馮來宏，李克相，顧雷雨，張西斌，高利晶，譚家貴，朱凌濤

(1.華能煤炭技術研究有限公司，北京 100070；2.華能云南滇東能源有限責任公司，云南 曲靖 655508；3.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116)

1 概 述

基于我國的資源稟賦特點，煤炭作為我國主體能源的格局將長時間內不會改變[1]。然而，我國煤炭資源賦存條件整體較差，同時由于放頂煤技術的應用與推廣，在開采過程中出現(xiàn)的過放狀況將會進一步惡化原煤質量。這不僅增加了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)運行成本，而且后續(xù)洗選加工過程中所產(chǎn)生的矸石給周圍環(huán)境帶來了巨大的壓力[2]。采用井下分選技術對原煤進行排矸，可以減輕礦井的提升負荷，緩解矸石堆放帶來的環(huán)境問題。此外，將井下分選后的矸石充填至采空區(qū)域，有助于解放“三下”壓煤資源，提高煤炭資源的利用效率[3，4]。因此研究高效的井下分選技術符合《煤炭工業(yè)“十四五”安全高效煤礦建設指導意見》要求，適應國家能源轉型升級，走綠色低碳道路的發(fā)展戰(zhàn)略。

隨著《煤礦充填開采工作指導意見》等文件的頒布，井下分選得到了更多的關注，許多煤礦企業(yè)已經(jīng)對井下分選技術進行了工程試驗。其中，山東新汶集團協(xié)莊礦通過對現(xiàn)有動篩跳汰機結構進行改進，實現(xiàn)了井下動篩跳汰煤矸分離工藝布置，排矸后產(chǎn)品含矸率3%左右[5]。常村煤礦同樣采用動篩跳汰工藝對井下大于50 mm粒級塊煤進行預先排矸，排矸后原煤(300～0 mm)灰分低于20%，用于井上選煤廠進一步分選，排除的矸石用于井下充填[6]。新巨龍煤礦則采用重介淺槽工藝以進行大于100 mm粒級塊煤的排矸，該系統(tǒng)處理能力可達3300 t/h，減少矸石提升90萬t/a，增加經(jīng)濟效益1.24億元/a[7]。由于井下環(huán)境復雜，空間狹長，井上常用的分選工藝流程難以直接應用于井下。通過裝備改進和技術創(chuàng)新，目前成功實現(xiàn)井下煤矸分選的典型裝備技術包括動篩跳汰分選、重介質淺槽分選及智能干選等，其具體技術經(jīng)濟對比見表1。此外，《中國制造2025—能源裝備實施方案》《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》等文件中強調了煤礦智能化發(fā)展的重要性并明確了智能化發(fā)展的主要目標及任務[8]，其中智能干選技術具有系統(tǒng)簡單、占地面積小、智能化程度高等優(yōu)點，可以作為煤礦智能化建設的重要組成，已經(jīng)成為當前井下煤矸分選的研究熱點。

表1 典型井下分選工藝對比

自2018年世界首套智能干選系統(tǒng)成功應用于井下采選充工藝以來，我國煤礦井下智能干選在基礎理論、關鍵技術、配套設備、工藝布置等方面存在諸多問題尚未解決。目前煤礦井下智能干選技術智能化水平仍然較低，無法實現(xiàn)一鍵式少人化智能控制；此外，布料均勻性難以保證，尚無法滿足寬粒級物料的高精度分選，單機處理能力受限?；诖?，筆者詳細分析了煤礦井下智能干選工藝技術的研究應用進展，展望了煤礦井下智能干選工藝技術的發(fā)展趨勢。

2 智能干選裝備研究進展

與傳統(tǒng)單純基于物料物理性質不同進行分選的技術不同，智能干選設備結合模式識別或機器學習進行煤矸分離，當前智能干選技術根據(jù)識別原理的不同可分為圖像識別法及射線識別法[9]。

2.1 基于圖像識別的智能干選技術

圖像識別方法一般是基于煤與矸石光學性質差異，結合計算機視覺系統(tǒng)對礦物圖像信息進行采集、處理、分析和理解從而實現(xiàn)煤與矸石的分離，主要包括人工特征識別及學習特征識別。早期研究人員多采用包括梯度、圖案、形狀及顏色等人工特征進行煤矸識別，其在不同環(huán)境下的識別率可達到94%以上[10]。隨著計算機技術的發(fā)展，研究人員開始采用深度學習技術自動獲取更優(yōu)的分類模型，該技術的應用進一步提高了圖像識別的精確度[11]。此外，為減弱可見光、灰塵等環(huán)境因素對圖像識別的不利影響，有研究采用多光譜成像技術以獲得更多的圖像信息從而增強圖像識別的準確性[12，13]。

2.2 基于射線識別的智能干選技術

射線識別方法是基于射線在不同密度礦物中的衰減程度不同進而將高密度矸石與低密度煤塊進行識別分離的過程。葛學海等通過對不同類型射線探測器進行對比分析，選用陣列電離室型探測器對煤矸分離系統(tǒng)進行了設計優(yōu)化[14]。楊慧剛等基于射線掃描獲得煤矸灰度信息并結合機器視覺獲得厚度信息，設計了一種煤矸分離系統(tǒng)提高了煤矸識別的準確性[15]。尹建強等為降低雙能射線缺陷影響，通過對煤和矸石的多個特征進行多維度分析，確定R值圖像特征和高能圖像特征有助于提高煤和矸石識別精度[16]。根據(jù)射線種類的不同，基于射線識別的智能干選技術主要包括γ射線識別技術及X射線識別技術。兩者識別原理相同，但在射線特點、識別方式、管理維護等技術特征上具有一定差異性，其具體對比見表2。

表2 不同射線識別技術對比

2.3 智能干選系統(tǒng)結構及應用

當前的智能干選裝備主要由給料機構、輸送機構、識別與控制機構及執(zhí)行機構等組成[17，18]。工作流程為：原煤經(jīng)分級篩分后，通過給料裝置將待分選物料給入分選機，物料通過輸送機構穿過識別與控制機構并由識別與控制機構獲得其感應信號，然后通過對所獲得的信號與系統(tǒng)中的煤矸數(shù)學模型進行對比處理判斷所識別物料的性質，當所識別物料為設置的目的礦物則啟動執(zhí)行機構將其剔除，從而實現(xiàn)煤矸分離。其中布料機構負責將物料均勻布置于運輸機構，防止物料的堆疊以保證識別的高效有序；與基于X射線識別的智能干選設備采用平鋪給料不同，基于γ射線識別與圖像識別的智能干選設備多采用排隊給料的方式以避免物料出現(xiàn)重疊現(xiàn)象影響識別精度[19]；執(zhí)行機構則主要包括機械手抓取和高壓氣體噴吹兩種，其中機械手抓取對大塊煤或矸石較為有效，但成本較高且操作頻率較慢，因此處理能力相對較小，無法應用于生產(chǎn)能力較高礦井的煤矸分離，高壓氣體噴吹是目前智能干選設備較常用的分離方式，但由于粉塵產(chǎn)生量較大對工人身體健康及井下安全生產(chǎn)有著不利影響，通常需要配備隔音除塵等輔助裝置以營造適宜的工作環(huán)境[20]。

選煤廠當前主要采用圖像識別技術用以煤雜分離，淮北礦業(yè)集團渦北選煤廠應用基于該技術的智能分選機對煤中雜物進行分揀，工業(yè)調試結果表明機械手分揀成功率為94.759%，系統(tǒng)分揀率為91.640%[21]?；谏渚€識別的智能干選技術在煤矸分離領域應用較為廣泛，其中國電平莊集團六家煤礦采用GDRT型γ射線智能干選機分別對200～80 mm及80～30 mm粒級原煤進行分選排矸，煤中帶矸率分別為2.34%和3.37%，矸中帶煤率分別為0.42%和1.36%[22]?；袅趾幽下短烀旱V采用基于X射線識別的IDS智能干選機對300～80 mm原煤進行分選，排矸率達到95.5%，矸中帶煤率及煤中帶矸率分別為1.72%和2.77%[23]。陽煤集團五礦選煤廠應用基于X射線識別的TDS智能干選機代替人工原煤排矸，每年可多回收塊煤0.88萬t，給企業(yè)增加效益777萬元[24]。

3 智能干選裝備井下應用現(xiàn)狀

井下智能干選系統(tǒng)主要包括原煤運輸、分級、布料、分選、產(chǎn)品運輸、除塵及輔助配電控制等環(huán)節(jié)[25]。井下智能干選典型工藝流程如圖1所示。采煤工作面來煤通過帶式輸送機轉載至滾軸篩進行篩分分級，分級后塊原煤由膠帶輸送至智能干選機分選，干選機利用布料機構、識別機構以及氣體噴吹執(zhí)行機構實現(xiàn)煤矸分離，分離后矸石由矸石膠帶轉載至填充系統(tǒng)，塊煤通過精煤帶式輸送機返回礦井煤流運輸系統(tǒng)與滾軸篩篩下末煤一同提升至地面。

圖1 井下智能干選系統(tǒng)工藝

世界上首套井下智能干選系統(tǒng)于2018年在山東能源臨礦集團王樓煤礦成功安裝運行，其主選設備采用TDS智能分選機[26]。采用TDS智能排矸系統(tǒng)，王樓煤礦可節(jié)省運輸、洗選、矸石處理等費用44元/t，提高礦井產(chǎn)能0.3 Mt/a。山東棗莊(礦業(yè))集團濱湖煤礦為釋放主井提升能力同樣采用了TDS智能排矸系統(tǒng)用于井下預先排矸，該系統(tǒng)主選設備為TDS12-300型智能干選機，處理能力為100 t/h，整個分選系統(tǒng)布置于長25 m、寬6 m、高7～9 m的巷道中，分選后產(chǎn)品矸中帶煤率在2%～3%，煤中含矸率約1%，每年增加經(jīng)濟效益約1000萬元[27]。澄合礦業(yè)公司百良旭升煤礦采用TDS20-300型智能干選機對大于50 mm粒級塊煤進行井下預先排矸，該系統(tǒng)分選能力150 t/h，排矸率可達90%，分選后矸中帶煤率小于10%，給煤礦增加收益1507萬元/a[28]。除此之外，靈北礦及陳蠻莊煤礦等也先后采用智能干選設備進行了井下煤矸分離工程建設其相關參數(shù)見表3[29，30]。當前，井下智能干選系統(tǒng)多用于+50 mm粒級塊煤排矸并配合矸石回填技術，以減少主井無效提升，提高出井原煤質量。

表3 不同礦井井下智能分選工藝技術參數(shù)

與地面空間環(huán)境不同，井下空間多由巷道及硐室所提供，具有空間小、高度低、呈狹長式布置等特點。此外，井下環(huán)境潮濕黑暗、粉塵含量大且存在易燃易爆氣體。因此從安全生產(chǎn)、便捷管理、社會與經(jīng)濟效益等角度出發(fā)，井下智能分選系統(tǒng)應具有以下特征：①緊湊型布置于圍巖強度較高、性質穩(wěn)定的區(qū)域；②自動化、智能化、模塊化生產(chǎn)管理，從而減少復雜危險井下環(huán)境的人員投入，保證煤矸分離的高效作業(yè)，增強系統(tǒng)運轉調整的靈活性；③粉塵的無害化，采用高壓氣體噴吹的智能分選設備在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量細粒粉塵，嚴重危害井下生產(chǎn)工人的身體健康與分選設備的使用壽命，并具有粉塵爆炸的安全隱患?？煽紤]分選原煤表面潤濕結合旋風除塵或帶式除塵降低粉塵污染；④系統(tǒng)整體的協(xié)調適配性，充分考慮分選系統(tǒng)與礦井原有運輸、排水、通風及人員出入等生產(chǎn)系統(tǒng)的適配性，保證井下開采—分選—充填各環(huán)節(jié)協(xié)調運行，進行一體化系統(tǒng)建設[31-33]。

現(xiàn)有井下智能干選系統(tǒng)布置方式主要包括移動式布置及固定式布置兩種[26]。其中移動式布置是將智能干選系統(tǒng)隨采煤工作面的推進一同移動，將分選后矸石充填至采煤工作面，該布置方式可以減少矸石的運輸，但對系統(tǒng)的集成性要求較高；固定式布置則是將智能分選系統(tǒng)固定在特定巷道內，分選后矸石通過運輸系統(tǒng)充填至工作面或廢棄老巷道，固定式布置的智能分選系統(tǒng)可以減少維護管理的投入，相應地矸石運輸投入則相對移動式布置較高。

4 結 語

發(fā)展煤礦井下智能干選技術與裝備，建設井下智能干法煤矸分離工藝系統(tǒng)，有利于解決“三下”壓煤開采困難問題，提高煤炭資源開發(fā)利用水平，增加煤礦企業(yè)經(jīng)濟效益，促進資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展，符合國家建設綠色礦山實現(xiàn)煤炭清潔高效利用的要求。受井下分選作業(yè)復雜危險環(huán)境、狹長有限空間等條件約束，決定了不能完全照搬地面選煤廠成熟的智能干法分選工藝流程和設備布置方式，必須充分考慮井下分選作業(yè)影響因素，根據(jù)礦井實際煤質特征、原有生產(chǎn)系統(tǒng)布置及采選充工程需要開展研究，進一步提高井下智能干選技術裝備的適用性及實用性，促進煤礦智能化建設。

目前井下智能分選系統(tǒng)仍然面臨一些亟需解決的問題。井下相對地面選煤廠空間有限且環(huán)境復雜，對分選系統(tǒng)各設備裝置的體積、可靠性及穩(wěn)定性要求更高，因此需要研發(fā)適合井下分選的小型化裝備結構，滿足井下狹小空間布置、組合及拆卸方便要求，增強分選及輔助設備在井下復雜環(huán)境下抗腐蝕、減震及防爆性能；此外，當前智能分選設備的有效分選粒度為300～25 mm，無法實現(xiàn)-25 mm粒級末煤的有效分選，且單通道處理能力低，最大處理量為260 t/h，因此，還需研究井下寬粒級高效智能煤矸分選技術與裝備，設計寬粒級煤矸均勻布料、平面運移精準定位及大流量高壓氣動剔除機構，分析濕式除塵、布袋除塵及旋風除塵等方式的除塵效果及與井下分選系統(tǒng)的適配性，提出煤矸智能光電分選狹長空間內系統(tǒng)布局方式，構建與井下采場作業(yè)環(huán)境協(xié)調適配的井下智能分選成套系統(tǒng)方案。