范瑞奇，陳云峰，邱廣雷

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦選煤廠，山西 興縣 033602)

斜溝煤礦選煤廠是一座處理能力15 M/a的現(xiàn)代化礦井型選煤廠，主要產(chǎn)品為洗混煤和氣精煤。原設(shè)計(jì)有兩套快速裝車系統(tǒng)，每套系統(tǒng)配一臺(tái)自動(dòng)采樣裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，由于洗混煤與氣精煤變異性不同，裝車系統(tǒng)內(nèi)配置的自動(dòng)采樣裝置僅用于采取洗混煤商品煤樣，氣精煤商品煤樣采用皮帶煤流人工方法采取。人工采取煤樣工作量大，精密度差無法滿足生產(chǎn)要求。因此，在兩套裝車系統(tǒng)皮帶中部各安裝一臺(tái)PCZ型自動(dòng)采樣裝置，專用于氣精煤商品煤采樣作業(yè)。

1 設(shè)備主要結(jié)構(gòu)

PCZ型采樣裝置為初級(jí)采樣機(jī)安裝在皮帶輸送機(jī)中間位置，從運(yùn)行中的輸送帶上直接采集子樣。該系統(tǒng)由初級(jí)采樣機(jī)、初級(jí)給料機(jī)、破碎機(jī)、二次(級(jí))給料機(jī)、縮分器、樣品收集器和余煤回送裝置等設(shè)備組成，見圖1. 采樣裝置具有采樣、破碎、縮分和余煤回送等功能。全密封設(shè)計(jì)，無物料損失和水分損失；采樣裝置的運(yùn)行不受表面含水量小于15%濕煤的影響；采樣裝置在運(yùn)行過程中沒有堵煤現(xiàn)象；整個(gè)系統(tǒng)具有報(bào)警保護(hù)功能；采樣周期可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)任意設(shè)定，并能滿足無人值守要求。

圖1 采樣系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

2 設(shè)備主要特點(diǎn)

2.1 煤流信號(hào)感應(yīng)

該采樣裝置設(shè)有煤流信號(hào)檢測,與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)形成聯(lián)鎖。當(dāng)主運(yùn)輸皮帶無煤流空載時(shí)，系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)；當(dāng)主皮帶正常帶煤時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。該裝置可保證記錄有效的采樣次數(shù)，同時(shí)降低設(shè)備運(yùn)行耗能和磨損。

2.2 采用鏈條式縮分器

該采樣裝置采用鏈條式縮分器，鏈?zhǔn)綑C(jī)械上帶有若干斗，斗以等距分布并以預(yù)先設(shè)置的時(shí)間周期單向運(yùn)動(dòng)，斗截割運(yùn)輸皮帶上的煤流而抽取試樣，然后翻轉(zhuǎn)卸下煤樣，煤樣經(jīng)溜管進(jìn)入容器，見圖2. 可通過運(yùn)轉(zhuǎn)周期時(shí)間設(shè)定精準(zhǔn)縮分比。

圖2 鏈條式縮分器示意圖

2.3 集樣情況監(jiān)控

該采樣設(shè)備集控顯示有集樣情況監(jiān)視畫面，按序排列8個(gè)集樣桶，桶號(hào)為紅色表示該樣桶正處于下料口位置，按集樣次數(shù)顯示料位，當(dāng)集樣次數(shù)達(dá)到設(shè)置的“最大裝樣次數(shù)”則顯示滿罐，并自動(dòng)切換下一集樣桶。該功能可直觀監(jiān)視到煤樣收集情況。

3 存在的問題及改進(jìn)

3.1 初級(jí)采樣器的改造

切割器的開口尺寸至少應(yīng)為被采煤標(biāo)稱最大粒度的3倍，切割容器應(yīng)有足夠的容量，足以容納最大煤流下切取得整個(gè)子樣。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)運(yùn)輸皮帶最大流量為5 000 t/h，皮帶速度為5 m/s. 初級(jí)采樣器開口尺寸為200 mm，最大煤留下切取得初級(jí)子樣量計(jì)算如下：

(1)

式中：

C—煤的流量，t/h；

b—采樣器開口尺寸，mm；

vh—皮帶速度，m/s.

在實(shí)際生產(chǎn)中，精煤的運(yùn)輸量為3 500 t/h左右，可計(jì)算初級(jí)子樣量為39 kg. 原設(shè)計(jì)初級(jí)采樣量為30.50 kg,無法容納該廠最大煤流量的初級(jí)子樣量。因此，對(duì)初級(jí)采樣器進(jìn)行了改造。

初級(jí)采樣器容積與初級(jí)子樣量關(guān)系式如下：

V=m×Ds,ar×10-3

(2)

式中：

m—初級(jí)煤樣量，kg；

Ds,ar—收到基煤炭堆密度，t/m3.

按精煤收到基堆密度為0.9 t/m3，最大初級(jí)子樣量為56 kg. 由公式(2)計(jì)算得初級(jí)采樣器理論最小容積應(yīng)為0.050 m3. 一般采樣器的有效容積為整體的60%. 因此，采樣器容器需要達(dá)到0.083 m3.

初級(jí)采樣器的容積與外形尺寸關(guān)系式如下：

(3)

式中：

r—扇形采樣器的高度，m；

l—扇形采樣頭弧長，m；

b—扇形采樣頭開口寬度，mm.

按公式(3)計(jì)算，為使采樣器容積達(dá)到0.083 m3，采樣器開口尺寸為200 mm，高度為1.5 m時(shí)，弧長最小需達(dá)到0.55 m.

改進(jìn)措施：將初級(jí)采樣器改造為高度1.5 m，弧長為0.6 m，開口尺寸200 mm.

改進(jìn)效果：改裝后的初級(jí)采樣器可完全容納最大煤流量時(shí)的初級(jí)子樣量，可保證初級(jí)子樣的完整性。

3.2 初采下煤溜槽的改造

初級(jí)子樣在傾斜溜槽重力作用下，滑落至輸送皮帶。在使用過程中煤樣無法完全流入輸送皮帶，在溜槽內(nèi)容易形成積煤。

改進(jìn)措施：將下料溜槽拓寬120 mm，增大下料溜槽的傾斜度(增加10°)，與采樣器合理對(duì)接，保證煤樣不長時(shí)間積聚，順利進(jìn)入破碎制樣環(huán)節(jié)，有代表性的反映質(zhì)量指標(biāo)情況。

改進(jìn)效果：下料效果明顯，存料較少，只需定期清理內(nèi)壁上沾的煤粒，使用方便可靠。

3.3 初采溜槽與主運(yùn)輸皮帶銜接處改造

在采樣系統(tǒng)使用中，由于主皮帶在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，存在不可避免的左右擺動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致主皮帶與收集初級(jí)子樣下料溜槽間隙不斷變化，引起嚴(yán)重的漏煤。

改進(jìn)措施：在溜槽上加裝膠皮，封堵與主皮帶上的縫隙，同時(shí)可保證皮帶不會(huì)被劃傷。

改進(jìn)效果：漏煤量明顯減少，需定期觀察膠皮磨損情況進(jìn)行維護(hù)。

3.4 調(diào)整采樣系統(tǒng)煤樣運(yùn)輸皮帶轉(zhuǎn)速

在實(shí)際使用中，二采運(yùn)輸皮帶設(shè)計(jì)運(yùn)輸量為10 t/h,皮帶速度為0.4 m/s,而擋邊提升皮帶運(yùn)送量為1.5 t/h，所以二采運(yùn)輸皮帶實(shí)際運(yùn)輸量只達(dá)到1.5 t/h. 縮分器的開口尺寸為50 mm,可計(jì)算得一次截取收集的最大煤樣量m為：

(4)

縮分截取的樣量過少，最終收集的煤樣量不足，達(dá)不到國標(biāo)要求的標(biāo)稱最大粒度為13 mm的試樣煤量需要不少于15 kg[1].

改進(jìn)措施：將初采運(yùn)輸機(jī)和二采運(yùn)輸機(jī)皮帶轉(zhuǎn)速由0.4 m/s調(diào)至0.2 m/s.

整改效果：縮分器一次截取的煤樣量可達(dá)0.1 kg,批煤最終收集的試樣量完全可達(dá)15 kg.

4 精密度測定

4.1 精密度基本方案

整機(jī)采制樣精密度試驗(yàn)是為了驗(yàn)證機(jī)械采制樣裝置從初級(jí)采樣開始到最終留樣的過程中，經(jīng)過既定的采樣方案采集的子樣以干基灰分為指標(biāo)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精密度要求。機(jī)械采樣精煤精密度不大于0.8%[2].

該次精密度檢驗(yàn)采用十分樣法，對(duì)機(jī)械采制樣裝置收集到的留樣進(jìn)行制樣和化驗(yàn)，得到留樣的干基灰分。試驗(yàn)過程如下[3]：

1) 按照十分樣法對(duì)采樣裝置的留樣進(jìn)行收集，分別將第1、11、21和31等試樣合并為第一個(gè)分樣，依次類推。

2) 將所收取的試樣制成一般分析試驗(yàn)煤樣，測定水分和空干基灰分，并計(jì)算其干基灰分Ad.

3) 對(duì)試樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，依據(jù)自由度為10時(shí)上、下限因數(shù)來計(jì)算整機(jī)精密度的范圍。

4.2 精密度測定過程

精密度試驗(yàn)由采樣、制樣、化驗(yàn)和數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)4部分組成。

1) 采樣。

在機(jī)械采制樣裝置正常工作狀態(tài)下，以一個(gè)批次的煤量做為一個(gè)采樣單元，按日常的采樣方案進(jìn)行樣品采取，如此連續(xù)采取子樣，使每個(gè)子樣分別通過采樣裝置的制樣系統(tǒng)。分別收集各子樣，共40份，采用十分樣法對(duì)樣品進(jìn)行處理。

2) 制樣。

將每份試樣制備成<3 mm煤樣A、B兩份，進(jìn)一步縮分后，再制成一般分析試驗(yàn)煤樣，共10對(duì)分析試樣。

3) 化驗(yàn)。

按照緩慢灰化法對(duì)所有試樣進(jìn)行灰分平行測定。

4) 結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

用精密度估算值P和因數(shù)aL、au(與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差的自由度f有關(guān))計(jì)算出精密度的上限和下限,在95%置信概率下,例行采樣的精密度應(yīng)落在此上下限內(nèi)，aL和au由精密度范圍計(jì)算因素表內(nèi)查出。下限為aLP,上限為auP[4].

按上述過程進(jìn)行精密度測定統(tǒng)計(jì)得出試驗(yàn)結(jié)果，見表1.

表1 多份采樣干基灰分測定結(jié)果表

重復(fù)試樣數(shù)目n=10. 平均結(jié)果為：10.27. 試樣的總標(biāo)準(zhǔn)差S為：

0.26%

(5)

式中：

n—試樣總數(shù)；

xi—第i個(gè)試樣檢測值。

批煤平均灰分精密度最佳估值為：

(6)

由精密度范圍計(jì)算因素表查得自由度為10時(shí)，aL=0.70,au=1.75，則：

精密度上限：auP=1.75×0.16%=0.28%

精密度下限：aLP=0.70×0.16%=0.11%

因此，該采樣裝置的批煤真實(shí)精密度在95%置信概率下落在0.11%～0.28%，完全符合國標(biāo)精煤機(jī)械采樣精密度小于0.8%的要求。

5 采樣方案的制定

按實(shí)際一列火車的裝量為4 000 t為一采樣單元，精煤裝車運(yùn)輸皮帶流量為3 500 t/h. 建立采樣方案。

5.1 煤的變異性確定

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可計(jì)算初級(jí)子樣方差、制樣和化驗(yàn)方差[5].

1) 計(jì)算制樣和化驗(yàn)方差VPT.

(7)

式中：

d—每個(gè)子樣雙份試樣間的差值；

n—子樣數(shù)。

2) 計(jì)算初級(jí)子樣方差V1.

(8)

式中：

x—每個(gè)子樣雙份試樣間的平均值。

5.2 子樣數(shù)的確定

子樣數(shù)按下式計(jì)算得：

(9)

5.3 采樣間隔時(shí)間確定

各初級(jí)子樣間的時(shí)間間隔ΔT(min)，按下式計(jì)算得：

(10)

式中：

m—采樣單元量，t；

G—煤的最大流量,t/h.

5.4 縮分頻率確定

該采樣裝置破碎縮分后煤樣標(biāo)稱最大粒度為13 mm，最終試樣量應(yīng)不少于15 kg. 批精煤采樣子樣數(shù)不少于22個(gè)，每個(gè)初級(jí)子樣經(jīng)破碎縮分后樣量應(yīng)不少于為0.68 kg. 而縮分器每次切割留取的樣量為0.1 kg，因此每個(gè)初級(jí)子樣至少切割7次。在實(shí)際使用中，該采樣裝置初級(jí)子樣量約為39 kg,二采運(yùn)輸皮帶運(yùn)輸量為1.5 t/h,完全運(yùn)送39 kg的煤量需要94 s，則縮分頻率不超過13 s.

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，將采樣方案制定為：批精煤子樣數(shù)為25個(gè)，采樣時(shí)間間隔為180 s，縮分頻率為10 s，可穩(wěn)定采取精煤試樣量不少于15 kg.

6 結(jié) 語

PCZ型中部皮帶采樣裝置在斜溝煤礦選煤廠生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用證明，該采樣裝置運(yùn)行故障率低，性能穩(wěn)定，精密度高，解決了人工采取勞動(dòng)強(qiáng)度大，易產(chǎn)生人為誤差導(dǎo)致商品煤質(zhì)量檢測出現(xiàn)偏差等問題。