井下煤矸分離技術(shù)在礦山開采中的應(yīng)用研究

楊曉成，楊慶華，呂琳亞，趙學(xué)義

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083；2.北京礦大能源安全科技有限公司，北京 100083；3.河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山 063000）

0 引言

傳統(tǒng)的煤矸分離方式為井下原煤直接提升至地面，經(jīng)洗煤廠重介洗選后，分選出的煤矸石運(yùn)至矸石山存放。矸石山的堆積不但占用了大量土地，而且嚴(yán)重污染周邊環(huán)境。原煤中含有大量夾矸，降低了礦井提升系統(tǒng)能力，造成不必要的能源消耗。

井下煤矸分離技術(shù)使原煤在井下直接進(jìn)行分選，排除的矸石不升井、就地充填，既節(jié)省了矸石從井下到地面的提升費(fèi)用，提高立井提升煤炭能力，又可提高原煤質(zhì)量，降低噸煤能耗，從根本上解決矸石地面排放難題。本文在研究動(dòng)篩跳汰選煤理論及工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)井下煤矸分離系統(tǒng)及工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并針對(duì)該技術(shù)在陽煤某礦的成功應(yīng)用進(jìn)行效果評(píng)估，為井下煤矸分離技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)與經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 礦井概況

山西陽煤集團(tuán)某礦礦井采用立井開拓、多繩摩擦提升。13采區(qū)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.5Mt/a，煤層厚度2.37～3.71m，平均2.92m，工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量5249萬t。原煤含矸率為 5%～10%，平均8%，含矸量較高。

該礦目前共有五個(gè)工作面同時(shí)生產(chǎn)，礦井生產(chǎn)能力可達(dá)8.0Mt以上，立井提升能力制約了產(chǎn)量進(jìn)一步提高。該礦地表堆積有五處大型矸石山，污染環(huán)境，嚴(yán)重影響附近居民生活。為提高立井煤炭提升運(yùn)輸能力，同時(shí)減少矸石地面排放，在13采區(qū)設(shè)計(jì)采用井下煤矸分離系統(tǒng)，使矸石不出井、就地充填。

2 動(dòng)篩跳汰選煤理論研究

利用動(dòng)篩跳汰選煤最顯著的特點(diǎn)是依據(jù)其煤與矸石密度差異，在動(dòng)篩篩體上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，使煤矸組成的床層隨之松散，在周期性松散中使物料分層。

顆粒脫離篩面后，在水介質(zhì)中沉降，顆粒的運(yùn)動(dòng)微分方程（假定顆粒向下運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎椋?/p>

式中：m—顆粒質(zhì)量（g）；G0—顆粒在水介質(zhì)中的重力 （N）；Pac—加速運(yùn)動(dòng)的水流對(duì)顆粒產(chǎn)生的附加推力（N）；Rac—水介質(zhì)的加速度慣性阻力（N）；R—顆粒與水介質(zhì)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的介質(zhì)阻力（N）。

假設(shè)動(dòng)篩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)偏心輪的偏心距或曲柄長(zhǎng)度為r，則驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和加速度分別為：

式中： ω=2πn/60；t—運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）；n—曲柄機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)速度（r/min）。機(jī)械篩體在入料端的位移可表示為：

當(dāng)t=0時(shí)，動(dòng)篩機(jī)構(gòu)處于最低位置，h=0，則k=r，代入上式得：

由此可知，篩體入料端主要取決于時(shí)間t和曲柄長(zhǎng)度r。運(yùn)動(dòng)速度v與曲柄長(zhǎng)度r和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω成正比，加速度與曲柄長(zhǎng)度r和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω的平方成正比，最大振幅是偏心距的2倍，且隨著曲柄長(zhǎng)度r增大，振幅、速度、加速度隨之增大；隨著角速度ω增大，速度和加速度隨之增大。

動(dòng)篩跳汰分選中，物料的松散主要由兩個(gè)因素決定，一是入料粒度較大，二是床層振幅大。因此，動(dòng)篩跳汰分選中，動(dòng)篩體上升過程中在最高點(diǎn)是否靜止對(duì)煤炭的分層基本無影響，尤其是到達(dá)最高點(diǎn)的休止期內(nèi)物料與動(dòng)篩體依然是靜止的，對(duì)于物料的松散沒有影響。而上升與下降的速比及頻率、振幅對(duì)分層效果起決定作用。

動(dòng)篩跳汰機(jī)的處理量取決于動(dòng)篩篩面寬度和物料通過篩面的速度。由于動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)是繞固定軸擺動(dòng)，動(dòng)篩每一次上下運(yùn)動(dòng)，既將物料垂直托起，又使物料水平前移。如果忽略洗水的橫向波動(dòng)，可由下式計(jì)算此速度：

式中：v—物料通過篩面的速度；t—物料處動(dòng)篩的振幅；θ—?jiǎng)雍Y的擺角；T—跳汰周期。

從上式可見，動(dòng)篩的處理量與動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)曲線無關(guān)，主要取決于動(dòng)篩的振幅、擺角、跳汰周期及篩面寬度。而在每一周期內(nèi)，動(dòng)篩上、下運(yùn)動(dòng)的速比是使動(dòng)篩能否在下降期迅速脫離床層，給床層在水介質(zhì)中松散、沉降、分層的足夠時(shí)間和空間的關(guān)健。

3 井下煤矸分離系統(tǒng)及工藝

井下煤矸分離的核心技術(shù)是采用動(dòng)篩跳汰機(jī)分選原煤和分離塊矸，井下煤矸分離入洗范圍為0～350mm。主要設(shè)備由動(dòng)篩體、分級(jí)篩、機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、脫水設(shè)備和自動(dòng)排矸裝置等組成。

井下動(dòng)篩跳汰機(jī)工作原理：動(dòng)篩體在驅(qū)動(dòng)設(shè)備的帶動(dòng)下，繞固定銷軸作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。物料在篩板上經(jīng)過跳汰分選后，按密度大小分層，處于上層的輕物料 （精煤），從溢流堰的上面經(jīng)溜槽流到塊煤刮板機(jī)中，然后由塊煤刮板機(jī)送出動(dòng)篩進(jìn)入后續(xù)設(shè)備；處于下層的重物料（矸石），從溢流堰的下面通過排矸輪排出經(jīng)溜槽流到矸石刮板機(jī)中，然后由矸石刮板機(jī)送出動(dòng)篩進(jìn)入后續(xù)設(shè)備；同時(shí)，透篩細(xì)物料，由槽體下面排料口經(jīng)溜槽流到塊煤刮板機(jī)中與塊煤一同排出。井下動(dòng)篩機(jī)保留了地面機(jī)械動(dòng)篩跳汰機(jī)的核心技術(shù)，即動(dòng)篩體、機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和自動(dòng)排矸裝置，而其余結(jié)構(gòu)根據(jù)井下峒室的需要，改進(jìn)為一個(gè)長(zhǎng)條形的機(jī)體和刮板式提升脫水機(jī)構(gòu)，見圖1所示。

井下煤矸分離系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)：井下原煤通過分級(jí)篩，篩上物（+50mm以上）進(jìn)入入料皮帶機(jī)，篩下物進(jìn)入末煤皮帶機(jī)（或煤倉(cāng)），進(jìn)入入料皮帶機(jī)的篩上物經(jīng)過機(jī)械動(dòng)篩跳汰機(jī)分選后，矸石入矸石倉(cāng)，經(jīng)倉(cāng)底給料機(jī)、運(yùn)矸皮帶至工作面實(shí)施矸石充填，塊煤通過配煤皮帶入末煤皮帶機(jī)；機(jī)械動(dòng)篩跳汰機(jī)的煤泥水通過渣漿泵傳輸送至高頻篩，對(duì)煤泥水進(jìn)行脫水處理，篩上物再進(jìn)入末煤皮帶機(jī)，剩余水進(jìn)入沉淀池沉淀后，最后經(jīng)過渣漿泵輸送至煤泥壓濾機(jī)壓濾后，壓濾形成的煤泥餅進(jìn)入末煤皮帶機(jī)，壓濾后的水再進(jìn)入清水池輸送至機(jī)械動(dòng)篩跳汰機(jī)循環(huán)使用。具體工藝流程如圖2所示。

4 井下煤矸分離效果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相對(duì)比，該煤矸分離設(shè)備各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，并達(dá)到以下效果：

（1）分選后矸石中含煤率小于1%，煤中含矸率小于3%。

（2）提高立井提升能力，每年可多提升煤炭12萬t，增加煤炭銷售利潤(rùn)3000萬元以上。

（3）井下煤矸分離效果良好，完全達(dá)到地面動(dòng)篩洗選效果，提高原煤質(zhì)量，節(jié)省地面洗煤成本。

（4）分選矸石不升井，可進(jìn)行采空區(qū)充填或拋擲于廢棄巷道，實(shí)現(xiàn)地面矸石零排放，減少矸石山占地，防止污染。

5 結(jié)束語

井下煤矸分離技術(shù)在理論和工藝上可行。通過該技術(shù)的成功應(yīng)用，切實(shí)提高了立井提升煤炭能力，提高了原煤質(zhì)量，并從根本上消除了煤矸石在地面排放所帶來的環(huán)境污染問題。該技術(shù)作為目前國(guó)內(nèi)井下較為理想的一種煤矸分離技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤礦 “綠色開采”的有效途徑，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

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