李騰

（中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

1 概況

由于煤層中含有夾矸及煤礦開采過程中混入頂?shù)装澹虼嗣旱V在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生煤矸石，傳統(tǒng)的處理方式是直接將矸石堆放于地表，形成矸石山。矸石山會對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來很大的威脅與破壞，包括侵占土地，污染空氣、水質(zhì)和土壤。我國2020年規(guī)模以上工業(yè)原煤產(chǎn)量38.4億噸，按矸石產(chǎn)率10%估算，年產(chǎn)矸石約3.8億噸，年產(chǎn)量大，并且成年累積。矸石山給礦區(qū)綠色發(fā)展帶來的環(huán)境污染等負(fù)面效應(yīng)越來越難以被接受，甚至影響煤礦的生存。近年來，我國政府高度重視并積極引導(dǎo)和大力提倡新的煤礦發(fā)展趨勢，降低煤矸石對環(huán)境的影響。部分省、自治區(qū)鼓勵發(fā)展井下選充一體化技術(shù)，其中山西省能源局印發(fā)《關(guān)于在全省新建煤礦開展井下矸石智能分選系統(tǒng)和不可利用矸石全部返井試點示范工程建設(shè)的通知》，通過建設(shè)井下選充一體化示范工程，引領(lǐng)煤炭綠色開采利用的變革。

井下選充一體化工程通過原煤井下分選、矸石就地充填，可以減少因矸石無效提升運輸而產(chǎn)生的運輸費用，避免矸石提升到地面堆積對地面環(huán)境造成污染，還可以提高原煤中精煤的產(chǎn)率,最終增加煤礦精煤產(chǎn)量,提高煤礦收益。目前井下充填方式有綜合機(jī)械化固體充填、短壁干式充填、膏體充填、漿體管道充填等模式，幾種充填方式均有工程案例，具體的選擇需根據(jù)礦井矸石充填的工程目的、井下生產(chǎn)系統(tǒng)、充填的矸石量等合理選擇，本文主要探討井下分選系統(tǒng)。

2 井下分選工藝對比分析

2.1 重介淺槽排矸工藝

重介淺槽的分選原理利用煤的密度小、矸石密度大的特征，在相對靜止重介懸浮液中煤上浮、矸石下沉，從而實現(xiàn)煤矸分離。重介淺槽排矸工藝的優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點：①有效分選粒度范圍寬。淺槽分選機(jī)分選有限粒度范圍為13～200mm，最低入料下限可達(dá)6mm；②設(shè)備處理能力大，單臺設(shè)備最大處理能力達(dá)790t/h，還可通過增寬矸石刮板增大排矸能力；③淺槽分選機(jī)主要用于分選塊煤，分選可能偏差Ep值低，對原煤煤質(zhì)波動適應(yīng)性強。

（2）缺點：分選上限低，一般在200mm，加工成本略高。

新汶礦業(yè)集團(tuán)濟(jì)陽礦應(yīng)用了井下淺槽重介排矸工藝，設(shè)計處理能力為300t/h，用于分選粒度為300～25mm的毛煤。

2.2 跳汰排矸工藝

跳汰分選的原理為在重力場下以水為介質(zhì)進(jìn)行分選，物料在上升和下降的交變脈動水流中根據(jù)密度不同進(jìn)行分層，進(jìn)而實現(xiàn)分選。跳汰排矸工藝的優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點：①適應(yīng)粒級范圍廣，有效分選粒度下限低；②加工費較低，沒有介質(zhì)消耗，無介質(zhì)回收系統(tǒng)；③除雜效果好。

（2）缺點：①當(dāng)煤質(zhì)波動或產(chǎn)品要求發(fā)生變化時，調(diào)整設(shè)備時自動化程度低，需要一定的人工干預(yù)，分選效率低；②跳汰機(jī)及配套的脫水斗提機(jī)布置復(fù)雜、導(dǎo)致廠房體積偏大。

晉中能源邢東煤礦應(yīng)用了井下跳汰排矸工藝，系統(tǒng)處理能力為600t/h，毛煤中200～30mm進(jìn)入跳汰系統(tǒng)分選。

2.3 動篩排矸工藝

動篩跳汰分選適應(yīng)的入洗粒級為400～30mm的塊煤。原煤在動篩內(nèi)松散、分層、分選的原理與跳汰相似，不同之處為不通過水流的脈動，而通過動篩機(jī)的篩板做上下往復(fù)運動。動篩排矸工藝的優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點：①動篩跳汰機(jī)分選粒級寬，排矸能力大，大塊煤與矸洗選過程中次生煤泥產(chǎn)出量少，是有效的排矸設(shè)備；②相比跳汰機(jī)，動篩分選過程中不需要沖水和頂水，通過篩板運動實現(xiàn)物料松散，因此，用水量較小。噸煤循環(huán)用水量為0.1～0.3m3，相當(dāng)一般跳汰機(jī)的5%，補充水量僅是產(chǎn)品帶走的水量；③配套設(shè)備少。由于動篩跳汰機(jī)自身集成了提升部件，并且不用風(fēng)，因此，無斗提機(jī)及壓風(fēng)系統(tǒng)，投資少。

（2）缺點：①分選下限高，一般為30mm，因而使入洗量減少，不利于穩(wěn)定煤質(zhì)；②處理能力相對淺槽較小。

新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊煤礦、翟鎮(zhèn)煤礦應(yīng)用了井下動篩排矸工藝，+50mm進(jìn)入動篩跳汰系統(tǒng)分選。

2.4 智能干法選煤工藝

智能干法選煤技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的濕法選煤方法及其他干選技術(shù)，利用煤與矸石對射線的吸收不同完成識別。對識別的煤、矸利用高壓風(fēng)擊打完成分選。工作流程為：物料經(jīng)給料裝置給入帶式輸送機(jī)布料裝置，物料在布料裝置上實現(xiàn)單層排列，原料經(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物料是精煤或矸石，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(yuǎn)端溜槽中，精煤則保持原運動軌跡落入精煤溜槽中，至此完成物料的射線干法分選，智能干選機(jī)示意圖見圖1。

圖1 智能干選機(jī)示意圖

澄合礦業(yè)公司百良旭升煤礦應(yīng)用了井下智能干選系統(tǒng)，用于分選50～300mm塊煤，分選能力150t/h，可分選出矸石130Kt/a。百良旭升煤礦同步建設(shè)有井下充填系統(tǒng)，矸石就地分選就地充填，可給煤礦增加年利潤約1507萬元。

2.5 井下分選工藝對比（表1）

表1 井下分選工藝對比表

重介淺槽、跳汰及動篩排矸等濕法選煤技術(shù)在雖然有井下應(yīng)用的實例，但存在工藝系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備較多、需要考慮介質(zhì)及煤泥水系統(tǒng)，前期投資及后期維護(hù)成本均較高等問題，因此影響了傳統(tǒng)濕法選煤技術(shù)在井下的推廣。智能干法選煤技術(shù)的分選系統(tǒng)僅包含智能干選機(jī)及配套的壓風(fēng)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)，設(shè)備本體較常規(guī)濕法分選設(shè)備體積小，具有系統(tǒng)簡單、分選精度高，投資少等優(yōu)勢，利于扁平化布置于井下，因此成為井下分選技術(shù)新的方向。

3 井下智能干法選煤工藝

3.1 系統(tǒng)能力確定原則

由于井下生產(chǎn)存在不均衡性，井下智能干選系統(tǒng)主要關(guān)鍵設(shè)備的處理能力不應(yīng)以礦井的平均生產(chǎn)能力為依據(jù)，應(yīng)以智能干選系統(tǒng)設(shè)置環(huán)節(jié)的主運輸峰值能力作為系統(tǒng)設(shè)備處理能力選型。

另外，為了保證井下選充系統(tǒng)能力的匹配，井下干選系統(tǒng)產(chǎn)生的矸石總量應(yīng)小于工作面矸石充填需求量和井下矸石儲備能力的總和，同時兼顧分選與充填環(huán)節(jié)的工作制度，要保證矸石產(chǎn)出與消耗量匹配。

3.2 工藝流程制訂

目前智能干選機(jī)根據(jù)入料粒度共分為500～100mm、300～50mm、150～25mm三款機(jī)型。三種型號設(shè)備最大處理能力分別為320t/h，240t/h，140t/h。

具體的智能干選機(jī)選用型號需根據(jù)實際礦井的井下生產(chǎn)能力及煤質(zhì)資料確定，但也有一定的原則。一般井下原煤中500～100mm粒級產(chǎn)率較低，產(chǎn)量較少，一方面無法充分發(fā)揮設(shè)備的處理能力，另一方面，也無法實現(xiàn)井下盡量多的分選出矸石。而原煤中150～25mm粒級產(chǎn)量大，對于大型礦井而言需多臺干選機(jī)才能實現(xiàn)完全分選，會導(dǎo)致干選硐室過大，存在實施難度大，井巷工程投資偏高的問題。因此一般選擇的干選機(jī)處理粒度為300～50mm。

一般井下智能干選系統(tǒng)工藝環(huán)節(jié)有兩個，一為分級環(huán)節(jié)，二為智能干選環(huán)節(jié)。原煤首先經(jīng)滾軸篩實現(xiàn)50mm分級300～50mm進(jìn)入智能干選機(jī)進(jìn)行分選，篩下返回主煤流系統(tǒng)。300～50mm經(jīng)智能干選機(jī)分選出矸石及精煤，矸石進(jìn)入后續(xù)充填系統(tǒng)，精煤返回主煤流系統(tǒng)。

通常，井下工作面順槽口處布置有破碎機(jī)，排料粒度一般小于300mm，如果安裝的破碎機(jī)為雙齒輥破碎機(jī)，粒度控制情況較好，破碎后原煤中限上物料少。如果安裝的破碎機(jī)為環(huán)錘破碎機(jī)，排料中通常存在超限的特大塊，此時，在進(jìn)入干選機(jī)前需要增加破碎環(huán)節(jié)。井下智能干選工藝流程圖見圖2。

圖2 井下智能干選工藝流程圖

3.3 工藝布置

（1）井下工藝布置原則。智能分選系統(tǒng)位置選擇主要考慮以下三點：第一，井下布置智能干選系統(tǒng)要結(jié)合礦井主運輸系統(tǒng)，優(yōu)選布置于井下生產(chǎn)的轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)，利于直接布置系統(tǒng)或?qū)⑽锪蠈?dǎo)出布置系統(tǒng)，減少對礦井正常生產(chǎn)的影響。第二，井下布置智能干選系統(tǒng)需考慮采用的矸石充填方式及矸石充填位置。智能干選系統(tǒng)布置應(yīng)靠近矸石充填準(zhǔn)備系統(tǒng)及矸石充填位置，盡量縮短矸石運輸距離；第三,智能分選系統(tǒng)位置需要結(jié)合礦井的接續(xù)計劃，盡量提高智能干選系統(tǒng)服務(wù)年限，降低系統(tǒng)的運行成本。

（2）布置于工作面帶式輸送機(jī)機(jī)頭處。本布置思路為將智能干選系統(tǒng)布置于工作面帶式輸送機(jī)機(jī)頭處，主要包含滾軸篩、智能干選機(jī)及轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī)，本思路布置系統(tǒng)圖見圖3。本思路為在工作面帶式輸送機(jī)與主運大巷帶式輸送機(jī)搭接處布置滾軸篩，實現(xiàn)以80(50)mm分級，篩下直接給至主運大巷帶式輸送機(jī)，篩上大塊經(jīng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至智能干選硐室，進(jìn)行智能干選，干選出的精煤經(jīng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至主運大巷帶式輸送機(jī)，選出矸石經(jīng)帶式輸送機(jī)運至后續(xù)矸石充填系統(tǒng)。本思路的優(yōu)點為服務(wù)于單個工作面，對于特大型礦井，分工作面布置智能干選系統(tǒng)，實現(xiàn)單面單套系統(tǒng)，通過化整為零，多套系統(tǒng)分開布置的思路，解決因井下產(chǎn)能過大，導(dǎo)致無法集中布置智能干選系統(tǒng)的問題。本系統(tǒng)的缺點為智能干選系統(tǒng)僅能服務(wù)于一個工作面，當(dāng)開采下一工作面時，智能干選系統(tǒng)需搬家倒面。

圖3 智能干選系統(tǒng)布置于工作面帶式輸送機(jī)機(jī)頭處系統(tǒng)圖

（3）大巷帶式輸送機(jī)機(jī)頭處。本思路為將智能干選系統(tǒng)布置于大巷帶式輸送機(jī)機(jī)頭處，對于設(shè)有井底煤倉的礦井，可考慮將滾軸篩直接布置于井底煤倉上口，篩下可直接落倉，減少轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)。篩上塊煤經(jīng)帶式輸送機(jī)運至智能干選車間，分選后的精煤經(jīng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載返回井底煤倉，落倉存儲，矸石經(jīng)帶式輸送機(jī)運至充填系統(tǒng)。本思路布置系統(tǒng)圖見圖4。本思路的優(yōu)點為智能干選系統(tǒng)可服務(wù)于整個礦井，一次建設(shè)，全生命周期服務(wù)。同時，具有系統(tǒng)簡單、轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)少的特點。

圖4 智能干選系統(tǒng)布置于大巷帶式輸送機(jī)機(jī)頭處系統(tǒng)圖

4 結(jié)語

由于不同煤礦的井下生產(chǎn)情況存在一定的差異，井下智能干選系統(tǒng)的工藝制訂及工藝布置需從礦井生產(chǎn)能力、原煤煤質(zhì)、井下開采系統(tǒng)、矸石充填方式等多方面出發(fā)，具體問題、具體分析，根據(jù)不同煤礦、不同特色制訂符合實際情況的井下智能干選系統(tǒng)，從而實現(xiàn)矸石井下分選、就地充填，提升煤礦經(jīng)濟(jì)效益，降低矸石處理壓力。