宋 博，李 偉

(1.陜西中環(huán)機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西 銅川 727000；2.西安重工裝備制造集團(tuán) 陜西 西安 710000)

0 引言

煤炭作為我國主要的一次能源，在國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展中占有極大的比重[1]。但是在煤礦開采過程中矸石外排、地表塌陷嚴(yán)重制約了綠色礦山的開發(fā)與建設(shè)[2-4]。張吉雄等[5]提出了煤礦矸石井下分選協(xié)同原位充填開采方法，可以有效解決矸石回收利用和控制地表塌陷問題。選煤是煤炭加工的一個關(guān)鍵工序，將原煤中的矸石等雜質(zhì)剔除。當(dāng)前主要的選煤工藝為水洗法，基于煤和矸石的密度不同、表面親疏水性不同等物理屬性差異，實現(xiàn)煤和矸石分選，但該技術(shù)無法在嚴(yán)重缺水的西北地區(qū)大規(guī)模開展[6]。因此，研制以智能干選系統(tǒng)為核心，達(dá)到隨采隨分隨充填變得極其重要。

1 開采技術(shù)及選煤方法概述

1.1 充填開采技術(shù)

目前，我國煤礦應(yīng)用的充填開采方式包括固體工作面、固體巷道、膏體工作面、覆巖離層注漿、高水以及近年來提出的煤礦矸石井下分選協(xié)同原位充填開采方法(即就近分選+原位充填)[7-9]。主流的充填開采技術(shù)中，一些設(shè)備占用體積大難以滿足井下分選充填使用，充填與開采工藝不相匹配，降低了開采效率，處理成本高，前期建設(shè)投資大。

固體充填：固體充填開采技術(shù)，是將井下采煤、掘進(jìn)及地面洗選過程中產(chǎn)生的矸石，通過機(jī)械破碎，配以粉煤灰、黃土等輔料，利用連續(xù)輸送系統(tǒng)將充填材料輸送至工作面進(jìn)行采后直接充填，并用推壓密實裝置對充填物料進(jìn)行推壓密實，實現(xiàn)采空區(qū)密實充填。固體充填具有系統(tǒng)設(shè)備簡單、投資較少、壓縮率大等特點。矸石不出井和壓煤技術(shù)相結(jié)合，既節(jié)省了費用，又提高了資源的利用率。為了使減沉的效果更加明顯，可通過利用支架后部壓實系統(tǒng)進(jìn)行矸石充填。

膏體充填開采技術(shù)：膏體充填開采技術(shù)是將煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤矸石、電廠產(chǎn)生的粉煤灰、爐渣等固體廢棄物，在地面加工制成膏狀，通過專用泵加壓，利用管道將物料輸送至井下工作面。其成本較高，但減沉效果好[10-11]。

高水充填開采技術(shù)：高水充填所使用的材料相對比較簡單，并且在填充的過程中采用自流的方式。目前國內(nèi)所使用的高水充填材料，不僅具有良好的流動性和滲透性，而且能密實采空區(qū)冒落帶，可滲透到裂隙帶巖層的大小裂隙中，提高巖體的強(qiáng)度。

煤礦矸石井下分選協(xié)同原位充填開采技術(shù)：煤礦矸石井下分選協(xié)同原位充填開采技術(shù)，是以井下分選為核心圍繞充填開采方法而建立的一種煤炭開發(fā)模式，實現(xiàn)了煤炭開采、井下分選和矸石處理全過程高度集約化的井下生產(chǎn)技術(shù)。

1.2 選煤方法

國內(nèi)外采用的選煤方法主要為重介、跳汰、浮選以及干法選煤等[12]。我國地域廣闊，煤炭資源豐富，煤種齊全，煤質(zhì)變化大，因而以上選煤方法均有應(yīng)用。

重介質(zhì)旋流器：重介質(zhì)旋流器是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，是一種結(jié)構(gòu)簡單，無運動部件且分選效率高的選煤設(shè)備。在分選過程中，物料和懸浮液以一定壓力沿切線方向給入旋流器，形成強(qiáng)有力的旋渦流；液流從入料口開始沿旋流器內(nèi)壁形成一個下降的外螺旋流；在旋流器軸心附近形成一股上升的內(nèi)螺旋流；由于內(nèi)螺旋流具有負(fù)壓而吸入空氣，在旋流器軸心形成空氣柱；入料中的精煤隨內(nèi)螺旋流向上，從溢流口排出，矸石隨外螺旋流向下，從底流口排出。

重介質(zhì)分選機(jī)：重介質(zhì)分選機(jī)是根據(jù)阿基米德原理，將被分選原煤在一定密度的懸浮液中按密度差異進(jìn)行分層和分離的設(shè)備。重介質(zhì)分選機(jī)的應(yīng)用范圍較廣，特別是對難選煤有較好的分選效果。

跳汰機(jī)：跳汰機(jī)選煤法工藝流程簡單、生產(chǎn)能力大、維護(hù)管理方便、生產(chǎn)成本低、分選效率高，一般在90%以上，在處理中等可選性煤時，也能達(dá)到較好的工藝指標(biāo)，因此在選煤廠設(shè)計中被較為廣泛地采用。

干選機(jī)：在吸取了美國無風(fēng)干式搖床和俄羅斯風(fēng)選機(jī)的優(yōu)點后，我國研制出了復(fù)合式干法分選機(jī)，對于缺水地區(qū)、揭煤及遇水易泥化的煤種具有實際應(yīng)用意義，在我國東北、西北等嚴(yán)寒和干旱地區(qū)的一些小型選煤廠得以應(yīng)用。

浮選機(jī)(柱)：①浮選機(jī)。浮選機(jī)大多是機(jī)械攪拌式的。煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院研發(fā)了XJM-S型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)系列產(chǎn)品，“十五”國家科技攻關(guān)課題研發(fā)的“帶有礦漿預(yù)礦化器的20 m3機(jī)械攪拌式浮選機(jī)”已大面積推廣應(yīng)用；②浮選柱。自20世紀(jì)80年代以來，浮選柱分選技術(shù)取得了重大突破，一批新型浮選柱脫穎而出。近年來又出現(xiàn)幾種結(jié)構(gòu)新穎的浮選柱，如全泡沫浮選柱、美國Deister選礦有限公司的Flotair浮選柱等。

2 KGX智能選矸機(jī)器人研制

2.1 KGX智能選矸機(jī)器人介紹

主體部分及工作原理：KGX智能選矸機(jī)主體部分如圖1所示，該系統(tǒng)是一種基于先進(jìn)成像和人工智能技術(shù)的干法選煤設(shè)備，可利用X射線成像系統(tǒng)獲取物料特征。通過振動布料裝置、傳送裝置、雙能X射線與可見光全光譜成像系統(tǒng)、氣選執(zhí)行機(jī)構(gòu)、除塵系統(tǒng)等組合應(yīng)用，高效分離煤矸石等雜質(zhì)，工作原理示意如圖2所示。

圖1 KGX智能選矸機(jī)主體部分

圖2 干選機(jī)分選原理示意

主要功能：自動分析識別出煤和矸石，控制高壓風(fēng)對目標(biāo)進(jìn)行噴吹，實現(xiàn)全自動原煤分選。處理粒級為25～150 mm、50～300 mm、100～500 mm；處理能力根據(jù)煤質(zhì)不同為180～280 t/h；排矸率可達(dá)95%，矸中帶煤率小于2%。主機(jī)與控制系統(tǒng)功率20 kW，配套設(shè)備包括振動篩、空壓機(jī)、冷干機(jī)(根據(jù)現(xiàn)場物料處理需要配置)，入料出料傳送裝置(根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境需要配置)。

2.2 技術(shù)關(guān)鍵

智能干選系統(tǒng)包括給料系統(tǒng)、布料裝置、識別裝置、分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)4大主要系統(tǒng)。

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給料系統(tǒng)：為了控制智能干選機(jī)入料粒度上限，≤500 mm原煤通過式篩分破碎至50～300 mm。破碎后的300～50 mm粒級首先經(jīng)過分級環(huán)節(jié)，回收限下末煤，塊煤進(jìn)入智能干選系統(tǒng)，分選后得到塊煤及矸石產(chǎn)品。

布料系統(tǒng)：布料系統(tǒng)是將原煤均勻分布于輸送傳送帶上的布料裝置，由入料槽、振動篩、輸送帶緩沖段組成，將煤塊均勻攤開，杜絕疊加，以便X射線對物料掃描成像。

識別裝置：①可見光全光譜成像系統(tǒng)。系統(tǒng)將物塊的X射線雙能特征和表面細(xì)致紋理進(jìn)行信息融合處理，采用人工智能圖像識別技術(shù)逐塊識別煤與矸，快速生成執(zhí)行動作命令，傳輸?shù)礁邏猴L(fēng)執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行噴吹分選，可靠、高效。②深度學(xué)習(xí)的圖像識別系統(tǒng)。通過深度學(xué)習(xí)圖像識別技術(shù)對雙能X射線傳感器/可見光全光譜成像系統(tǒng)獲取的物塊射線特征信息進(jìn)行分析，識別出煤和矸石，識別結(jié)果輸出給執(zhí)行子系統(tǒng)。

分選執(zhí)行系統(tǒng)：分選執(zhí)行系統(tǒng)接收深度學(xué)習(xí)圖像識別系統(tǒng)輸出的分選信號，通過電磁閥和分選氣缸、噴嘴構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制高壓風(fēng)，在目標(biāo)物料飛行過程中對物料進(jìn)行噴吹，實現(xiàn)物料的有效分選。

2.3 優(yōu)勢對比

KGX智能選矸機(jī)器人具有X射線探測裝置、深度學(xué)習(xí)圖像識別系統(tǒng)、電磁閥控制技術(shù)等優(yōu)勢，其中基于深度學(xué)習(xí)的AI圖像識別算法是保證高精度分選關(guān)鍵技術(shù)。

雙能X射線探測裝置:采用進(jìn)口高性能閃爍體-硅光管雙能X射線探測器以及單一射源利用濾片吸收的方式實現(xiàn)雙能探測，靈敏度、信噪比更高，圖像質(zhì)量更好，且無幾何畸變。

圖像識別系統(tǒng):圖像識別是對圖像進(jìn)行處理、特征提取、分類與識別的過程?；谏疃葘W(xué)習(xí)的識別算法，采用成像系統(tǒng)獲取到多通道圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行標(biāo)注建立圖像數(shù)據(jù)集。

電磁閥控制技術(shù):通過控制電磁線圈的發(fā)熱量來延長閥體使用壽命，減少更換頻次，增加分選精度、提升工作效率。

3 井下填充的幾種方法對比

3.1 綜合機(jī)械化固體充填

綜合機(jī)械化固體充填，可實現(xiàn)在同一液壓支架掩護(hù)下采煤與充填并行作業(yè)，其工藝包括采煤及充填工藝，設(shè)備布置如圖3所示。其中，采煤、運煤系統(tǒng)布置與普通綜采完全相同，不同的是增加了一套充填材料運輸系統(tǒng)及夯實系統(tǒng)。此項技術(shù)中，矸石等固體材料通過運矸系統(tǒng)輸送至懸掛在充填支架后頂梁的刮板式充填輸送機(jī)上，再由卸料孔將矸石充填入采空區(qū)，最后經(jīng)充填支架后部的夯實機(jī)進(jìn)行夯實。該項充填技術(shù)已在我國發(fā)展多年，目前已在我國十余個礦井二十余個工作面應(yīng)用成功，在充填采煤一體化液壓支架、多孔底卸式輸送機(jī)及自移式轉(zhuǎn)載輸送機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的保證下，該技術(shù)已經(jīng)形成了一套完整流暢的工藝。充填材料取自本礦及附近煤礦矸石粉煤灰等固體廢棄物，價格便宜，成本低。矸石等固體廢棄物處理能力可達(dá)60萬t/a以上。

圖3 綜合機(jī)械化固體充填工作面設(shè)備布置

3.2 膏體充填技術(shù)

膏體充填采煤是將煤礦附近的煤矸石、粉煤灰等固體廢物，輔以水泥和水，在地面或井下加工成無臨界流速、不需脫水的高濃度漿體，利用行業(yè)大型充填工業(yè)泵，通過管道輸送到井下采空區(qū)，適時進(jìn)行置換采煤的新型采煤方法，如圖4所示。膏體充填采煤如今已經(jīng)成了“三下”采煤的重要組成部分，在各大礦區(qū)均有著廣泛地應(yīng)用。

圖4 膏體充填采煤示意

3.3 漿體充填技術(shù)

漿體充填技術(shù)主要針對蒙陜礦區(qū)矸石量大、礦井水大等問題，在采空區(qū)黃泥灌漿防滅火和管道輸送技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，將矸石破碎、研磨成微小顆粒，以水為載體，管路為通道，泵為動力，將固廢顆粒遷移至井下開采垮落后的殘余空間，如圖5所示。利用“水-砂”混合物在開放空間的沉淀特性及采空區(qū)的過濾能力，使得固廢顆粒滯留于井下廢棄空間，根據(jù)需要將水在特定時間從低位進(jìn)行回收，達(dá)到對矸石的處理和對水資源分區(qū)調(diào)配和重復(fù)利用。

圖5 漿體充填技術(shù)示意

4 隨掘隨采隨填充工藝

4.1 漿體填充的優(yōu)點

立體充填系統(tǒng)包括地面注漿、井下鄰位注漿和井下低位灌漿充填系統(tǒng)，當(dāng)3種系統(tǒng)進(jìn)行充填作業(yè)時，與工作面的采煤工序相對獨立，不存在相互干擾，可實現(xiàn)充填處理矸石的同時達(dá)到不影響煤礦正常生產(chǎn)的效果。與膏體和固體充填相比,漿體充填材料運輸工藝簡單，有利于提高系統(tǒng)可靠性，減少管道堵塞現(xiàn)象。漿體充填的處理能力、效率及成本可以滿足現(xiàn)代化大型礦井的矸石處理需求。

4.2 技術(shù)難點

漿體充填技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，且具備故障自診、風(fēng)險預(yù)警和一鍵啟停功能，為實現(xiàn)智慧充填奠定了基礎(chǔ)。但是研磨過程需要時間較長，一定程度上降低了充填效率；且注漿鉆孔的施工以及灌漿管道的切換主要依靠人工進(jìn)行，智能化程度有所降低。

4.3 工藝流程研究

工藝流程大致為井底煤倉上口→篩分裝置→智能分選系統(tǒng)→制漿系統(tǒng)→輔運大巷→工作面采空區(qū)。將地面洗選矸石或井下矸石經(jīng)破碎系統(tǒng)破碎至特定粒級，通過制漿系統(tǒng)按一定比例與水混合制成漿體，利用泵送系統(tǒng)將制備好的漿體通過輸漿管道直接送至充填區(qū)域，以達(dá)到處理矸石的目的。通過研究，最終形成完善的井下煤矸分選及就地充填一體化生產(chǎn)模式，為井下煤矸分選及就地充填關(guān)鍵技術(shù)的實施與發(fā)展提供工藝包。

4.4 試驗驗證

為了利于研究，建設(shè)了綠色智能選矸充填實驗室，并規(guī)劃了固廢充填料漿環(huán)管試驗系統(tǒng)。由固廢充填材料破碎篩分系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、給配料系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、管路運行系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)7個子系統(tǒng)組成?？蓽y試不同配比、流量、管徑(模擬)、管道布置方式、停泵時間下的直管及彎管壓力損失試驗。試驗過程中，能夠可視化監(jiān)測輸送過程管道內(nèi)部流動狀態(tài)，監(jiān)測管壁壓力和電阻率等物理參量的變化，實時采集、存儲、處理、顯示試驗數(shù)據(jù)，并繪制試驗曲線，打印試驗報告。

5 結(jié)語

基于KGX智能選矸系統(tǒng)的“采-選-充”一體化的工藝研究為矸石處理提供了一個全面的、可行的方法，可以將智能分選出的矸石用于井下采空區(qū)充填,實現(xiàn)固體廢棄物的規(guī)?；幚恚焖俚叵捻肥?，減少其對土地的侵占、對空氣的影響、對水資源的破壞等，避免掘進(jìn)矸石堆放造成的環(huán)境污染。該系統(tǒng)可以從根本上解決煤礦開采伴隨著矸石等固廢排放和采場礦壓與地表沉陷控制問題，從源頭上保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,推進(jìn)煤礦綠色開發(fā)，實現(xiàn)固廢的規(guī)?；幚?，安全、綠色、高效地解決礦山固廢排放問題，減少地面堆放造成的環(huán)境污染和破壞。