張 磊，王興友,仲躋虎

(1.中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056031；2. 中國煤炭進(jìn)出口公司,北京 100024；3. 陜西南梁礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719400)

塊煤防破碎裝置在南梁選煤廠的應(yīng)用

張 磊1，王興友2,仲躋虎3

(1.中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056031；2. 中國煤炭進(jìn)出口公司,北京 100024；3. 陜西南梁礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719400)

為了解決塊煤入倉前轉(zhuǎn)載過程中存在破碎嚴(yán)重的問題，南梁煤礦選煤廠從碰撞接觸力學(xué)角度分析了塊煤的破碎機(jī)理，利用離散元動態(tài)仿真技術(shù)，對主廠房和壓濾車間兩處高度差較大的塊煤轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)實(shí)施了改造，將原有垂直溜槽改造為采用高位接料式螺旋溜槽。改造結(jié)果表明：塊煤防破碎效果顯著，轉(zhuǎn)載點(diǎn)的噪音明顯降低，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

塊煤防破碎；高位接料；螺旋溜槽；轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)；離散元動態(tài)仿真技術(shù)

南梁煤礦選煤廠隸屬于陜西南梁礦業(yè)有限公司，是一座生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a的礦井型選煤廠，于2011年4月開始建設(shè)，2012年6月正式投產(chǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，主廠房塊精煤需要經(jīng)過兩個高差在10 m以上的轉(zhuǎn)載點(diǎn)才能運(yùn)至塊煤倉，期間塊煤損失嚴(yán)重，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵是清潔高效，而分質(zhì)利用、分級利用、多級聯(lián)產(chǎn)等措施是具有中國特色的潔凈能源技術(shù)之路，在當(dāng)前煤炭市場大形勢下，市場對塊煤的需求不斷提升，促使塊煤價格急劇攀升，塊煤產(chǎn)品比末煤產(chǎn)品價格普遍高出100元/t以上。因此，提高塊煤產(chǎn)量，減少塊煤破損率，已經(jīng)成為提高煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑之一。南梁煤礦選煤廠塊煤入倉前轉(zhuǎn)載過程存在破碎嚴(yán)重的問題，這不僅是影響選煤廠產(chǎn)值的主要因素，也是多年來亟待解決的問題，因此有必要對選煤廠塊煤轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在問題

南梁煤礦選煤廠地面設(shè)有主廠房和壓濾車間，主廠房精煤脫介篩篩出>30 mm塊煤轉(zhuǎn)載至壓濾車間，再通過壓濾車間的塊煤分級篩把轉(zhuǎn)載過程中破碎部分篩出，最終把>30 mm塊煤通過帶式輸送機(jī)運(yùn)至塊煤倉。雖然塊煤倉在建設(shè)期間已安裝螺旋溜槽，有效降低了塊煤在入倉環(huán)節(jié)的破碎率，但從主廠房出來的塊煤經(jīng)壓濾車間轉(zhuǎn)載的過程中已經(jīng)造成部分塊煤破碎。

鑒于以上情況，南梁煤礦選煤廠塊煤轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)亟待改造和完善，以提高選煤廠塊煤產(chǎn)量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

2 改造方案與實(shí)施

2.1 防破碎改造點(diǎn)

通過對南梁煤礦選煤廠塊煤入倉前破碎情況的分析可知，塊煤發(fā)生破碎的環(huán)節(jié)主要有兩個，即從主廠房精煤脫介篩轉(zhuǎn)載至上壓濾車間帶式輸送機(jī)的過程，高差為10.5 m左右；從上壓濾車間帶式輸送機(jī)經(jīng)塊煤分級篩轉(zhuǎn)載至上塊煤倉帶式輸送機(jī)的過程，總高差為11 m左右。這兩個點(diǎn)高差均超過10 m，且沒有采取有效的塊煤防破碎措施，導(dǎo)致從主廠房出來的>30 mm塊煤經(jīng)過這兩個點(diǎn)轉(zhuǎn)載后損失嚴(yán)重。因此，此次改造選取這兩個轉(zhuǎn)載點(diǎn)來設(shè)計(jì)塊煤防破碎裝置[1-3]。

2.2 防破碎技術(shù)原理及力學(xué)分析

針對塊煤在轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)發(fā)生破碎的實(shí)際情況，從碰撞接觸力學(xué)角度分析了塊煤的破碎機(jī)理，塊煤碰撞時產(chǎn)生的瞬時沖擊力是導(dǎo)致其破碎的最主要原因。

塊煤轉(zhuǎn)載時，卸載方式是以一定的初速度做平拋運(yùn)動。煤流與下一部設(shè)備第一時間接觸的點(diǎn)稱為落煤點(diǎn)。依據(jù)動量定理Ft=△p和動量守恒定律mgt1-F0t2-Ft3=0進(jìn)行分析，塊煤在豎直下落的時間t1內(nèi)，受到重力向下的沖量為mgt1；塊煤在接觸到物體并與物體發(fā)生相對運(yùn)動，摩擦力F0對塊煤產(chǎn)生的阻力沖量為F0t2；塊煤在接觸到物體(落煤點(diǎn))并同時發(fā)生形變時，阻力F對塊煤的沖量是Ft3，塊煤所受擠壓應(yīng)力越大，即單位面積受到接觸力F越大，塊煤形變越大，當(dāng)擠壓應(yīng)力達(dá)到一定值(δjy)時，則會發(fā)生破碎。因此塊煤不破碎需滿足以下條件：

由于

mgt1-F0t2-Ft3=0，

故有

再加上位置修正參數(shù)mv0sinθ，得出塊煤防破碎數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：g為重力加速度，m/s2；δjy為塊煤最小擠壓破碎應(yīng)力，為固定值；δ煤為塊煤所受擠壓應(yīng)力；m為塊煤質(zhì)量，kg；h為轉(zhuǎn)載點(diǎn)兩設(shè)備之間的落差，m；t1為塊煤下落的總時間，s；t2為塊煤與物體接觸并發(fā)生相對運(yùn)動的時間，s；t3為塊煤開始碰撞瞬時和脫離瞬時的時間差，s；A為塊煤與被撞物體的接觸面積，m2。

由式1可知：塊煤在轉(zhuǎn)載過程中所受的擠壓應(yīng)力與塊煤轉(zhuǎn)載的高差h成正比，與塊煤下落過程中所受的摩擦力F0和作用時間t2成反比，同時與塊煤質(zhì)量m、接觸面積A等參數(shù)有關(guān)。式1是對于塊煤從拋離設(shè)備到落入下一設(shè)備整個過程運(yùn)用動量定理做出的塊煤防破碎數(shù)學(xué)模型。對于塊煤碰撞瞬間(包括塊煤與塊煤、塊煤與設(shè)備之間的碰撞)進(jìn)行了動量定理分析，接觸單元之間碰撞產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力可表示為：

(2)

式中：m1、m2為接觸單元1、2的質(zhì)量，kg；e為恢復(fù)系數(shù)；v為開始碰撞瞬時接觸單元的速度，m/s；

由式2可知：塊煤在碰撞時產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力與碰撞瞬時相對運(yùn)動速度v成正比，與接觸時間t3成反比，同時還與恢復(fù)系數(shù)e有關(guān)。相對運(yùn)動速度v越大、接觸時間t3越短，碰撞產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力越大，反之，碰撞產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力越小，塊煤越不容易破碎[4-6]。

對于單質(zhì)點(diǎn)間的碰撞，我們可以運(yùn)用以上公式計(jì)算，而對于屬于散體物料的塊煤來說，其運(yùn)行過程中各質(zhì)點(diǎn)間都存在相互作用，雖然以上方法同樣適用，但由于運(yùn)算量太大無法采用普通方法進(jìn)行求解。針對散體物料國內(nèi)外有很多理論進(jìn)行計(jì)算，具有代表性的是離散單元法(DEM)。離散單元法是求解與分析復(fù)雜離散系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律與力學(xué)特性的數(shù)值方法，其認(rèn)為系統(tǒng)是由離散個體所組成，個體之間存在接觸與脫離、相互作用以及接觸力與能量的聯(lián)系，可借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，對物料的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行模擬仿真研究。

2.3 防破碎裝置的設(shè)計(jì)

采取高位接料和螺旋溜槽這兩個措施對改造點(diǎn)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，因兩處防破碎裝置結(jié)構(gòu)相似，下面以篩分車間的改造為例來說明防破碎裝置的設(shè)計(jì)。

2.3.1 高位接料

輸送塊煤的帶式輸送機(jī)與其它設(shè)備搭接時，在帶式輸送機(jī)機(jī)頭部位采用高位接料型式，結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，帶式輸送機(jī)來料沿機(jī)頭滾筒滑落到溜槽內(nèi)。該結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點(diǎn)是塊煤下落到溜槽內(nèi)高度落差非常小，塊煤和溜槽底板間幾乎不會產(chǎn)生沖擊力，塊煤的防破碎效果十分明顯。

圖1 高位接料結(jié)構(gòu)型式

2.3.2 螺旋溜槽

因轉(zhuǎn)載高差較大，為減少物料下落過程中對溜槽底板或側(cè)板的沖擊，根據(jù)物料走向設(shè)計(jì)了螺旋曲面結(jié)構(gòu)，其中壓濾車間塊煤防破碎裝置如圖2所示。改造項(xiàng)目中，廠房內(nèi)每層的設(shè)備布置都很緊湊，所設(shè)計(jì)的螺旋溜槽需要滿足3個條件，即精準(zhǔn)的穿過兩層樓板而不能與現(xiàn)有設(shè)備發(fā)生干涉；留出設(shè)備檢修的空間；樓層土建主梁不能破壞。除了滿足上述條件以外，還要滿足塊煤在溜槽內(nèi)的平滑運(yùn)行。通過安裝關(guān)系圖可以得到其與設(shè)備及土建結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，但從設(shè)計(jì)圖看不出塊煤能否在溜槽內(nèi)平滑運(yùn)行，如果螺旋角度過小，則會發(fā)生堵煤現(xiàn)象；如果螺旋角度過大，則塊煤在溜槽內(nèi)會不斷加速，達(dá)不到理想的防破碎效果[7]。

為此，我們引入了離散元動態(tài)仿真技術(shù)。將圖2所示防破碎裝置的三維模型導(dǎo)入離散元動態(tài)仿真軟件，然后建立散裝物料模型(塊煤)，并設(shè)置其屬性參數(shù)，同時設(shè)置物料與設(shè)備之間的屬性參數(shù)，如摩擦系數(shù)等；在所有參數(shù)設(shè)定完成后，開始仿真計(jì)算，最后以動畫圖形的方式輸出計(jì)算結(jié)果。經(jīng)過多次螺旋角度的調(diào)整及仿真分析，最終仿真方案結(jié)果如圖3所示。圖左側(cè)色帶不同顏色對應(yīng)不同速度的物料。

圖2 壓濾車間塊煤防破碎裝置

圖3 螺旋角度仿真模擬圖

從圖3中可以看出：塊煤在防破碎裝置中運(yùn)行的速度始終保持2～4 m/s之間，且沒有較大的速度沖擊，出料速度約為2.5 m/s，與下部帶式輸送機(jī)帶速相當(dāng)，因此落料時也不會產(chǎn)生較大的沖擊，從而達(dá)到良好的塊煤防破碎效果[8-10]。

3 改造效果與經(jīng)濟(jì)效益

3.1 改造效果

防破碎裝置安裝完成后，并對相同地點(diǎn)噪聲進(jìn)行測試，主廠房噪聲由改造前的98分貝降低到78分貝，壓濾車間噪聲由改造前的88分貝降低至72分貝。改造前，主廠房塊煤運(yùn)至塊煤倉時，塊煤損失在7%左右，改造后，塊煤損失僅為3%～4%，塊煤率可提高至少3個百分點(diǎn)。經(jīng)過一段時間的使用測算，塊煤防破碎效果十分明顯。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

南梁礦選煤廠目前塊煤(30～200 mm)產(chǎn)量約為0.37 Mt/a，經(jīng)過改造后，塊煤產(chǎn)率提高了3個百分點(diǎn)，每年可多回收塊煤1.11萬噸，若塊煤與末煤差價按100元/t計(jì)算，每年可增加銷售收入111萬元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

4 結(jié)語

在當(dāng)前煤炭市場的大形勢下，塊煤價格保持高位運(yùn)行態(tài)勢成為煤炭市場的一大亮點(diǎn)。最大限度地提高塊煤產(chǎn)率，減少塊煤在生產(chǎn)和轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的破損率，降低塊煤限下率，成為煤炭行業(yè)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)競爭力的重要手段之一。南梁選煤廠對主廠房和壓濾車間塊煤轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)進(jìn)行改造后，降低了壓濾車間噪聲，提高了塊煤率至少3個百分點(diǎn)，塊煤防破碎效果十分明顯，每年可增加收入111萬元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

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Application of the lump coal breaking prevention unit at Nanliang Coal Preparation Plant

ZHANG Lei1, WANG Xing-you2, ZHONG Ji-hu3

(1. China Coal Handan Design Engineering Co., Ltd., Handan, Hebei 056031, China; 2. China Coal Import & Export Co., Ltd., Beijing 100024, China; 3. Shaanxi Nanliang Mining Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719400, China)

Formerly, the breaking of lump coal was very serious during the process of its transfer into coal bunker. Analytical study is hence made of the breaking mechanism of lump coal from the angles of impact and collision mechanics. Based on the result of study, work is made on the renovation of the 2 lump coal transfer points with a larger height difference (one in the main workshop and the other in filter press shop) using discrete element dynamic simulation technique. The work involves the conversion of vertical chute into a high material receiving spiral chute. Practice shows that the renovation work has led to effective control of breaking of lump coal and noticeable reduction of noise level at coal transfer points, this bringing about, therefore, considerably favourable economic benefit for the plant.

lump coal breaking control; elevated transfer point; transfer link; spiral chute; discrete-element dynamic simulation

1001-3571(2016)06-0033-04

TD948.7

B

2016-06-07

10.16447/j.cnki.cpt.2016.06.009

張 磊(1982—)，男，河南省湯陰縣人，工程師，碩士，從事塊煤防破碎裝置的研究工作。

E-mail：16235729@qq.com Tel：18903200103

張 磊，王興友,仲躋虎.塊煤防破碎裝置在南梁選煤廠的應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù)，2016(6)：33-36.