方治民，智戰(zhàn)平，劉洵文，王海寧，趙景文，何紅為

(1.鄂爾多斯市神東工程設(shè)計有限公司，陜西 神木 719315；2.神華神東煤炭集團(tuán) 洗選中心，陜西 神木 719315)

錦界煤礦屬于國家級榆神工業(yè)園區(qū)國華錦能煤電一體化配套項目，礦井位于榆神礦區(qū)東北部，地處陜西省神木市錦界鎮(zhèn)。該礦采用長壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化開采，管理頂板方法為全部垮落法，礦井最大涌水量為3 800 m3/h，水文地質(zhì)類型為極復(fù)雜型。錦界選煤廠主要承擔(dān)錦界煤礦開采原煤的洗選加工和裝車外運(yùn)任務(wù)，設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為18.0 Mt/a[1]。隨著礦井的深度開采，造成選煤廠入選原煤水分偏高，矸石泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致原有的濃縮壓濾系統(tǒng)處理能力不足，使得塊煤系統(tǒng)只能通過減量生產(chǎn)的方式來減少主選產(chǎn)生的煤泥水總量。該生產(chǎn)方式雖然暫時緩解了煤泥水系統(tǒng)的生產(chǎn)壓力，但是也導(dǎo)致塊精煤產(chǎn)量下降，降低了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，錦界選煤廠對煤泥水處理系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，選用快開隔膜壓濾機(jī)來處理矸石泥化后的極細(xì)煤泥，進(jìn)而提升煤泥水系統(tǒng)處理能力[2]，并通過調(diào)整濃縮池使用方式，保證了煤泥水的完全沉降，從而實(shí)現(xiàn)了選煤廠煤泥水系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3]。

1 原煤矸石泥化問題分析

1.1 選煤廠工藝流程

錦界選煤廠于2006年6月建成10.0 Mt/a的篩分系統(tǒng)，2007年9月建成6.0 Mt/a的淺槽重介主選系統(tǒng)，并在2010年將篩分系統(tǒng)改擴(kuò)建，使產(chǎn)能提高至18.0 Mt/a，2013年10月汽車運(yùn)輸系統(tǒng)建成并投用。篩分破碎車間共有7套系統(tǒng)，設(shè)計處理能力為4 400 t/h，主要有原煤分級篩、手選帶、破碎機(jī)等設(shè)備。主選設(shè)備為兩臺淺槽重介分選機(jī)，設(shè)計處理能力為1 200 t/h，塊煤系統(tǒng)設(shè)計最大入選率為35.2%[4]；壓濾設(shè)備為兩臺安德里茨加壓過濾機(jī)，設(shè)計壓濾脫水能力為80 t/h。生產(chǎn)中原煤經(jīng)過篩分分級后200～25 mm塊煤采用淺槽重介分選工藝，<25 mm末煤不分選直接上倉。該廠塊煤先進(jìn)行8 mm脫泥篩脫泥，8～2 mm粒級物料選用臥式離心機(jī)脫水回收，<2 mm粒級物料先由泵送入水力旋流器分級，2～0.5 mm粗煤泥采用立式離心機(jī)脫水回收，<0.5 mm細(xì)煤泥經(jīng)過濃縮沉降后泵送給入加壓過濾機(jī)脫水回收。

洗選產(chǎn)品主要有塊精煤和混煤，洗水實(shí)現(xiàn)一級閉路循環(huán)，矸石全部回填復(fù)墾綠化，裝車系統(tǒng)采用全封閉式自動化快速裝車系統(tǒng)，整套洗選系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了綠色、清潔、零排放生產(chǎn)。

1.2 原煤矸石泥化情況分析

目前錦界選煤廠主要存在原煤水分較大、矸石泥化嚴(yán)重等問題，礦井開采的原煤煤質(zhì)情況惡化直接影響到選煤廠的正常生產(chǎn)。為此通過對井下生產(chǎn)情況以及原煤煤質(zhì)資料進(jìn)行了分析，以進(jìn)一步了解原煤矸石泥化的嚴(yán)重程度[5-7]。

1.2.1 錦界煤礦生產(chǎn)情況

目前錦界煤礦正在回采工作面為：一盤區(qū)31115工作面，二盤區(qū)31214工作面，四盤區(qū)31409工作面，其中一盤區(qū)所剩余的6個工作面中部均受古沖溝影響，頂板破碎，回采期間漏矸嚴(yán)重，以致原煤灰分較高，每個影響距離約600 m，且工作面矸石具有泥巖特性，導(dǎo)致矸石泥化現(xiàn)象嚴(yán)重。四盤區(qū)所有工作面處于富水區(qū)，整體風(fēng)化基巖含水層較厚，且工作面為俯采，采空區(qū)的水緊跟工作面，造成回采期間工作面涌水量較大，原煤煤質(zhì)水分較高。根據(jù)錦界煤礦生產(chǎn)接續(xù)計劃，2022年將回采三盤區(qū)，其工作面風(fēng)化基巖含水層較厚，首采面涌水量勢必較大，并對煤質(zhì)影響較大，會造成長期性的原煤矸石泥化現(xiàn)象[8]。

1.2.2 原煤轉(zhuǎn)筒泥化試驗(yàn)

為了更準(zhǔn)確地了解錦界煤礦開采的原煤矸石泥化程度，通過采取原煤篩分大樣，對自然級樣品進(jìn)行50～0.5、25～0.5、13～0.5、6～0.5 mm的泥化試驗(yàn)[9]。

(1)50～0.5 mm粒級樣品在試驗(yàn)過程中，煤泥水樣品沉降較為緩慢，澄清區(qū)無法看到明顯上層清液，樣品濃度相對較低，細(xì)泥透篩的過程也比較容易。轉(zhuǎn)筒泥化試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出：隨著樣品翻轉(zhuǎn)時間的延長，該粒級樣品的碎裂程度也在不斷提高，次生煤泥的產(chǎn)率也在不斷增加。次生煤泥的灰分隨著翻轉(zhuǎn)時間的延長先緩慢增加，當(dāng)翻轉(zhuǎn)時間為15 min時，進(jìn)一步延長翻轉(zhuǎn)時間，次生煤泥灰分有較明顯的升高；翻轉(zhuǎn)時間在25 min后，次生煤泥產(chǎn)率增加幅度減緩；當(dāng)翻轉(zhuǎn)時間為35 min時，此后次生煤泥灰分隨著翻轉(zhuǎn)時間的延長增幅繼續(xù)減緩。綜上可知，該礦原煤存在一定的矸石泥化現(xiàn)象[10]。

圖1 50～0.5 mm粒級翻轉(zhuǎn)時間-次生煤泥產(chǎn)率關(guān)系曲線

(2)25～0.5 mm粒級樣品與50～0.5 mm粒級樣品轉(zhuǎn)筒泥化現(xiàn)象相似(圖2)，試驗(yàn)樣品在濃縮沉降過程中速度較慢，澄清區(qū)看不到明顯上層清液，煤泥水濃度相對較低，細(xì)泥透篩也相對容易。從圖2中可以看出：隨著翻轉(zhuǎn)時間的延長，煤塊碎裂程度提高，次生煤泥灰分略有增加，矸石有輕微的泥化現(xiàn)象。

圖2 25～0.5mm粒級翻轉(zhuǎn)時間-次生煤泥產(chǎn)率關(guān)系曲線

(3)13～0.5 mm粒級轉(zhuǎn)筒泥化試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。該粒級轉(zhuǎn)筒泥化現(xiàn)象與前面兩個粒級泥化試驗(yàn)現(xiàn)象相似，煤泥水的沉降較慢，看不到明顯上層清液，煤泥水濃度與前面兩個粒級相比略有提高，同時次生煤泥灰分略有下降，細(xì)泥透篩相對較容易。

圖3 13～0.5 mm粒級翻轉(zhuǎn)時間-次生煤泥產(chǎn)率關(guān)系曲線

(4)6～0.5 mm粒級與13～0.5 mm粒級樣品轉(zhuǎn)筒泥化現(xiàn)象相似(圖4)，煤泥水的沉降較慢，看不到明顯上層清液，次生煤泥含量進(jìn)一步增加，從圖4中可以看出，該粒級樣品矸石泥化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

圖4 6～0.5 mm粒級翻轉(zhuǎn)時間-次生煤泥產(chǎn)率關(guān)系曲線

在泥化試驗(yàn)過程中，隨著入料粒度的減小，次生煤泥產(chǎn)率逐漸增加，次生煤泥灰分雖總體上略有降低，但次生煤泥灰分變化幅度逐漸增加，說明隨著物料粒度的減小，原煤矸石泥化程度增加。

1.2.3 主選系統(tǒng)煤泥量

錦界選煤廠目前選用兩臺安德里茨加壓過濾機(jī)處理細(xì)煤泥，當(dāng)原煤煤質(zhì)正常時，設(shè)計壓濾脫水能力完全足夠。2020年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，原煤水分超過14%，原煤水分過高導(dǎo)致大部分塊煤表面黏附著一層細(xì)煤泥，從而造成原煤分級篩的限下率增加，篩分效率下降，導(dǎo)致進(jìn)入主選系統(tǒng)的原生煤泥量也相應(yīng)增加。同時，由于原煤矸石泥化后會導(dǎo)致大量的高灰細(xì)泥黏附到塊煤表面，這部分高灰細(xì)泥最終會隨著煤泥水進(jìn)入濃縮池，造成煤泥水難以沉降、濃縮池溢流循環(huán)水固體物含量高、濃縮池底流濃度過高以及耙架電流過大，從而影響濃縮池的正常運(yùn)行[11]。

原煤矸石泥化情況對比見表1。由表1可知：當(dāng)原煤煤質(zhì)情況正常時，加壓過濾機(jī)的處理能力完全足夠；當(dāng)原煤矸石泥化嚴(yán)重時，矸石遇水浸散成泥[12]，系統(tǒng)中的矸石泥由于具有一定的黏性，在原煤水分較大的時候會黏附在塊煤表面，導(dǎo)致主選系統(tǒng)中原生煤泥量和次生煤泥量的增加。隨著塊煤入選量的增加，加壓過濾機(jī)的小時處理能力在下降，如果仍然使塊煤系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行，會導(dǎo)致部分煤泥無法壓濾脫水排出，造成整個煤泥水系統(tǒng)的惡性循環(huán)?，F(xiàn)場遇到此類問題時，只能采取塊煤部分入選的方式進(jìn)行生產(chǎn)，但部分入選會造成高發(fā)熱量、低灰分的塊精煤摻入混煤中銷售，造成了資源的浪費(fèi)。

表1 不同塊煤入選量的矸石泥化情況對比表

極細(xì)煤泥進(jìn)入壓濾機(jī)后，由于粒度太小導(dǎo)致部分極細(xì)煤泥透過濾布進(jìn)入濾液，最終又會返回到濃縮池進(jìn)行濃縮沉降[13]。長時間循環(huán)后，濃縮池中極細(xì)煤泥含量越來越多，濃縮池底流濃度升高，耙架轉(zhuǎn)動阻力增大，當(dāng)耙架電流超過警戒值會自動報警。在生產(chǎn)過程中，遇到此情況只能采取提高耙架的方式來減少耙架阻力，該方式只能暫時緩解濃縮池的生產(chǎn)壓力，但不能從根本上解決問題。從而耙架的提升高度是有限的，隨著耙架的不斷升高，濃縮池底部聚集了大量的極細(xì)煤泥，此部分極細(xì)煤泥很容易在濃縮池底部凝結(jié)成塊，形成致密的極細(xì)煤泥層，耙架在轉(zhuǎn)動的過程中很容易刮到極細(xì)煤泥層，而導(dǎo)致耙架瞬時阻力過大，造成耙架變形。耙架變形后，如果沒有及時停車會造成耙架折斷的生產(chǎn)事故，從而導(dǎo)致煤泥水系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重影響到選煤廠日常生產(chǎn)[14]。

煤泥水中極細(xì)煤泥的含量對壓濾機(jī)的處理能力影響很大。該廠選用的加壓過濾機(jī)濾布孔徑為0.075 mm，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)加壓過濾機(jī)入料中<0.075 mm粒級的極細(xì)煤泥占比超過60%時，會造成濾餅水分偏高、濾餅薄、濾餅卸料難等問題。加壓過濾機(jī)入料粒度組成見表2。

表2 加壓過濾機(jī)入料粒度組成

由表2可以看出，加壓過濾機(jī)入料中<0.075 mm粒級的極細(xì)煤泥占到78.3%，這部分極細(xì)煤泥主要以高灰細(xì)泥為主。由于極細(xì)煤泥粒度太小，導(dǎo)致壓濾脫水過程中壓力不足，從而造成煤泥產(chǎn)品水分偏高，此外，由于部分極細(xì)煤泥混入濾液中還會造成濾餅變薄，濾餅難以卸料等問題?，F(xiàn)場生產(chǎn)過程中一般采取降低壓濾機(jī)主軸轉(zhuǎn)速來增加濾餅壓濾脫水時間，保證煤泥產(chǎn)品水分。該處理方式雖然可以在一定程度上降低煤泥產(chǎn)品水分，但同時也降低了加壓過濾機(jī)的處理能力，導(dǎo)致系統(tǒng)中部分煤泥無法及時排出[15]。

2 煤泥水處理工藝改造

2.1 快開隔膜式壓濾機(jī)

隨著中國工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，很多類型的壓濾機(jī)得到發(fā)展，其中具有代表性的就是快開隔膜式壓濾機(jī)。該設(shè)備廣泛應(yīng)用于化工、食品、冶金、選煤等行業(yè)，在選煤行業(yè)中主要用于煤泥水的壓濾脫水作業(yè)，尤其是針對粒度較細(xì)的煤泥有較好的處理效果[16]。

影響壓濾機(jī)過濾效果的主要因素為壓力的控制?？扉_隔膜式壓濾機(jī)的主要工作原理就是通過壓力的控制和調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)過濾的功能，因此壓力系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系著設(shè)備過濾效果[17]?？扉_隔膜式壓濾機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。該類型壓濾機(jī)與傳統(tǒng)的廂式壓濾機(jī)有著明顯的不同，傳統(tǒng)的廂式壓濾機(jī)由一個過濾的腔室組成，而快開隔膜式壓濾機(jī)腔室的主要結(jié)構(gòu)是由兩塊濾板拼接而成的。快開隔膜式壓濾機(jī)的過濾腔室組成則更加精準(zhǔn)，它是由濾布交錯排列的，且濾布分布在每一條的濾液管道上，在過濾作業(yè)的過程中，能避免濾板和濾袋之間存在的縫隙造成原料流失，而影響過濾效果。因此，快開隔膜式壓濾機(jī)在過濾物料的性能上更出色，同時隨著內(nèi)部物體形態(tài)的改變性能也更好，對不同粒級的物料適應(yīng)能力也更強(qiáng)。

1—濾板移動裝置；2—濾板；3—活動頭板；4—主梁；5—液壓系統(tǒng)；6—集控裝置

快開隔膜式壓濾機(jī)的主要特點(diǎn)是，在過濾的過程中，能夠?qū)V餅進(jìn)行二次擠壓，進(jìn)一步減少濾餅的水分。當(dāng)普通壓濾機(jī)給入物料后，濾室里的物料將濾布布滿，壓濾機(jī)不再進(jìn)行固液分離，因?yàn)槲锪弦呀?jīng)填滿了整個濾室，所以過濾出來的液體就很難從濾布中滲析下來，這種情況會導(dǎo)致壓濾機(jī)的入料系統(tǒng)停止進(jìn)料，供料孔進(jìn)行封閉作業(yè)，壓濾產(chǎn)品不夠完全，產(chǎn)品的水分也相對較高?？扉_隔膜式壓濾機(jī)設(shè)有濾板膨脹一體化系統(tǒng)，遇到上述情況后，入料系統(tǒng)會停止工作，濾板膨脹系統(tǒng)啟動液壓油泵，將液壓油以一定的壓力輸送到濾板中，這樣隔膜濾板的中空就會積累出一定體積的液壓油，隨著液壓油的不斷增加，濾布對濾餅的壓力就會增大，濾板開始向外膨脹，使濾餅受到一定程度的擠壓力，進(jìn)一步減小了濾餅占用的空間。留出快開空間后，壓榨出的濾液就會從濾餅中流出，從而有效地降低了濾餅的水分。在選煤行業(yè)經(jīng)過快開隔膜壓濾機(jī)過濾后的煤泥濾餅水分，比其他種類的壓濾機(jī)過濾后的煤泥濾餅水分可以降低10～15個百分點(diǎn)，而且該機(jī)對煤泥水粒度組成要求不是很嚴(yán)格，在一定程度上降低了選煤廠煤泥產(chǎn)品的水分[18]。

2.2 生產(chǎn)工藝改造

動力煤選煤廠煤泥水一般選用加壓過濾機(jī)進(jìn)行過濾脫水回收，但是煤泥水中固體顆粒粒度分布較為復(fù)雜，且隨著煤質(zhì)情況的波動呈動態(tài)變化，因此，單一的煤泥水處理工藝在選煤廠日常生產(chǎn)過程中會遇到處理能力不足等諸多問題。

圖6是新建壓濾車間設(shè)備布置剖面圖，根據(jù)錦界選煤廠的實(shí)際生產(chǎn)情況，在原廠房的基礎(chǔ)上對壓濾車間進(jìn)行擴(kuò)建。由于擴(kuò)建空間受限，在原有廠房的北側(cè)外擴(kuò)一跨，新建廠房中尾對尾橫排布置兩臺壓濾機(jī)，這種布置方法可以充分利用廠房空間；二樓收集膠帶收集脫水后的煤泥，將之從帶式輸送機(jī)機(jī)頭共同轉(zhuǎn)載至一樓的煤泥轉(zhuǎn)載膠帶。由于煤泥壓濾脫水后呈餅狀，需要進(jìn)行破碎，通過調(diào)整兩臺收集膠帶的相對位置，將煤泥轉(zhuǎn)載溜槽設(shè)置為帶有一定的傾斜角度，煤泥在下料的過程中沖擊到溜槽內(nèi)壁即可起到破碎的作用。該溜槽布置方式充分利用了廠房現(xiàn)有的高度差，省去了增加煤泥破碎機(jī)的費(fèi)用，并簡化了工藝流程，起到了降本增效的作用。

1—壓濾機(jī)；2—收集膠帶；3—清水桶；4—濾液桶；5—轉(zhuǎn)載膠帶；6—入料泵；7—入料桶

對于動力煤而言，淺槽重介分選機(jī)的有效分選下限是13 mm。錦界選煤廠為了提高塊煤入選率，將部分原煤分級篩的篩孔尺寸由25 mm調(diào)整為13 mm，從而保證了主選系統(tǒng)入料量的穩(wěn)定。同時主選脫泥篩的篩板篩孔尺寸由8 mm調(diào)整為3 mm，簡化了原來8～3 mm粒級物料分級離心脫水流程，既降低洗選成本又減少了主選系統(tǒng)產(chǎn)生的次生煤泥量。煤泥經(jīng)過水力分級旋流器分級后，>0.5 mm粗煤泥進(jìn)入離心機(jī)離心脫水，<0.5 mm細(xì)煤泥進(jìn)入濃縮池進(jìn)行濃縮沉降。所有的煤泥先進(jìn)入1號濃縮池進(jìn)行一次沉降，粒度較大容易沉降的煤泥經(jīng)過一次沉降后從底流流出，然后泵送至加壓過濾機(jī)進(jìn)行過濾脫水回收。1號濃縮池的溢流自流進(jìn)入2號濃縮池進(jìn)行二次沉降，粒度較小的高灰細(xì)泥經(jīng)過二次沉降后從底流流出，泵送至快開隔膜式壓濾機(jī)進(jìn)行過濾脫水回收。該煤泥水處理工藝可以通過自流的方式實(shí)現(xiàn)煤泥水的二次沉降，從而簡化了濃縮分級的工藝流程，也實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。綜上，利用不同壓濾機(jī)對不同粒級物料的處理優(yōu)勢，對細(xì)煤泥和高灰細(xì)泥進(jìn)行分別回收，可保證壓濾系統(tǒng)處理能力，并且提高了煤泥產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 改造效果

錦界選煤廠屬于特大型動力煤選煤廠，2020年該廠原煤入選率為19.28%，提高煤泥水處理能力后塊煤入選率提高了4個百分點(diǎn)，每年可多生產(chǎn)塊精煤79.2萬t，煤泥產(chǎn)品回收率提高了11.45%，產(chǎn)品水分降低了1.34個百分點(diǎn)，發(fā)熱量提高了0.96 MJ/kg，極大程度地提升了該廠煤泥產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，系統(tǒng)生產(chǎn)時每年增加電耗、材料費(fèi)、排矸費(fèi)等費(fèi)用合計為470萬元，噸煤洗選成本增加約0.2元，按照塊精煤為490元/t(含稅價)，混煤為335元/t(含稅價)計算，每年可增加凈利潤6 828萬元。在提質(zhì)增效的同時提高了該廠原煤的入選率，響應(yīng)了國家提倡的“大力發(fā)展煤炭洗選加工，提高原煤入選比例”政策要求[19]。

4 結(jié)語

國家煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃對我國煤炭洗選行業(yè)進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)整，提出了加快現(xiàn)有煤礦選煤設(shè)施的升級改造，提高原煤入選率，在2020年，我國原煤入選能力達(dá)到32億t以上，將入選率提高至75%。現(xiàn)階段，我國煉焦煤選煤廠入選率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過75%，但是很多動力煤選煤廠由于煤種特性，入選率依然不高。我國很多動力煤選煤廠設(shè)計之初并沒有充分考慮到煤質(zhì)情況波動等生產(chǎn)因素的變化，導(dǎo)致選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)對煤質(zhì)波動適應(yīng)性較差，生產(chǎn)任務(wù)難以完成。各選煤廠可根據(jù)各自的生產(chǎn)情況，通過對選煤廠煤質(zhì)情況的試驗(yàn)分析，有目的性地調(diào)整生產(chǎn)工藝來提高原煤入選率，來達(dá)到提質(zhì)增效的目的。