申斌學(xué)，朱 磊，古文哲，宋天奇，劉治成

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

井工煤礦生產(chǎn)過程中，通常將井下工作面開采的原煤經(jīng)過各級運輸后提升至地面，在地面洗煤廠進行煤矸分選，這種傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式存在大量的無效運輸和提升，能源浪費嚴重，且地面分選矸石的排放會給礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染和破壞。除此之外，許多礦井地面洗煤廠塊煤初選仍然采用人工手選，分選機械化程度低、工人勞動強度大，與新時代背景下的現(xiàn)代化礦山建設(shè)的要求背道而馳[1]。

近年來，國家出臺了一系列政策鼓勵礦井實現(xiàn)“矸石不升井”，提倡機械化減人、智能化換人，鼓勵研發(fā)智能分揀機器人等智能化技術(shù)，實現(xiàn)煤矸高效分離，并加大相關(guān)政策支持力度[2-4]。在此背景下，國內(nèi)許多學(xué)者在煤矸智能分選技術(shù)與裝備方面進行了大量的研究。徐志強[5]等基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了煤矸識別模型，揭示了模型的識別機理與分類依據(jù)，通過對煤矸識別精度的影響因素進行系統(tǒng)研究，優(yōu)化了煤矸識別模型的分類依據(jù)，最終在實現(xiàn)節(jié)約計算與存儲資源的同時提升了識別精度；梁興國[6]等對智能干選技術(shù)的基本原理、發(fā)展歷程以及在國內(nèi)的應(yīng)用情況和應(yīng)用效果進行了系統(tǒng)的研究，論述了智能干選技術(shù)將帶來的選煤革命，并提出了該技術(shù)未來的發(fā)展方向；郭永存[7]等提出一種多特征融合的基于粒子群算法優(yōu)化的法平面型隸屬度函數(shù)模糊支持向量機( PSO-NP-FSVM) 煤矸石分選方法，通過提取煤矸石特征向量采用交叉驗證法進行試驗分析，對分選模型進行了優(yōu)化，并對其可行性和優(yōu)越性進行了驗證；商德勇[8]等通過總結(jié)現(xiàn)有煤矸自動分揀機器人所存在的不足，研發(fā)了一種基于圖像識別的智能撿矸機器人，并對其工作原理、結(jié)構(gòu)組成和軟硬件系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計，為實現(xiàn)煤礦智能化、無人化分選提供一種新途徑。梁和平[9-14]等對智能干選技術(shù)在工程實踐中的應(yīng)用進行了詳細了研究。

目前，智能干選技術(shù)已經(jīng)在我國數(shù)個礦井得到成功的應(yīng)用，且正在全國范圍內(nèi)進行推廣[15，16]。國內(nèi)許多學(xué)者開展了大量的研究工作，主要集中在基礎(chǔ)理論以及技術(shù)和設(shè)備優(yōu)化等方面，然而針對智能分選系統(tǒng)的設(shè)計方法研究相對較少。本文結(jié)合工程實踐和實際設(shè)計案例，探索了智能干選系統(tǒng)的設(shè)計方法，結(jié)合井工煤礦的開拓開采及主運系統(tǒng)布置特征，對智能干選系統(tǒng)的布置形式進行深入研究，以期對智能干選技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐，為實現(xiàn)矸石不升井、無害化處理的科學(xué)開采和智能礦山建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 智能干選系統(tǒng)及布置原則

1.1 智能干選系統(tǒng)概述

1.1.1 智能干選技術(shù)

智能干選與傳統(tǒng)的煤矸分選技術(shù)不同，其工作原理是利用射線或圖像識別等智能識別方法，針對不同的煤質(zhì)特征建立與之相適應(yīng)的分析模型，通過大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)，對煤與矸進行數(shù)字化識別，最終通過智能排矸系統(tǒng)將矸石排出。目前，國內(nèi)主流的智能干選系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 智能干選技術(shù)原理

井下開采的原煤經(jīng)給料機給入帶式輸送機布料裝置，在布料裝置上實現(xiàn)單層排列，經(jīng)位于布料裝置上方的X射線源和位于布料裝置下方的X射線探測器識別判斷原煤中的煤與矸，同時將位置信息傳遞給電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)根據(jù)被執(zhí)行目標(biāo)物的位置，開啟相應(yīng)位置的陣列式氣閥完成擊打，被擊打的矸石落入遠端溜槽中，精煤則保持原運動軌跡落入精煤溜槽中，至此完成原煤的干法分選。

1.1.2 智能干選核心技術(shù)

要實現(xiàn)煤矸智能干選，高效精準的煤矸識別是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。煤矸識別主要是依據(jù)煤與矸石的密度、灰度、硬度、紋理、輻射性、導(dǎo)磁性等物理性質(zhì)差異對二者進行區(qū)分。目前，煤矸識別技術(shù)主要包括射線識別法(X或γ射線)和圖像識別法。射線識別法是利用煤和矸石對射線吸收率不同的特點實現(xiàn)煤和矸石精準識別；隨著人工智能和圖像識別技術(shù)的發(fā)展，利用圖像識別法進行煤矸識別成為該領(lǐng)域研究的主流，該方法是利用圖像識別系統(tǒng)對煤和矸石進行拍照采集圖像信息，再通過人工智能識別技術(shù)對圖像進行分類識別。

以目前國內(nèi)推廣應(yīng)用較好的天津美騰智能干選設(shè)備為例，其主要應(yīng)用X射線識別法，該方法在深入研究煤矸輻射吸收特征的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計了信號樣式和成像光路，并采用與之匹配的多波段傳感器，最大程度上突出目標(biāo)的特征差異。系統(tǒng)將物塊的X射線特征和表面細致紋理進行信息融合處理，采用人工智能識別技術(shù)逐塊識別煤與矸，快速生成執(zhí)行動作命令。其成像原理如圖2所示。

圖2 X射線掃描成像控制原理

通過深度學(xué)習(xí)圖像識別技術(shù)對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)，如圖3所示。

圖3 深度學(xué)習(xí)圖像識別系統(tǒng)

在實現(xiàn)煤矸精準識別的基礎(chǔ)上，如何快速準確地進行煤矸分離是智能干選的另一項核心技術(shù)。目前，分選執(zhí)行系統(tǒng)進行煤矸分離的技術(shù)主要包括空氣擊打和機械手兩種方式，其中，空氣擊打技術(shù)應(yīng)用相對廣泛，該技術(shù)是利用分選執(zhí)行系統(tǒng)接收圖像識別系統(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)行機構(gòu)控制高壓風(fēng)，在目標(biāo)物料飛行過程中對物料進行噴吹，實現(xiàn)物料的有效分選。執(zhí)行系統(tǒng)的高壓風(fēng)噴嘴呈陣列式布置，根據(jù)被執(zhí)行對象的位置和形狀信息，智能控制相應(yīng)位置的多個空氣噴嘴開合時間，有效解決形狀特殊、受力面小的不規(guī)則物塊難以噴吹的問題，實現(xiàn)精確噴吹分選。

1.1.3 智能干選技術(shù)特點

智能干選是一種新型的干式分選技術(shù)，目前已經(jīng)在我國多個礦井得到成功的應(yīng)用，并在國家政策引導(dǎo)下快速推廣。與傳統(tǒng)的分選技術(shù)相比，該技術(shù)優(yōu)勢明顯，主要包括：①分選系統(tǒng)簡單、無水無介質(zhì)，適應(yīng)性強，可集中或分區(qū)布置，能適用于各種復(fù)雜環(huán)境，且具有投資少，運行成本低，建設(shè)周期短，設(shè)備臺數(shù)少，系統(tǒng)簡單等優(yōu)點；②分選精度高，根據(jù)實驗測試，智能干選設(shè)備可實現(xiàn)煤中帶矸率小于5%，矸石帶煤率小于3%，分選精度接近淺槽，遠高于動篩、跳汰及其他干選設(shè)備；③處理粒度寬，智能干選機可處理300～50mm和100～25mm原煤，分選上限為300mm，下限為25mm，可根據(jù)具體情況放大分選上限。

智能干選也存在一定的技術(shù)弊端，主要包括：①輻射性，部分射線具有輻射性，存在一定的安全隱患，政府監(jiān)管嚴重，審批程序繁瑣；②二次污染，壓縮噴氣嘴吹出粉塵大，噪聲大；③末煤分選難度大。

1.2 井下智能干選系統(tǒng)布置原則

煤矸井下智能分選及矸石井下原位充填是我國煤炭行業(yè)走向智能化、綠色化的重要技術(shù)支撐。但是井下智能干選系統(tǒng)設(shè)計不同于地面，其布置受巷道高度和空間的限制，不僅對智能干選設(shè)備尺寸有一定的要求，還要求其能適應(yīng)井下的工況，因此，井下智能干選系統(tǒng)設(shè)計需堅持經(jīng)濟適用、減少對原有生產(chǎn)系統(tǒng)影響、充分考慮設(shè)備自動化智能化和“一優(yōu)三減”等原則。

1)安全可靠、運行穩(wěn)定。首先是安全，符合井下工作的必要條件；其次是分選能力要有富裕，避免出現(xiàn)安全隱患，影響主運系統(tǒng)。

2)減小工程量，降低對礦井的影響。井下智能干選系統(tǒng)布置過程中難免會對井下各系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，然而礦山企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)繁重，因此，系統(tǒng)方案設(shè)計時應(yīng)考慮周全，盡量減小對礦井生產(chǎn)的影響，尤其應(yīng)避免造成礦井停產(chǎn)。

3)配套矸石處理技術(shù)。干選系統(tǒng)布置于井下可以實現(xiàn)矸石不升井，降低礦井無效運輸和提升的同時，具有較高的環(huán)保效益，但是合理處置井下分選得到的矸石是井下干選系統(tǒng)布置的前提和基礎(chǔ)保障。

2 井下智能干選系統(tǒng)設(shè)計

考慮到智能干選技術(shù)的特點是針對塊煤進行分選，而井下工作面開采的原煤通常以末煤為主，因此，井下智能干選系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是將原煤進行篩選，并將合適粒度的塊煤由原主運輸系統(tǒng)導(dǎo)入智能干選系統(tǒng)進行煤矸精準識別和高效分選。結(jié)合井下主運輸系統(tǒng)的布置特征，總結(jié)已有的工程及設(shè)計案例，并提出兩種井下智能干選系統(tǒng)布置方案，分別為大巷端部轉(zhuǎn)載點布置方法和大巷中部布置方法。

2.1 大巷端部轉(zhuǎn)載點設(shè)計方法

2.1.1 基本原理

大巷端部轉(zhuǎn)載點布置方法是通過在井下主運系統(tǒng)轉(zhuǎn)載處，利用原煤轉(zhuǎn)載輸送帶的卸料高差或進行局部改造，提升卸料高度，增加篩分設(shè)備，將原煤進行粒度分級，篩下的末煤直接返回原主運系統(tǒng)或進入原煤倉，篩上的塊煤通過導(dǎo)流槽導(dǎo)出，經(jīng)轉(zhuǎn)載運輸進入井下智能分選系統(tǒng)進行煤矸智能分選，如圖4所示。

圖4 大巷端部轉(zhuǎn)載點智能干選系統(tǒng)布置

2.1.2 百良旭升煤礦井下智能干選系統(tǒng)設(shè)計方案

大巷端部轉(zhuǎn)載點布置方法能充分發(fā)揮井下轉(zhuǎn)載點的特點和優(yōu)勢，該方法實施過程中可以通過預(yù)先施工好智能干選硐室及附屬設(shè)施，并完成配套設(shè)備的安裝工作，然后再增加滾軸篩以便引出塊煤進行分選。該方法可減小對礦井運輸系統(tǒng)的改造工程量，降低對井下生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，對于生產(chǎn)礦井而言，該布置方法具有較強的適應(yīng)性。

以陜西澄合百良旭升煤礦為例，百良旭升煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為0.60Mt/a，礦井采用立井、單水平開拓，工業(yè)場地內(nèi)布置1個混合立井，裝備兩套提升設(shè)備：一套為6t多繩提煤箕斗，擔(dān)負全礦井煤炭提升任務(wù)；另一套為“寬罐+平衡錘”，擔(dān)負全礦矸石、人員、一般設(shè)備、材料、大件等的升降任務(wù)。礦井地面無洗煤廠，原煤經(jīng)振動篩分級，分級后-50mm粒度級混煤直接進混煤倉，+50mm粒度級大塊原煤采用人工揀煤的方式進行簡單選矸。

目前礦井面臨的問題包括：①地面無選煤廠，而主采煤層含矸量較大，采用地面人工手選，工人作業(yè)環(huán)境差、工作強度高、分選效率低，且分選出的矸石對環(huán)境污染較大；②采用混合立井，矸石提升約占總提升10%～20%，無效提升嚴重；③井田面積小，但三下壓煤量大。

該項目設(shè)計過程中，通過分析原煤篩分數(shù)據(jù)，運輸大巷帶式輸送機運量為800t/h，+50mm粒級峰值產(chǎn)量約為140t/h，確定選用TDS20-300型智能干選機，能力為140t/h，分選粒級為50～300mm。為了最大限度降低對生產(chǎn)的影響，避免造成長時間停產(chǎn)，設(shè)計保持機頭硐室主運帶式輸送機卸料位置不變，通過改造煤倉上口，在離煤倉上口約1.5m處的煤倉內(nèi)施工工字鋼梁，并在工字鋼梁上布置滾軸篩，原煤卸料至滾軸篩實現(xiàn)分級，篩下-50mm末煤直接落入煤倉，+50mm塊煤經(jīng)帶式輸送機轉(zhuǎn)載至智能干選硐室，分選得到塊煤經(jīng)返煤輸送帶轉(zhuǎn)運回煤倉，矸石進入配套的井下充填系統(tǒng)。系統(tǒng)布置如圖5所示。

圖5 百良旭升煤礦智能干選系統(tǒng)布置

2.2 大巷中部設(shè)計方法

2.2.1 智能干選系統(tǒng)原煤引入方法

井下系統(tǒng)布置影響因素較多，局限較大，特別是機頭硐室附近分布著各級驅(qū)動硐室、檢修巷道、配電硐室等輔助系統(tǒng)，所以智能干選系統(tǒng)在大巷端部轉(zhuǎn)載點布置時影響因素較多，針對這種情況，提出大巷中部設(shè)計方法。

在主運大巷中部設(shè)計智能干選系統(tǒng)與大巷端部相比，最大的難點在于如何引出主運系統(tǒng)中的原煤，為此，中煤能源研究院提出了一種煤炭井下分選系統(tǒng)原煤引入裝置。該裝置通過安裝一組改向滾筒使主運大巷帶式輸送機形成自然高差，利用高差布置滾軸篩，對運輸大巷煤流進行篩分，將篩上的塊煤通過導(dǎo)流槽引入井下分選系統(tǒng)，篩下的末煤落到原主運帶式輸送機繼續(xù)運輸，系統(tǒng)布置如圖6所示。該方法可以避免將原運輸大巷輸送帶截斷，減少了系統(tǒng)的改造工程量，降低了布置井下分選系統(tǒng)對礦井生產(chǎn)的影響，大大提高了井下分選系統(tǒng)的適用性。

圖6 原煤引入裝置原理

2.2.2 小回溝煤礦井下智能干選系統(tǒng)設(shè)計案例

智能干選系統(tǒng)大巷中部布置方法是通過在主運大巷中部合適位置轉(zhuǎn)載巷和智能干選硐室，利用智能分選系統(tǒng)原煤引入裝置將主運大巷帶式輸送機上的塊煤引出，經(jīng)轉(zhuǎn)載巷帶式輸送機轉(zhuǎn)載至智能干選硐室進行煤矸分選，最后將分離的煤、矸分別予以處理。

以小回溝煤礦設(shè)計方案為例，該方案將智能分選系統(tǒng)布置于西運輸大巷內(nèi)，首先改造西運輸大巷帶式輸送機，在距離機頭260m處增加兩個改向滾筒，使西運輸大巷帶式輸送機形成落煤高差，利用高差布置滾軸篩。大巷帶式輸送機上原煤經(jīng)滾軸篩以50mm分級，篩下-50mm直接落至大巷帶式輸送機上。篩上+50mm物料給至轉(zhuǎn)載帶式輸送機上，進入智能干選硐室。在智能干選硐室配備一套TDS24-300型智能干選機完成煤矸分選環(huán)節(jié)。分選得到的矸石運至水平矸石倉，破碎后經(jīng)返矸聯(lián)絡(luò)巷轉(zhuǎn)載至矸石運輸聯(lián)巷帶式輸送機上，進入井下充填系統(tǒng)。分選得到的精煤經(jīng)帶式輸送機返回西部運輸大巷，沿原主運輸路線繼續(xù)運輸，如圖7所示。

圖7 小回溝煤礦智能干選系統(tǒng)布置

該方案的優(yōu)點在于不用截斷主運大巷帶式輸送機，無需新施工機頭硐室，礦建工程量較小，對礦井生產(chǎn)影響較小，且智能干選系統(tǒng)為永久設(shè)施，位于主運大巷，服務(wù)周期較長。

3 地面洗煤廠升級改造方案

針對目前許多礦井面臨的地面洗煤廠初選為人工手選，工人勞動強度大，工作效率低，與國家政策導(dǎo)向相悖的現(xiàn)狀，提出對地面洗選系統(tǒng)進行升級改造，利用智能干選系統(tǒng)代替人工手選，提高煤質(zhì)，降低工人勞動強度，響應(yīng)國家“機械化減人，智能化換人”號召。

以黃陵二號井為例，黃陵二號井原煤準備車間主要包含篩分、手選、破碎環(huán)節(jié)，原煤進行25mm和50mm聯(lián)合篩分，-25mm篩下物通過帶式輸送機運往主廠房分流入選，不洗選的-25mm末原煤經(jīng)主廠房轉(zhuǎn)載既可入選也可直接入產(chǎn)品倉儲存。+50mm篩上物進行手選揀雜、破碎后與25～50mm合并通過帶式輸送機運往主廠房原煤分級脫泥系統(tǒng)。

隨著礦井產(chǎn)能的增大，洗煤廠洗選能力不足，只能通過縮短檢修時間來增大洗煤廠的處理能力；目前，洗煤廠準備車間每班配備8名揀矸工人，工人工作環(huán)境差、粉塵大，容易患上職業(yè)??；同時由于礦井產(chǎn)能增大，揀矸工人工作強度增大，矸石揀出率較低，大量矸石進入后續(xù)洗選環(huán)節(jié)，占用水洗能力，降低了水洗系統(tǒng)的實際處理能力，且大量矸石泥化后進入煤泥水系統(tǒng)，增大了壓濾機的工作負荷，提高了煤泥產(chǎn)品的灰分，影響中煤產(chǎn)品質(zhì)量。因此，如何取締人工揀矸、降低勞動強度、提升系統(tǒng)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量是礦井亟需解決的問題。

圖8 準備車間改造方案圖(mm)

為了解決黃陵二號井洗煤廠面臨的問題，提高礦井機械化、智能化水平，實現(xiàn)礦井的提質(zhì)增效，經(jīng)研究提出對洗煤廠進行改造。首先，拆除準備車間三層的兩條手選帶式輸送機，在其位置安裝兩臺智能干選機，智能干選機型號為KGX-2400，處理能力240t/h，分選粒級為80～300mm，滿足生產(chǎn)的需要；其次，在準備車間二層標(biāo)高4.35mm平面增加兩臺矸石轉(zhuǎn)載帶式輸送機。智能干選機分選出的精煤產(chǎn)品給至2層現(xiàn)有的破碎機，進入后續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，分選出的矸石經(jīng)轉(zhuǎn)載帶式輸送機轉(zhuǎn)載至現(xiàn)有214帶式輸送機，運至場外。智能干選系統(tǒng)布置如圖8所示。

地面洗煤廠升級改造方法的特點是對礦井生產(chǎn)及洗選系統(tǒng)影響較小，只進行針對性的升級改造，項目投資較小。該方法主要適用于井下系統(tǒng)布置緊密、地面采用傳統(tǒng)洗選工藝的礦井。

4 結(jié) 論

1)闡述了智能干選系統(tǒng)的基本原理和工藝流程，詳細介紹了其核心的煤矸精準識別和分離執(zhí)行技術(shù)，通過與傳統(tǒng)的煤矸分選技術(shù)進行對比，結(jié)果表明：智能干選技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、無水無介、適應(yīng)性強、分選精度高、分選粒級寬等顯著優(yōu)勢。

2)基于煤礦井下的生產(chǎn)特點，明確了智能干選系統(tǒng)井下布置需堅持經(jīng)濟適用、減少對原有生產(chǎn)生產(chǎn)系統(tǒng)影響、充分考慮設(shè)備自動化智能化和“一優(yōu)三減”等原則。在此基礎(chǔ)上提出了兩種井下智能干選系統(tǒng)布置方法：即大巷端部轉(zhuǎn)載點布置方法和大巷中部布置方法，并結(jié)合實際工程和設(shè)計案例進行了詳細的介紹。

3)針對許多礦井面臨的地面洗煤廠初選為人工手選，工人勞動強度大，工作效率低等問題，提出利用智能干選系統(tǒng)代替人工手選的地面洗選系統(tǒng)升級改造方法，并以黃陵二號井實際工程設(shè)計為例，對其地面洗選系統(tǒng)改造方案進行詳細設(shè)計，為類似條件的礦井提供技術(shù)參考。

4)通過對智能干選系統(tǒng)地面及井下布置方法進行系統(tǒng)研究，總結(jié)分析了各工況條件下智能干選系統(tǒng)的布置方法及其適用條件，完善了智能干選系統(tǒng)的設(shè)計體系，為智能干選技術(shù)的推廣與應(yīng)用以及智慧礦山的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。