置，盡量縮短矸石運輸距離；第三,智能分選系統(tǒng)位置需要結合礦井的接續(xù)計劃，盡量提高智能干選系統(tǒng)服務年限，降低系統(tǒng)的運行成本。

（2）布置于工作面帶式輸送機機頭處。本布置思路為將智能干選系統(tǒng)布置于工作面帶式輸送機機頭處，主要包含滾軸篩、智能干選機及轉載帶式輸送機，本思路布置系統(tǒng)圖見圖3。本思路為在工作面帶式輸送機與主運大巷帶式輸送機搭接處布置滾軸篩，實現(xiàn)以80(50)mm分級，篩下直接給至主運大巷帶式輸送機，篩上大塊經帶式輸送機轉載至智能干選硐室，進行智能干選，干選出的精煤經帶式輸送機轉載至主運大巷帶式輸送機，選出矸石經帶式輸送機運至后續(xù)矸石充填系統(tǒng)。本思路的優(yōu)點為服務于單個工作面，對于特大型礦井，分工作面布置智能干選系統(tǒng)，實現(xiàn)單面單套系統(tǒng)，通過化整為零，多套系統(tǒng)分開布置的思路，解決因井下產能過大，導致無法集中布置智能干選系統(tǒng)的問題。本系統(tǒng)的缺點為智能干選系統(tǒng)僅能服務于一個工作面，當開采下一工作面時，智能干選系統(tǒng)需搬家倒面。

圖3 智能干選系統(tǒng)布置于工作面帶式輸送機機頭處系統(tǒng)圖

（3）大巷帶式輸送機機頭處。本思路為將智能干選系統(tǒng)布置于大巷帶式輸送機機頭處，對于設有井底煤倉的礦井，可考慮將滾軸篩直接布置于井底煤倉上口，篩下可直接落倉，減少轉載環(huán)節(jié)。篩上塊煤經帶式輸送機運至智能干選車間，分選后的精煤經帶式輸送機轉載返回井底煤倉，落倉存儲，矸石經帶式輸送機運至充填系統(tǒng)。本思路布置系統(tǒng)圖見圖4。本思路的優(yōu)點為智能干選系統(tǒng)可服務于整個礦井，一次建設，全生命周期服務。同時，具有系統(tǒng)簡單、轉載環(huán)節(jié)少的特點。

圖4 智能干選系統(tǒng)布置于大巷帶式輸送機機頭處系統(tǒng)圖

4 結語

由于不同煤礦的井下生產情況存在一定的差異，井下智能干選系統(tǒng)的工藝制訂及工藝布置需從礦井生產能力、原煤煤質、井下開采系統(tǒng)、矸石充填方式等多方面出發(fā)，具體問題、具體分析，根據(jù)不同煤礦、不同特色制訂符合實際情況的井下智能干選系統(tǒng)，從而實現(xiàn)矸石井下分選、就地充填，提升煤礦經濟效益，降低矸石處理壓力。