楊曉成，楊慶華，呂琳亞，趙學義

（1.中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083；2.北京礦大能源安全科技有限公司，北京 100083；3.河北聯(lián)合大學，河北 唐山 063000）

0 引言

傳統(tǒng)的煤矸分離方式為井下原煤直接提升至地面，經(jīng)洗煤廠重介洗選后，分選出的煤矸石運至矸石山存放。矸石山的堆積不但占用了大量土地，而且嚴重污染周邊環(huán)境。原煤中含有大量夾矸，降低了礦井提升系統(tǒng)能力，造成不必要的能源消耗。

井下煤矸分離技術使原煤在井下直接進行分選，排除的矸石不升井、就地充填，既節(jié)省了矸石從井下到地面的提升費用，提高立井提升煤炭能力，又可提高原煤質量，降低噸煤能耗，從根本上解決矸石地面排放難題。本文在研究動篩跳汰選煤理論及工作原理的基礎上，對井下煤矸分離系統(tǒng)及工藝進行了設計，并針對該技術在陽煤某礦的成功應用進行效果評估，為井下煤矸分離技術的推廣應用提供了理論依據(jù)與經(jīng)驗借鑒。

1 礦井概況

山西陽煤集團某礦礦井采用立井開拓、多繩摩擦提升。13采區(qū)設計生產能力為1.5Mt/a，煤層厚度2.37～3.71m，平均2.92m，工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法，設計可采儲量5249萬t。原煤含矸率為 5%～10%，平均8%，含矸量較高。

該礦目前共有五個工作面同時生產，礦井生產能力可達8.0Mt以上，立井提升能力制約了產量進一步提高。該礦地表堆積有五處大型矸石山，污染環(huán)境，嚴重影響附近居民生活。為提高立井煤炭提升運輸能力，同時減少矸石地面排放，在13采區(qū)設計采用井下煤矸分離系統(tǒng)，使矸石不出井、就地充填。

2 動篩跳汰選煤理論研究

利用動篩跳汰選煤最顯著的特點是依據(jù)其煤與矸石密度差異，在動篩篩體上下往復運動過程中，使煤矸組成的床層隨之松散，在周期性松散中使物料分層。

顆粒脫離篩面后，在水介質中沉降，顆粒的運動微分方程（假定顆粒向下運動方向為正）為：

式中：m—顆粒質量（g）；G0—顆粒在水介質中的重力 （N）；Pac—加速運動的水流對顆粒產生的附加推力（N）；Rac—水介質的加速度慣性阻力（N）；R—顆粒與水介質因相對運動而引起的介質阻力（N）。

假設動篩驅動機構偏心輪的偏心距或曲柄長度為r，則驅動機構運動速度和加速度分別為：

式中： ω=2πn/60；t—運動時間（s）；n—曲柄機構或凸輪機構轉動速度（r/min）。機械篩體在入料端的位移可表示為：

當t=0時，動篩機構處于最低位置，h=0，則k=r，代入上式得：

由此可知，篩體入料端主要取決于時間t和曲柄長度r。運動速度v與曲柄長度r和轉動角速度ω成正比，加速度與曲柄長度r和轉動角速度ω的平方成正比，最大振幅是偏心距的2倍，且隨著曲柄長度r增大，振幅、速度、加速度隨之增大；隨著角速度ω增大，速度和加速度隨之增大。

動篩跳汰分選中，物料的松散主要由兩個因素決定，一是入料粒度較大，二是床層振幅大。因此，動篩跳汰分選中，動篩體上升過程中在最高點是否靜止對煤炭的分層基本無影響，尤其是到達最高點的休止期內物料與動篩體依然是靜止的，對于物料的松散沒有影響。而上升與下降的速比及頻率、振幅對分層效果起決定作用。

動篩跳汰機的處理量取決于動篩篩面寬度和物料通過篩面的速度。由于動篩的運動是繞固定軸擺動，動篩每一次上下運動，既將物料垂直托起，又使物料水平前移。如果忽略洗水的橫向波動，可由下式計算此速度：

式中：v—物料通過篩面的速度；t—物料處動篩的振幅；θ—動篩的擺角；T—跳汰周期。

從上式可見，動篩的處理量與動篩的運動曲線無關，主要取決于動篩的振幅、擺角、跳汰周期及篩面寬度。而在每一周期內，動篩上、下運動的速比是使動篩能否在下降期迅速脫離床層，給床層在水介質中松散、沉降、分層的足夠時間和空間的關健。

3 井下煤矸分離系統(tǒng)及工藝

井下煤矸分離的核心技術是采用動篩跳汰機分選原煤和分離塊矸，井下煤矸分離入洗范圍為0～350mm。主要設備由動篩體、分級篩、機械驅動機構、脫水設備和自動排矸裝置等組成。

井下動篩跳汰機工作原理：動篩體在驅動設備的帶動下，繞固定銷軸作上下往復運動。物料在篩板上經(jīng)過跳汰分選后，按密度大小分層，處于上層的輕物料 （精煤），從溢流堰的上面經(jīng)溜槽流到塊煤刮板機中，然后由塊煤刮板機送出動篩進入后續(xù)設備；處于下層的重物料（矸石），從溢流堰的下面通過排矸輪排出經(jīng)溜槽流到矸石刮板機中，然后由矸石刮板機送出動篩進入后續(xù)設備；同時，透篩細物料，由槽體下面排料口經(jīng)溜槽流到塊煤刮板機中與塊煤一同排出。井下動篩機保留了地面機械動篩跳汰機的核心技術，即動篩體、機械驅動機構和自動排矸裝置，而其余結構根據(jù)井下峒室的需要，改進為一個長條形的機體和刮板式提升脫水機構，見圖1所示。

井下煤矸分離系統(tǒng)工藝流程設計：井下原煤通過分級篩，篩上物（+50mm以上）進入入料皮帶機，篩下物進入末煤皮帶機（或煤倉），進入入料皮帶機的篩上物經(jīng)過機械動篩跳汰機分選后，矸石入矸石倉，經(jīng)倉底給料機、運矸皮帶至工作面實施矸石充填，塊煤通過配煤皮帶入末煤皮帶機；機械動篩跳汰機的煤泥水通過渣漿泵傳輸送至高頻篩，對煤泥水進行脫水處理，篩上物再進入末煤皮帶機，剩余水進入沉淀池沉淀后，最后經(jīng)過渣漿泵輸送至煤泥壓濾機壓濾后，壓濾形成的煤泥餅進入末煤皮帶機，壓濾后的水再進入清水池輸送至機械動篩跳汰機循環(huán)使用。具體工藝流程如圖2所示。

4 井下煤矸分離效果

根據(jù)設計要求和現(xiàn)場應用相對比，該煤矸分離設備各項技術性能指標均滿足設計要求，并達到以下效果：

（1）分選后矸石中含煤率小于1%，煤中含矸率小于3%。

（2）提高立井提升能力，每年可多提升煤炭12萬t，增加煤炭銷售利潤3000萬元以上。

（3）井下煤矸分離效果良好，完全達到地面動篩洗選效果，提高原煤質量，節(jié)省地面洗煤成本。

（4）分選矸石不升井，可進行采空區(qū)充填或拋擲于廢棄巷道，實現(xiàn)地面矸石零排放，減少矸石山占地，防止污染。

5 結束語

井下煤矸分離技術在理論和工藝上可行。通過該技術的成功應用，切實提高了立井提升煤炭能力，提高了原煤質量，并從根本上消除了煤矸石在地面排放所帶來的環(huán)境污染問題。該技術作為目前國內井下較為理想的一種煤矸分離技術，是實現(xiàn)煤礦 “綠色開采”的有效途徑，具有廣闊的發(fā)展應用前景。

[1]王峰.動篩跳汰機系統(tǒng)替代重介質系統(tǒng)排矸[J].煤質技術，2005，5.

[2]趙謀.動篩跳汰機及其應用[J].煤炭工程，2006，2.

[3]曹樹祥，郭杰民，邢成國.機械動篩跳汰機的研究與應用[J].煤炭加工與綜合利用，2003，1.

[4]錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術[J].中國礦業(yè)大學學報，2003，4.

[5]翟紅.提高大型機械式動篩跳汰機分選效果的理論與實踐研究[D].中國礦業(yè)大學（北京），2010.