趙驚民，趙 虎，劉凱飛

(河南省煤科院科明機電設(shè)備有限公司，河南 鄭州 450001)

煤礦瓦斯突出是影響中國煤礦安全的重要因素，在對突出礦井的瓦斯治理過程中，預(yù)抽煤層瓦斯、排放鉆孔、金屬骨架、超前鉆孔、煤體固化、水力沖孔和水力割縫等措施，經(jīng)試驗證明可有效達到防突的目的[1]，其中，水力沖孔和水力割縫是利用高壓水的強大沖擊力，對煤層鉆孔內(nèi)或鉆孔周圍煤體進行連續(xù)破碎，利用水流帶出被破碎煤體，增大煤層透氣性[2]，因其簡便安全易操作，該措施在極軟煤質(zhì)礦井中應(yīng)用最為普遍。

在水力沖孔或割縫作業(yè)過程中，極軟煤層在高壓水等外力作用下，產(chǎn)生大量的破碎煤與水的混合物沖出，混合物中含有較多的極細顆粒，考察水力沖孔效果的指標主要有沖出煤量、瓦斯?jié)舛?、瓦斯含量等，而沖出煤量又直接影響到瓦斯含量和濃度兩個指標的大小[3-4]，在對沖出煤量進行計量之前，需要先將煤水混合物中固相碎煤和液相水2種物料進行分離。

目前，可實現(xiàn)固液分離的方法主要有多級沉淀池法和直線脫水篩篩分法(圖1)，前者由于沉淀池主要靠重力自然沉降，煤水分離時間較長且效果較差，占用人員多，分離后的煤泥含水量較多，無法實現(xiàn)直接機械外排，導(dǎo)致現(xiàn)場工作環(huán)境極差，同時無法準確計量鉆孔出煤量，鉆孔施工質(zhì)量得不到有效保障，給煤礦安全生產(chǎn)帶來極大隱患；后者利用振動電機作為振動源，使物料在篩網(wǎng)上被拋起并向前作直線運動，煤水混合物通過篩網(wǎng)產(chǎn)生固液分離的效果，混合物在篩面上做平滑運動，該方法只適用于煤層堅固性系數(shù)大于1.5的硬質(zhì)煤的固液分離。

圖1 沉淀池法與直線脫水篩篩分法固液分離Fig.1 Solid-liquid separation by sedimentation tank method and linear dehydration screen screening method

在對極軟煤質(zhì)的防突治理過程中，常因給料不均勻或混合物中極細顆粒較多，很容易出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象，其原因之一是潮濕細顆粒物料在水分、黏性物料的作用下，在篩面上黏附成團，形成了1張覆蓋膜，造成篩孔堵塞，篩分過程惡化，效率低下，要使篩分過程順利進行，就必須克服篩孔上的覆蓋膜堵孔，也就是要促使其破壞，保持開孔狀態(tài)以提高篩分效率[5-6]。

目前市場對于極軟煤質(zhì)的固液分離技術(shù)尚無明確的研究，亟須一款適用于極軟煤質(zhì)水力沖孔和割縫作業(yè)，減少人員操作，實現(xiàn)快速固液分離、避免堵孔的機械裝置，來填補這一細分領(lǐng)域的空白。為解決所有極軟煤質(zhì)突出礦井的這一難題，提出并開發(fā)了一種可以實現(xiàn)多維度振動的多維固液分離裝置，經(jīng)現(xiàn)場試驗，完全滿足極軟煤質(zhì)固液分離的需求。

1 多維固液分離裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

多維固液分離裝置分成上下2部分(圖2)，由減震彈簧隔開，彈簧下部為安裝底筒，起固定支撐作用，彈簧上部為參振總體，起振動分離的作用。整體采用下置立式振動電機，振動電機兩端分別設(shè)置激振塊，由振動電機旋轉(zhuǎn)帶動激振塊產(chǎn)生激振力，減震彈簧以上部分作為參振總體，在激振力作用下產(chǎn)生受迫振動。

圖2 多維固液分離裝置示意Fig.2 Schematic diagram of multi-dimensional solid-liquid separator

以下偏心塊質(zhì)心與電機軸連線為x軸，以電機軸為z軸，建立空間直角坐標系，參振總體所受激振力如圖3所示，O、O1分別為上下偏心塊的旋轉(zhuǎn)中心，與電機軸同軸線，m1為上偏心塊的質(zhì)量，m2為下偏心塊的質(zhì)量，L1和L2分別為上下激振塊質(zhì)心到電機軸的旋轉(zhuǎn)半徑，上下激振塊質(zhì)心與電機軸垂直連線在水平投影面上的夾角為α，O1G和OG為上下偏心塊旋轉(zhuǎn)中心到參振總體質(zhì)心的豎直距離，由于參振總體可近似為對稱體，則可假設(shè)參振總體的質(zhì)心G在電機軸線上，當振動電機以角速度ω旋轉(zhuǎn)時，由于上下偏心塊的質(zhì)心與參振總體的質(zhì)心不在同一軸線上，參振總體得到一個旋轉(zhuǎn)激振總矢和一個旋轉(zhuǎn)激振總矩，參振總體的受力情況為[7-10]：

圖3 參振總體所受激振力示意Fig.3 Schematic diagram of excitation force on the overall vibration

(1)

Mxoz=F2×OG+F1×G×cosα

(2)

Myoz=F1×OG+F1×cosα

(3)

使參振總體產(chǎn)生水平面內(nèi)的圓平動和繞水平面的圓錐擺運動，從而克服了煤泥顆粒之間的黏合力，使物料產(chǎn)生翻滾運動，形成煤水的固液分離，最終煤泥在離心力的作用下由排煤口排出。

根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)可知，參振總體最終受力、力矩與上下激振塊質(zhì)量、振動電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、上下激振塊質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)半徑、激振塊水平夾角、偏心塊質(zhì)心到參振總體質(zhì)心的豎直距離等因素均相關(guān)，任一元素的改變都會影響到篩分分離效果。

2 篩網(wǎng)克服堵孔原理

參照趙躍民等《彈性篩面上潮濕細粒煤炭篩分機理的研究》中的琴弦篩結(jié)論，琴弦篩可以更好地滿足開孔率，提高二次振動振幅。與沖孔篩板、聚氨酯篩板、條縫篩板相比較，金屬絲編織篩網(wǎng)具有較高的開孔率。該裝置采用一體成型預(yù)張緊篩網(wǎng)，使篩網(wǎng)始終處于張緊狀態(tài)，保證振動的高效傳導(dǎo)，以此來增大篩網(wǎng)二次振動的振幅，提高堵孔覆蓋膜的破壞概率[11-15]。

3 清網(wǎng)球克服堵孔原理

在篩網(wǎng)下方設(shè)一封閉空間，布置彈性清網(wǎng)球，在激振力作用下一起參與振動，在球起跳的過程中，會對篩網(wǎng)底部形成反向拍擊，因清網(wǎng)球在封閉空間內(nèi)自由分布，分布投影面積占篩網(wǎng)面積的60%～80%，這種拍擊為無規(guī)則的振動，在振動過程中，既保證對篩面全范圍的有效拍擊，又不會影響篩分物料透過篩面[16-20]。

清網(wǎng)球可看作一系列副激振器，能有效破壞掉物料在篩孔表面的形成的覆蓋膜，提高篩網(wǎng)通透性，解決極細顆粒黏接篩網(wǎng)堵孔的問題，保證篩分的正常進行。

4 模擬試驗

為了驗證篩分效果，選擇KFS-15/1.1型礦用固液分離機進行試驗，該試驗采用自制煤泥水，煤泥水中煤水質(zhì)量比為1∶45，分離機試驗參數(shù)調(diào)試見表1。

表1 分離機試驗參數(shù)Tab.1 Separator test parameters

分別使用0.50、0.30、0.10、0.05 mm篩網(wǎng)進行篩分試驗，如圖4所示，給出了不同篩網(wǎng)規(guī)格下煤泥混合水篩分結(jié)果。

圖4 0.50、0.30、0.10、0.05 mm篩網(wǎng)篩分狀態(tài)Fig.4 Screening status of 0.50，0.30，0.10 and 0.05 mm

由圖4可以看出，當篩網(wǎng)目數(shù)為0.50 mm和0.30 mm時，篩上物極少，固液篩分效果較差；當篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸降至0.10 mm時，篩分效果得到明顯改善，水及粒徑小于0.10 mm的顆粒仍可以順利通過篩網(wǎng)，實現(xiàn)分離的效果；但是當網(wǎng)孔小于0.10 mm時，由于顆粒所受液橋力等因素的影響，液體已不能順利透過篩網(wǎng)，會有部分液體沿篩網(wǎng)表面隨顆粒物排出，造成從處煤口排出的煤泥含水量迅速增高，而不能滿足設(shè)計和使用要求。因此，后期工業(yè)性試驗建議采用0.10 mm精度級別的篩網(wǎng)進行固液分離。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，于2020年分別在鄭煤集團告成煤礦和趙家寨煤礦底抽巷進行工業(yè)性應(yīng)用試驗，采用了同樣的工藝流程，該分離機明顯提高了對沖出煤泥水的固液分離能力，基本滿足了生產(chǎn)需求。該分離機型號為KFS-15/1.1礦用固液分離機，主要技術(shù)參數(shù)見表2。工藝流程如圖5所示?，F(xiàn)場布置如圖6所示，篩面工作狀態(tài)如圖7所示，篩分后固體效果如圖8所示。

圖5 工藝流程Fig.5 Process flow chart

圖6 現(xiàn)場布置Fig.6 Site layout

圖7 篩面工作狀態(tài)Fig.7 Working state of screen surface

圖8 篩分后固體效果Fig.8 Solid effect after screening

表2 多維固液分離機主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of multidimensional solid-liquid separator

5.1 鄭煤集團告成煤礦應(yīng)用

告成煤礦屬瓦斯突出礦井，煤層堅固性系數(shù)f=0.12[11]，屬極軟煤層范疇，在瓦斯治理過程中，采取底抽巷打孔，高壓水沖孔的方式消突，沖出煤泥水中顆粒粒徑分布見表3。

表3 告成煤礦沖出煤泥水粒徑分布Tab.3 Particle size distribution of rushed slime water in Gaocheng Coal Mine

實驗室篩分發(fā)現(xiàn)，樣本煤泥顆粒粒徑較小、黏性較大，易堵塞篩網(wǎng)?，F(xiàn)場按照圖5工藝流程布置設(shè)備，鉆機三通沖出煤泥水通過排水管道流入多維分離裝置，經(jīng)固液分離后，分離出的煤泥經(jīng)排煤口排出，分離出的水經(jīng)排水口導(dǎo)流至排水溝，分別使用0.1 mm和0.3 mm兩套篩網(wǎng)進行固液分離，篩分效率為90.2%和68.8%，篩出的煤泥含水量為32.2%和28.8%，手握無游離水外流，符合礦方直接用膠帶機外排條件。

5.2 鄭煤集團趙家寨煤礦應(yīng)用

趙家寨煤礦同樣屬瓦斯突出礦井，煤層堅固性系數(shù)f=0.23，屬極軟煤層范疇，在底抽巷打孔，高壓水割縫的方式消突，沖出煤泥水中顆粒粒徑分布見表4。

表4 趙家寨煤礦沖出煤泥水粒徑分布Tab.4 Particle size distribution of rushed slime water in Zhaojiazhai Coal Mine

現(xiàn)場同樣按照工藝流程布置進行煤水分離，使用0.1 mm和0.3 mm兩套篩網(wǎng)進行固液分離的情況下，篩分效率分別為91.8%和71.3%，篩出的煤泥含水量為33.5%和27.9%，手握無游離水外流，符合礦方直接用刮板輸送機外排條件。

6 結(jié)論

(1)鉆孔施工作業(yè)時，極軟煤層受高壓水等外力影響產(chǎn)生的極細煤泥，采用多維固液分離裝置，可實現(xiàn)極軟煤層沖出煤泥水的有效分離，解決了直線篩易堵孔的問題。

(2)采用礦用多維固液分離機在鉆場內(nèi)就近處理煤泥水，分離出的煤泥可直接實現(xiàn)機械外排，避免了人工清挖環(huán)節(jié)，提高了工作效率，降低人力投入成本和勞動強度。

(3)多維固液分離裝置對防突沖孔煤泥水的有效分離，為準確計量鉆孔/割縫出煤量提供了可能，同時，極大改善了鉆場作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)了文明施工，還可減少水溝、水倉頻繁清理，符合礦井標準化和文明化的建設(shè)要求。

(4)煤水分離一直是鄭煤集團多年來面臨的難題，采用礦用多維固液分離機，可實現(xiàn)煤泥混合水的有效分離，準確計量鉆孔/割縫出煤量，保障瓦斯抽采鉆孔施工質(zhì)量，改善鉆場作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)文明施工，符合“三化一工程”和標準化礦井的建設(shè)要求。