井下煤矸智能干選系統(tǒng)巷設(shè)計方法探討

楊彥宏

(中國煤炭科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120)

長期以來，煤礦開采產(chǎn)生大量的煤矸石在地面堆積排放，不僅占用了大量土地，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計，全國累計在地面堆存煤矸石近50億t，每年增長約3～5億t，累計占地約6.5萬hm2，破壞土地約157萬hm2[1]。近年來，井下煤矸智能干選及充填開采技術(shù)快速發(fā)展，塊矸就地分選充填，可以增加主井有效提升能力，節(jié)省矸石提升運輸成本和地面矸石處理費用，降低生態(tài)治理投入，解放部分壓覆煤炭資源，減緩礦山壓力、瓦斯、水等災(zāi)害，保護地下水資源，減輕煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的破壞，是煤礦實現(xiàn)綠色開采的有效技術(shù)手段[2]。目前，山東、江蘇、陜西等省份已有十幾個煤礦井下智能干選系統(tǒng)投入工程應(yīng)用。山西省委省政府2019年9月發(fā)布了《山西能源革命綜合改革試點行動方案》，開展井下矸石智能分選試點示范工程建設(shè)[3]。井下空間狹小，環(huán)境惡劣，井巷支護及維護難度大，對煤矸分選設(shè)備要求高，目前暫無可供遵循的設(shè)計規(guī)范，國內(nèi)專家學(xué)者開展了大量的智能干選系統(tǒng)研究[2-11]。趙振宇等通過增設(shè)原煤倉、矸石倉等設(shè)計確定鑫巖煤礦井下煤矸分選系統(tǒng)[3]。申斌學(xué)等提出了兩種井下智能干選系統(tǒng)布置方法，即大巷端部轉(zhuǎn)載點布置方法和大巷中部布置方法，論述了百良、小回溝等工程應(yīng)用案例[4]。本文根據(jù)相關(guān)研究成果和工程案例，結(jié)合煤礦井下主運輸系統(tǒng)布置特點，探討煤矸智能干選系統(tǒng)巷設(shè)計方法。

1 井下煤矸智能干選工藝流程

目前，常用的井下矸石分選工藝為破碎分選、跳汰分選、重介淺槽分選及射線干選[12-15]。破碎分選對煤與矸石的可碎性差異要求高；跳汰和重介淺槽分選雖然處理能力大，但需要水或介質(zhì)進行分選，脫水、煤泥處理工藝復(fù)雜，并且占用空間大；智能干選省去了水及分選介質(zhì)，利用圖像或者射線探查或射線成像技術(shù)，識別出煤與矸石，利用不同的控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)煤與矸石的分選，系統(tǒng)簡單，占用空間相對小，投資較低，推廣應(yīng)用效果較好[16，17]。

井下智能干選工藝流程如圖1所示。目前工程應(yīng)用較多的井下智能干選設(shè)備為X射線智能干選機、γ射線智能干選機，射線工作原理及工藝流程類似，均通過篩分、布料、分選系統(tǒng)實現(xiàn)煤矸分選。篩分系統(tǒng)確定煤的分選粒度，通過篩分環(huán)節(jié)后末煤返回主煤流，塊煤進入布料系統(tǒng)；布料系統(tǒng)對塊煤進行分散、排隊，以便后續(xù)分選系統(tǒng)射線識別煤和矸石；煤矸分選系統(tǒng)通過射線對煤矸進行識別，將信號傳輸?shù)娇刂萍皦猴L(fēng)系統(tǒng)，對煤矸進行分離，分離后的塊煤返回主煤流，塊矸進入矸石運輸系統(tǒng)。除篩分機、布料器、分選機外，同時配備供風(fēng)、除塵、配電、控制等輔助系統(tǒng)。

圖1 井下智能干選工藝流程

2 智能干選系統(tǒng)巷設(shè)計思路

結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗，開展井下智能干選系統(tǒng)設(shè)計，首先應(yīng)綜合分析煤質(zhì)條件、煤炭開采規(guī)模、矸石充填規(guī)模、設(shè)備處理能力，進而確定矸石分選粒度及規(guī)模，智能干選系統(tǒng)巷設(shè)計思路如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，研究分析篩分系統(tǒng)和矸石分選硐室布置方式，根據(jù)周邊巷道布置及采掘活動范圍確定智能干選系統(tǒng)巷位置，對滾軸篩、智能干選機、煤炭轉(zhuǎn)載帶式輸送機、矸石轉(zhuǎn)載帶式輸送機進行選型設(shè)計，同時匹配后續(xù)充填系統(tǒng)，確定智能干選系統(tǒng)巷布置方案。

圖2 智能干選系統(tǒng)巷設(shè)計思路

3 智能干選系統(tǒng)巷設(shè)計方法

3.1 井下煤矸智能干選規(guī)模

井下煤矸智能干選規(guī)模由主煤流運量、原煤含矸率及煤矸分選粒度、原煤分級篩的篩分能力、智能干選機分選能力、井下矸石充填規(guī)模等多因素綜合確定。

1)主煤流運量。即主運輸系統(tǒng)能力，按礦井設(shè)計生產(chǎn)能力確定，主煤流運量是確定井下矸石分選規(guī)模的重要參數(shù)，矸石分選配套設(shè)備處理能力需與主煤流運量相匹配。

2)原煤含矸率及煤矸分選粒度。矸石分選系統(tǒng)設(shè)計前應(yīng)按不同粒度分級深入分析原煤篩分試驗數(shù)據(jù)，確定不同粒徑原煤比例、矸石比例。根據(jù)主煤流運量和原煤含矸率，確定矸石分選粒度和塊煤矸運量。根據(jù)矸石分選粒度和塊煤矸運量，選擇配套的分級篩和智能干選機。

3)原煤分級篩的篩分能力。原煤分級通常采用滾軸篩，其處理能力應(yīng)與主煤流運量相匹配，以免造成瞬時來煤堆積。篩分粒度越大，滾軸篩處理能力越大，目前，井下投入工程應(yīng)用的50mm粒度以上的滾軸篩最大處理能力約2000t/h；100mm粒度以上的滾軸篩最大處理能力約3000t/h。根據(jù)滾軸篩設(shè)備工藝性能，增加軸數(shù)、篩寬可以提升處理能力，但占用空間會相應(yīng)加大。井下空間狹小，限制了滾軸篩處理能力進一步增大。

4)智能干選機分選能力。受智能干選工藝的限制，分選能力與最小分選粒度有關(guān)。據(jù)調(diào)研，分選粒度25～100mm的智能干選機單臺最大處理能力150t/h；分選粒度50～300mm的智能干選機單臺最大處理能力300t/h。為提升矸石分選能力，智能干選機可采用雙臺套并行布置。設(shè)計可按照塊煤矸運量選擇智能干選機。

5)井下矸石充填規(guī)模。井下矸石分選規(guī)模應(yīng)與后配套充填規(guī)模相匹配。目前，我國煤礦應(yīng)用的充填開采方法按充填空間分為全采全充和部分充填；按充填材料分為干式充填、膏體充填、注漿充填和高水充填等。井下煤矸分選后的塊矸宜就地采用干式充填[18-20]。目前，干式充填包括長壁工作面采空區(qū)架后充填、巷道迎頭拋矸機充填、房柱式開采充填、條帶式開采充填等。其中，長壁工作面采空區(qū)架后充填應(yīng)用最廣泛，投入工程應(yīng)用的單面最大充填規(guī)模200萬t/a。

綜上所述，矸石分選粒度是確定矸石分選規(guī)模的關(guān)鍵參數(shù)，滾軸篩和智能干選機的處理能力與矸石分選粒度有關(guān)。井下矸石分選規(guī)模由塊煤矸運量確定；塊煤矸運量根據(jù)主煤流運量及煤矸分選粒度確定；矸石分選量由主煤流運量和原煤含矸率確定。原煤分級篩的處理能力應(yīng)不小于主煤流運量；智能干選機的處理能力應(yīng)不小于篩分后塊煤矸運量；井下矸石充填能力應(yīng)不小于矸石分選后的塊矸運量。受設(shè)備處理能力、井下狹小空間的限制，井下煤矸智能干選適用于中小型礦井主煤流全部分選或大型礦井主煤流部分分選。

3.2 篩分系統(tǒng)布置

篩分是智能干選系統(tǒng)的第一道工序，目的是將原煤按分選粒徑分離，篩下末煤返回主煤流，篩上塊煤進入智能干選布料系統(tǒng)。根據(jù)篩分系統(tǒng)與轉(zhuǎn)載點的位置關(guān)系，有兩種布置方式可供選擇。

1)篩分系統(tǒng)直接布置在轉(zhuǎn)載點。該布置方式可省去篩分系統(tǒng)帶式輸送機轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)，但篩分系統(tǒng)需與轉(zhuǎn)載點帶式輸送機統(tǒng)籌布置。

2)將轉(zhuǎn)載點煤流引出布置篩分系統(tǒng)。該布置方式避免了篩分系統(tǒng)與轉(zhuǎn)載點帶式輸送機相互影響，但增加了篩分系統(tǒng)帶輸送機轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)。

鑒于篩下末煤運量通常較大，為簡化生產(chǎn)系統(tǒng)，篩分系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選擇布置在轉(zhuǎn)載點，避免大運量末煤轉(zhuǎn)載。但部分礦井受轉(zhuǎn)載點帶式輸送機密集、圍巖條件差等因素限制，需將轉(zhuǎn)載點煤流引出布置篩分系統(tǒng)。

3.3 井下智能干選硐室布置

3.3.1 智能干選硐室布置方式

受智能干選工藝的限制，設(shè)計可根據(jù)礦井矸石分選規(guī)模，選擇智能干選機臺數(shù)，確定采用單巷、雙巷或多巷布置。

1)單巷布置。根據(jù)智能干選機、布料器設(shè)備尺寸，如采用單臺設(shè)備，考慮安全間距及來煤、回煤帶式輸送機布置，需要布置寬度約6.0m，高度約7.5m的硐室。如采用2臺設(shè)備并排布置，最大處理能力600t/h，考慮安全間距及來煤、回煤帶式輸送機布置，需要布置寬度約9.5m，高度約7.5m的硐室。

2)雙巷及多巷平行布置。由于智能干選機處理能力有限，對于生產(chǎn)能力大的礦井，除采用煤倉緩沖控制給煤量外，也可增加設(shè)備數(shù)量，加大處理能力，采用雙巷及多巷平行布置方式，減少硐室斷面。

3.3.2 智能干選硐室位置選擇

根據(jù)井下煤矸分選工藝流程，主煤流轉(zhuǎn)載分流點即為智能干選系統(tǒng)巷位置。主要選擇原則如下：①有利于全礦井煤炭集中分選；②便于矸石井下充填運輸；③空間較大，可以滿足矸石分選硐室、矸石倉及相關(guān)設(shè)備硐室布置；④圍巖穩(wěn)定，便于布置大斷面硐室；⑤不影響周邊巷道布置及采掘活動；⑥方便與回風(fēng)巷相連，實現(xiàn)獨立通風(fēng)，便于智能干選系統(tǒng)通風(fēng)除塵。

煤礦井下主運輸多為帶式輸送機，常見的主煤流轉(zhuǎn)載點為轉(zhuǎn)載煤倉、帶式輸送機搭接點。智能干選系統(tǒng)巷布置位置宜優(yōu)先選擇主煤流轉(zhuǎn)載點，不具備條件的也可加設(shè)轉(zhuǎn)載裝置，現(xiàn)分述如下。

1)轉(zhuǎn)載煤倉上口。在煤倉上口帶式輸送機卸載滾筒位置布置篩分及矸石分選系統(tǒng)，分選矸石后，煤流通過轉(zhuǎn)載帶式輸送機返回轉(zhuǎn)載煤倉，矸石通過矸石帶式輸送機進入矸石倉或直接進入矸石倉。矸石倉上口與煤倉上口可布置在同一層位，共用檢修通道；矸石分選系統(tǒng)與帶式輸送機機頭可聯(lián)合布置變電所及檢修通道。但煤倉上口來煤不穩(wěn)定，瞬時來煤大于滾軸篩處理能力可能會導(dǎo)致設(shè)備無法正常運行。煤倉上口矸石分選系統(tǒng)如圖3所示。該布置方式適用于主煤流運量較小，煤倉上口圍巖條件較好，周邊空間較大，便于布置矸石分選硐室、矸石倉、矸石運輸系統(tǒng)巷及回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)的礦井。如西卓，百良等煤礦將智能干選系統(tǒng)巷布置在轉(zhuǎn)載煤倉上口。

圖3 煤倉上口矸石分選系統(tǒng)(mm)

2)轉(zhuǎn)載煤倉下口。在煤倉下口給煤機落料點布置篩分及矸石分選系統(tǒng)，矸石分選后，煤流進入煤倉下口主運輸帶式輸送機，矸石通過矸石帶式輸送機進入矸石倉。煤倉下口由給煤機控制來煤，煤流穩(wěn)定，有利于智能干選系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，矸石分選系統(tǒng)與給煤機可聯(lián)合布置配電硐室及檢修通道。煤倉下口給煤機硐室、矸石分選硐室等硐室群圍巖控制難度較大。矸石倉一般需布置上倉斜巷，配電、檢修通道需單獨布置。如圖4所示，該布置方式對瞬時大運量來煤適應(yīng)性強，適用于煤倉下口圍巖條件較好，周邊空間較大，便于布置矸石分選硐室、矸石倉、矸石運輸系統(tǒng)巷及回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)的礦井。如邵寨煤礦將智能干選系統(tǒng)巷布置在煤倉下口。

圖4 煤倉下口矸石分選系統(tǒng)(mm)

圖5 帶式輸送機搭接點矸石分選系統(tǒng)(mm)

3)帶式輸送機搭接點。在帶式輸送機搭接點增加滾軸篩或?qū)⑥D(zhuǎn)載煤流引出，篩分及分選矸石后，煤流返回主運輸帶式輸送機，矸石通過矸石帶式輸送機進入矸石倉。根據(jù)主運輸帶式輸送機搭接方向不同，主要分為主運輸帶式輸送機垂直搭接、平行搭接及斜交搭接，如圖5所示，斜交搭接布置形式類似，不再示意。由于轉(zhuǎn)載點沒有煤倉緩沖，與煤倉上口類似，來煤不穩(wěn)定，對瞬時大運量來煤適應(yīng)性差；并且?guī)捷斔蜋C搭接點硐室密集，布置形式需結(jié)合矸石流向及周邊巷道關(guān)系綜合確定。

該布置方式適用于主煤流運量較小，帶式輸送機搭接點為煤流集中轉(zhuǎn)載點的礦井。

4)加裝轉(zhuǎn)載裝置。礦井無集中轉(zhuǎn)載點，主煤流僅有一條帶式輸送機，在帶式輸送機煤流集中位置加裝轉(zhuǎn)載裝置、分級篩、卸載溜槽，將原煤篩分及分選矸石后，返回主運輸帶式輸送機，如圖6所示。加裝轉(zhuǎn)載裝置涉及對帶式輸送機進行改裝。該布置方式適用于礦井既沒有煤倉，也沒有集中搭接點的礦井，如上榆泉煤礦，通過加裝轉(zhuǎn)載裝置實現(xiàn)井下矸石分選。

圖6 加裝轉(zhuǎn)載裝置矸石分選系統(tǒng)示意(mm)

綜上，帶式輸送機搭接點、煤倉上口及加裝轉(zhuǎn)載裝置適用于分選粒度50～300mm，主煤流運量不大于3000t/h；分選粒度100～300mm，主煤流運量不大于2000t/h；雙臺套智能干選機處理能力不大于600t/h的礦井。煤倉下口由給煤機控制來煤，可以避免瞬時來煤堆積問題，煤流穩(wěn)定，有利于智能干選系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，條件具備的礦井應(yīng)優(yōu)先選擇在煤倉下口布置智能干選系統(tǒng)巷。

4 工程設(shè)計案例

智能干選系統(tǒng)巷布置需結(jié)合矸石分選規(guī)模、矸石分選系統(tǒng)巷位置、周邊巷道布置及采掘活動綜合確定。潘家窯礦井設(shè)計生產(chǎn)能力10.0Mt/a，采用主斜副立綜合開拓方式，主斜井井底設(shè)1、2號煤倉，投產(chǎn)時布置2個盤區(qū)，一盤區(qū)布置綜放工作面，二盤區(qū)布置充填綜采工作面。一、二盤帶式輸送機與井底1號煤倉搭接，1、2號煤倉上口布置一條可逆配倉帶式輸送機。一盤區(qū)帶式輸送機運量為Q=3650t/h；二盤區(qū)帶式輸送機運量為Q=1050t/h；配倉帶式輸送機運量Q=4700t/h。煤倉直徑均為?10m，每個煤倉容量約3000t。二盤區(qū)充填工作面矸石充填量1.53Mt/a。

由于礦井生產(chǎn)能力大，考慮到篩分選矸設(shè)備處理能力、充填工作面充填能力等因素，通過分析煤質(zhì)資料，設(shè)計在井底1號煤倉下口布置矸石分選系統(tǒng)，分選部分塊矸，確定井下矸石分選粒度為120mm，井下煤矸智能干選規(guī)模520t/h，選用1臺處理能力3000t/h 滾軸篩，2臺處理能力260t/h智能干選機。智能干選工藝流程如圖7所示。

圖7 潘家窯礦井下矸石智能分選系統(tǒng)流程

井底1號煤倉下口設(shè)2個分煤口，每個分煤口設(shè)1臺處理能力Q=3000t/h的甲帶給煤機，其中1臺向滾軸篩給煤，另1臺作為備用向主斜井帶式輸送機給煤，確保矸石分選系統(tǒng)設(shè)備維護期，主煤流系統(tǒng)仍可正常運行，如圖8、圖9所示。

圖9 矸石分選系統(tǒng)剖面布置(mm)

來煤經(jīng)滾軸篩進行篩分后，篩下粒度小于120mm的篩下煤落至主斜井帶式輸送機運輸至地面生產(chǎn)系統(tǒng)；篩上粒度大于等于120mm原煤經(jīng)溜槽轉(zhuǎn)載至1號轉(zhuǎn)載帶式輸送機，而后通過分叉溜槽均勻轉(zhuǎn)載至2、3號轉(zhuǎn)載帶式輸送機，進而將物料分別給入2臺振動布料器，物料經(jīng)振動布料器進行緩沖、均勻布料后，給入智能干選機進行分選。智能干選機分選后的精煤通過帶式輸送機轉(zhuǎn)載返回主斜井帶式輸送機，分選后的矸石通過矸石上倉帶式輸送機運輸至矸石倉，進入矸石充填系統(tǒng)。智能干選硐室內(nèi)布置2臺振動布料器、2臺智能干選機、3臺空壓機和3臺風(fēng)包。

5 結(jié) 論

1)井下矸石分選粒度及規(guī)模由主煤流運量、煤質(zhì)特征、篩分選矸設(shè)備處理能力、井下矸石充填規(guī)模等因素綜合確定。

2)篩分系統(tǒng)末煤運量大，為避免大運量末煤轉(zhuǎn)載，應(yīng)優(yōu)先考慮將篩分系統(tǒng)布置在煤炭轉(zhuǎn)載點位置。

3)智能干選系統(tǒng)巷布置位置優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)載煤倉及帶式輸送機搭接位置，不具備條件的也可加設(shè)轉(zhuǎn)載裝置。帶式輸送機搭接點、煤倉上口均存在來煤不穩(wěn)定，智能干選系統(tǒng)對瞬時大運量來煤適應(yīng)性差，適用于主煤流運量較小的礦井。煤倉下口由給煤機控制來煤，煤流穩(wěn)定有利于智能干選系統(tǒng)穩(wěn)定運行，條件具備的礦井應(yīng)優(yōu)先選擇在煤倉下口布置智能干選系統(tǒng)巷。

4)井下煤矸分選系統(tǒng)硐室斷面大，與煤炭轉(zhuǎn)載點硐室形成大斷面硐室群，巷道支護及維護難度大，智能干選系統(tǒng)巷布置需結(jié)合周邊巷道圍巖條件及采掘活動綜合確定。

5)潘家窯礦井為年產(chǎn)千萬噸礦井，主煤流運量大，利用倉緩沖實現(xiàn)矸石分選，通過雙分煤口雙給煤機實現(xiàn)雙系統(tǒng)自動切換；篩分后塊煤通過分岔溜槽轉(zhuǎn)載向雙套智能干選機給煤，矸石分選能力大，通過矸石倉轉(zhuǎn)載可匹配充填工作面充填能力。