色連礦區(qū)多煤層煤質(zhì)的密度和泥化特性差異分析

聶 騫,周 偉,王淑杰,夏王浩,王 輝,王浩宇

(安徽理工大學(xué), 安徽 淮南 232001)

近年來,隨著井下采煤機(jī)械化程度的提高,煤層變薄、頂?shù)装迥鄮r大量被割入,越來越多的矸石被帶入原煤,而有的矸石遇水易泥化,以致大量高灰細(xì)泥進(jìn)入原煤洗選加工過程中,從而導(dǎo)致浮選效果變差和煤泥回收率降低。許多學(xué)者對(duì)矸石泥化現(xiàn)象進(jìn)行了研究。劉令云等[1]對(duì)淮南礦區(qū)不同密度級(jí)原煤進(jìn)行泥化研究,發(fā)現(xiàn)不同密度級(jí)原煤泥化率差別較大,石英及高嶺土含量較高的高密度和中等密度級(jí)原煤泥化率高;盧軍等[2]對(duì)3個(gè)不同地區(qū)的煤矸石進(jìn)行泥化試驗(yàn),結(jié)果表明,棗莊矸石泥化現(xiàn)象最為嚴(yán)重,榆林矸石泥化次之,淮北矸石泥化較輕;陳小軍等[3]對(duì)爾林兔三號(hào)井田3#煤層做了大量煤質(zhì)特征和化學(xué)性質(zhì)分析,發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)具有特低灰、無黏結(jié)性、高發(fā)熱量等特征;黃孟等[4]對(duì)童亭原煤做了泥化試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)原煤中大量易泥化的伴生礦物的存在,加劇了泥化程度;蔣淑玲[5]對(duì)新鄭精煤公司入選構(gòu)造煤泥化做了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)煤泥的形成不是由于水的浸泡作用導(dǎo)致的,而是由于攪拌作用導(dǎo)致的; 孫景陽[6]對(duì)3個(gè)選煤廠矸石泥化問題做了分析,當(dāng)細(xì)泥含量多時(shí),采用高性能壓濾機(jī)是最有效的煤泥回收裝備。上述文獻(xiàn)均從不同礦區(qū)或一個(gè)礦區(qū)同一煤層進(jìn)行研究,而未對(duì)同一礦區(qū)的不同煤層進(jìn)行考量?；诖?以色連礦區(qū)3個(gè)煤層為研究對(duì)象,通過試驗(yàn)結(jié)果分析不同煤層其密度和泥化特性差異,為改善選煤工藝及煤泥水的治理提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 樣品采集

按照MT/T 1034—2006《生產(chǎn)煤樣采取方法》,采內(nèi)蒙古鄂爾多斯色連礦區(qū)12309、12310、12409三個(gè)煤層的原煤作為試驗(yàn)煤樣。該煤礦是一座年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 000萬t的礦井型動(dòng)力煤礦,現(xiàn)有選煤工藝流程為:200～13 mm重介淺槽排矸、13～6 mm兩產(chǎn)品重介旋流器分選、<6 mm粉煤摻入產(chǎn)品煤,粗煤泥經(jīng)過高頻篩、立式離心機(jī)聯(lián)合脫水后摻入產(chǎn)品回收,細(xì)煤泥經(jīng)壓濾機(jī)回收。為了提高樣品的代表性,待井下煤層煤樣質(zhì)量穩(wěn)定后,選取4 h內(nèi)的原煤。

1.2 密度試驗(yàn)

將采取的煤樣中>100 mm大塊物料經(jīng)手選除去矸石后進(jìn)行破碎,經(jīng)過分級(jí)處理后,按GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》規(guī)定的方法,對(duì)100～1 mm煤樣開展破碎綜合級(jí)的1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3及1.8 g/cm3密度級(jí)的浮沉試驗(yàn),并按照GB/T 16417—2011《煤炭可選性評(píng)價(jià)方法》評(píng)定其可選性。

1.3 泥化試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)方法

參照MT/T 109—1996《煤和矸石泥化試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。首先,取4份質(zhì)量均為25 kg的50～13 mm的試驗(yàn)煤樣放入轉(zhuǎn)筒中,再加入100 kg水,將轉(zhuǎn)筒密封后開始翻轉(zhuǎn),4份樣翻轉(zhuǎn)時(shí)間分別為5 min、15 min、25 min、30 min. 翻轉(zhuǎn)結(jié)束后,將轉(zhuǎn)筒中的試樣倒出,用0.5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩分,并在篩分過程中連續(xù)沖水保證篩分完全。篩分結(jié)束后,篩上物進(jìn)行烘干處理,篩下物進(jìn)行沉淀處理,其中篩上物用13 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行干篩,篩下物用0.045 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行濕篩,將其分成>13 mm、13～0.5 mm、0.5～0.045 mm和<0.045 mm四個(gè)產(chǎn)品,最后將所得的各粒級(jí)產(chǎn)物烘干稱重并記錄。

用W45表示試樣中<0.045 mm產(chǎn)品質(zhì)量百分比,W500表示試樣中<0.500 mm 產(chǎn)品質(zhì)量百分比。煤的泥化程度定義如下:當(dāng)W500≤10.0%時(shí),為低泥化程度;當(dāng)W500>10.0%時(shí),根據(jù)泥化比B(B=W45/W500)劃分泥化程度:B≤10.0%,為低泥化程度;B在10.1%～20.0%,為中泥化程度;B在20.1%～30.0%,為中高泥化程度;B>30.0%,為高泥化程度[7].

1.3.2 礦物組成分析

從<0.045 mm的細(xì)煤泥中隨機(jī)取樣,采用Smartlab SE型射線衍射儀在Cu/Ka靶、管電壓40 kV、管電流30 mA、衍射角度5°～80° 的衍射條件下,對(duì)3個(gè)煤層1.60～1.70 g/cm3、1.70～1.80 g/cm3、>1.80 g/cm3進(jìn)行XRD分析,確定不同密度級(jí)原煤中的礦物組成,并測(cè)定其灰分。

1.4 儀器設(shè)備

對(duì)原煤粒度分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)套篩,孔徑分別為0.500 mm、0.250 mm、0.125 mm、0.075 mm和0.045 mm;用于對(duì)樣品進(jìn)行干燥的恒溫箱和測(cè)灰分的馬弗爐;對(duì)不同密度級(jí)原煤及其泥化煤泥(<0.045 mm)分別進(jìn)行灰分分析、礦物組成分析的WS～G40型自動(dòng)工業(yè)分析儀和Smartlab SE型X射線衍射儀;根據(jù)MT/T 109—1996《煤和矸石泥化試驗(yàn)方法》規(guī)定的泥化機(jī)標(biāo)準(zhǔn)按1∶2縮制的泥化機(jī),開展泥化試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 原煤密度試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 3個(gè)煤層密度試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 不同煤層密度試驗(yàn)結(jié)果表

由表1可以看出,3個(gè)煤層主導(dǎo)密度級(jí)均<1.4 g/cm3,均可分選出低灰精煤,其中12309煤層產(chǎn)率最高和灰分最低,分別為81.73%和4.86%;分選密度>1.8 g/cm3灰分均高達(dá)80%,可見基本為純矸石。在分選密度為1.4～1.8 g/cm3,3個(gè)煤層各密度產(chǎn)率均極低,但灰分隨著分選密度級(jí)增加而增加。

初步可得:3個(gè)煤層煤質(zhì)均屬高矸、高灰煤[8],在分選密度<1.4 g/cm3時(shí),可分選出特低灰精煤;其次在分選密度>1.8 g/cm3,3個(gè)煤層原煤大多為純矸石。

2) 根據(jù)δ±0.1含量繪制可選性曲線[9]見圖1.由圖1可以看出,3個(gè)煤層波動(dòng)規(guī)律基本一致,隨密度級(jí)的增加,分選性由難到易,在密度級(jí)<1.3 g/cm3時(shí),3個(gè)煤層可選性均為極難選,其中12309煤層分選最難,δ±0.1含量高達(dá)81.73%;在1.5～1.6 g/cm3、1.6～1.7 g/cm3、1.7～1.8 g/cm3和>1.8 g/cm3各密度級(jí)δ±0.1含量均較低。

圖1 不同密度級(jí)分選密度曲線圖

初步可得:3個(gè)煤層在<1.3 g/cm3時(shí),可選性均為極難選;分選密度在1.5～1.8 g/cm3時(shí),可選性均為易選[10],適合選前排矸。

2.2 泥化試驗(yàn)結(jié)果分析

3個(gè)煤層的煤和矸石泥化試驗(yàn)結(jié)果見表2.由表2可知:當(dāng)翻轉(zhuǎn)時(shí)間為5 min、15 min、25 min、30 min 時(shí),其泥化比平均值分別為51.16%、55.03%、54.41%、59.19%,說明3個(gè)煤層原煤隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),其泥化程度越來越嚴(yán)重。

表2 不同煤層原煤泥化試驗(yàn)結(jié)果表

3個(gè)煤層中<0.045 mm煤泥5 min、15 min、25 min、30 min的算術(shù)平均灰分分別為54.15%、61.21%、63.86%、70.04%,可以看出隨著翻轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng),其灰分逐漸增加,說明矸石有泥化現(xiàn)象。

為了更直觀了解<0.045 mm細(xì)泥產(chǎn)率變化規(guī)律,繪制細(xì)泥增量圖,見圖2.

圖2 細(xì)泥增量圖

由圖2可知,在翻轉(zhuǎn)5 min時(shí),12310煤層細(xì)泥產(chǎn)率就達(dá)到2.45 %,在30 min時(shí)高達(dá)10.72%,泥化最為嚴(yán)重;12309煤層的泥化最不明顯,在翻轉(zhuǎn)30 min時(shí)細(xì)泥產(chǎn)率只有4.15%,但在15～25 min時(shí)泥化速度最快;而12409煤層的泥化程度以15 min為臨界點(diǎn),之前產(chǎn)率最小,低于2.29%,之后介于12309煤層和12310煤層之間。

泥化前后細(xì)泥灰分對(duì)比見表3. 由表3可知,增加的細(xì)泥灰分明顯高于原生煤泥的灰分,說明泥化過程中原生煤泥中混入矸石量較多,原煤在開采過程中已逐漸發(fā)生泥化。

表3 灰分對(duì)比表

綜上所述,可初步得出以下結(jié)論:

1) 3個(gè)煤層原煤在轉(zhuǎn)筒泥化試驗(yàn)中,<0.045 mm粒級(jí)的細(xì)泥產(chǎn)率和灰分隨翻轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,且泥化比(B)均大于30.0%,為高泥化程度煤,其中12310煤層最為嚴(yán)重,12409煤層次之,12309煤層最小。

2) 3個(gè)煤層由于均有矸石泥化現(xiàn)象,應(yīng)盡量縮短浸泡時(shí)間以減輕泥化程度,并及時(shí)添加絮凝劑以減少在煤泥水系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)時(shí)間。

2.3 原煤密度和泥化特性結(jié)合分析

綜合表1、表2結(jié)果可知,當(dāng)分選密度在<1.3 g/cm3時(shí)3個(gè)煤層原煤可選性均為極難選,實(shí)際分選密度>1.5 g/cm3時(shí)可選性均為易選,而動(dòng)力煤實(shí)際生產(chǎn)中分選密度在1.65 g/cm3左右,分選較為容易,但由于矸石泥化的影響,高灰細(xì)泥增多導(dǎo)致內(nèi)部循環(huán)時(shí)間過長(zhǎng),使得礦漿黏稠度高、分層速度較慢、分選精度下降,嚴(yán)重影響分選效率。

在全面掌握原煤密度和泥化特性后,發(fā)現(xiàn)3個(gè)煤層均不宜在水中停留過久;由于原煤在高密度為易選,中間密度物含量少,采用干選出來的精煤灰分和精煤產(chǎn)率與水洗工藝相差不大,可在合適分選區(qū)間選擇恰當(dāng)?shù)母蛇x設(shè)備,如塊煤采用智能干選機(jī)預(yù)先排矸或末煤采用部分干法分選,既避免水分對(duì)發(fā)熱量的影響,又降低次生煤泥量且有效防止矸石泥化。

2.4 XRD礦物組成分析

為了進(jìn)一步掌握原煤泥化煤泥的礦物組成,分析其來源,對(duì)3個(gè)煤層的1.60～1.70 g/cm3、1.70～1.80 g/cm3和>1.80 g/cm3密度級(jí)進(jìn)行XRD分析,結(jié)果見圖3,4,5.

圖3 1.6～1.7 g/cm3密度級(jí)原煤XRD譜圖

圖4 1.7～1.8 g/cm3密度級(jí)原煤XRD譜圖

圖5 >1.8 g/cm3密度級(jí)原煤XRD譜圖

由XRD譜圖可知,煤泥中主要的礦物成分為石英、高嶺石,其中密度1.6～1.7 g/cm3時(shí),衍射峰強(qiáng)度在衍射角20°時(shí)最大;1.7～1.8 g/cm3和>1.8 g/cm3時(shí),衍射峰強(qiáng)度在衍射角25°左右時(shí)最大,且3個(gè)煤層衍射峰最大時(shí),都存在大量石英,且石英衍射峰強(qiáng)度隨衍射角度的增加而逐漸變強(qiáng),而高嶺土的衍射強(qiáng)度隨衍射角度的增大而逐漸變?nèi)?說明此時(shí)高嶺土含量正逐漸降低。3個(gè)煤層均在衍射角為20°～30°之前,以高嶺土為主,之后存在大量石英。結(jié)合表1得知,3個(gè)煤層中>1.8 g/cm3產(chǎn)率分別占8.16%、26.64%、15.99%,說明煤泥中<0.045 mm的微細(xì)顆粒大多來自高密度級(jí)的原煤泥化產(chǎn)生的大量石英和高嶺石,這可能是導(dǎo)致煤泥水難以沉降澄清處理的主要原因,且12310煤層細(xì)泥含量最多,泥化最嚴(yán)重,12409煤層次之,12309煤層最小,與泥化試驗(yàn)結(jié)果相符。

3 結(jié) 語

1) 同一礦區(qū)不同煤層的煤質(zhì)存在一定差異,色連礦區(qū)3個(gè)煤層煤和矸石均易泥化,且矸石泥化更嚴(yán)重;通過泥化和浮沉試驗(yàn)可知,12310煤層泥化最嚴(yán)重,12409煤層次之,12309煤層最小。

2) 3個(gè)煤層主導(dǎo)密度級(jí)均為<1.4 g/cm3,可分選出低灰精煤,當(dāng)分選密度<1.3 g/cm3時(shí)3個(gè)煤層可選性均為極難選,其中12309煤層原煤δ±0.1含量高達(dá)81.73%;在分選密度>1.5 g/cm3時(shí)3個(gè)煤層可選性均為易選,當(dāng)分選密度>1.8 g/cm3灰分均高達(dá)80%以上,大多為純矸石,可以進(jìn)行選前排矸。

3) 原煤中含有大量易泥化的伴生礦物石英和高嶺石,是導(dǎo)致煤泥水難以沉降澄清處理的主要原因。結(jié)合密度和泥化特性,發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)3個(gè)不同煤層的原煤泥化較為嚴(yán)重,且礦區(qū)處于干旱缺水地帶,在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上,與干選工藝相結(jié)合,如塊煤采用智能干選機(jī)可預(yù)先排矸或末煤采用干法分選,減少高灰細(xì)泥進(jìn)入煤泥水系統(tǒng)中,也緩解各設(shè)備分選壓力,由于干法不用水,在降灰提高煤發(fā)熱量作用的同時(shí),減少環(huán)境污染,采用干濕聯(lián)合工藝可充分發(fā)揮各設(shè)備潛能,使選煤廠效益最大化。