煤礦智能選矸系統(tǒng)應用

王愛民， 王濤

（冀中能源峰峰集團有限公司 羊東礦，河北 邯鄲 056000）

0 引言

羊東礦原選矸系統(tǒng)中原煤主要通過手選實現(xiàn)提質(zhì)，主要存在如下問題：手選揀出率低，尤其是在塊煤量波動時，手選效率低的問題更加突出。人工手選勞動強度大，工作環(huán)境差。手選選矸一直存在工人勞動強度高、工作環(huán)境差的問題，工人極易出現(xiàn)疲勞，并且手選工人人員數(shù)量較多。為了解放勞動力，提高分選效率及煤質(zhì)，增加銷售收入，采用機械排矸的方法代替現(xiàn)有人工手選是必要的。

1 國內(nèi)原煤選矸水平和發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)選矸系統(tǒng)仍以手選為主，手選是靠人工持續(xù)、機械式的勞動，揀出塊煤、矸石及雜物。由于受到煤質(zhì)變化和人為因素影響，手選揀出率低。手選作為選煤的傳統(tǒng)作業(yè)環(huán)節(jié)一直存在工人勞動強度高、工作環(huán)境差（包括噪聲、粉塵）等的問題[1]。

為解放勞動力，提高分選效率及煤質(zhì)，增加銷售收入，采用機械排矸的方法代替現(xiàn)有人工手選是必要的，并且可實現(xiàn)由傳統(tǒng)型向創(chuàng)新型、由勞動密集型向科技型、由苦臟型向體面型、由粗放型向集約型、由數(shù)量型向效益型的5個方面的轉變，實現(xiàn)了效率、效益兩個方面的提高，實現(xiàn)了機械化、自動化、智能化的生產(chǎn)目標。

2 原地面選矸系統(tǒng)介紹

羊東礦主井位于羊一工業(yè)廣場，為斜井膠帶機提升。地面建有一套原煤生產(chǎn)和儲裝運系統(tǒng)，生產(chǎn)能力按照2.0 Mt/a設計。選矸樓內(nèi)安裝一部手選膠帶機，原煤經(jīng)篩分后，篩上大塊進入手選膠帶機，由人工進行分揀，分揀出的矸石經(jīng)矸石膠帶機運輸?shù)巾肥飪?nèi)，塊煤隨篩下末煤運輸?shù)皆号?。地面無跨線煤倉，原煤經(jīng)給煤機、滾軸篩及人工手選后大部分矸石已被排除，產(chǎn)品直接送到儲煤場儲存。

原選矸樓內(nèi)安裝一部手選膠帶機，原煤經(jīng)篩分后，篩上大塊進入手選膠帶機，由人工進行分揀，分揀出的矸石經(jīng)矸石膠帶機運輸?shù)巾肥飪?nèi)，塊煤隨篩下末煤運輸?shù)皆号铩?/p>

原有分選工藝為：原煤經(jīng)過25 mm分級篩分級，≤25 mm原煤直接作為入洗原料煤進入原煤裝車倉外運；＞25 mm原煤進入圓振篩和手選皮帶，分選出＞50 mm原煤塊煤及矸石，下余25～50 mm作為次煤（動力煤）產(chǎn)品。

入洗原煤：≤25 mm，螺旋分級篩篩下物，經(jīng)鐵路運輸?shù)较催x廠進行配煤入洗；手選塊煤：＞50 mm，地銷或者運至洗選廠作為配煤入洗；次煤（動力煤）：25～50 mm，作為動力煤銷售，或者運至洗選廠作為配煤入洗。

入洗原煤產(chǎn)品可通過汽車或者火車運輸，塊煤可通過汽車運輸。

3 智能選矸系統(tǒng)說明

羊東礦TDS智能選矸系統(tǒng)核心原理是采用X射線進行智能識別，針對入選原煤的煤質(zhì)特征，建立與之相適應的分析模型，通過大數(shù)據(jù)分析，對煤與矸石進行數(shù)字化識別，通過高壓風排矸系統(tǒng)將矸石排出。具體設計與實施方法如下：

羊東礦原篩分樓中的螺旋篩作為備用設備保留，對原手選一部帶式輸送機進行改造，增加7 m中間機身，增加傳動裝置，更換膠帶，改造后使用電動機功率為30 kW，帶速為1.25 m/s。保留現(xiàn)有塊煤分選車間和設備，在原手選一部帶式輸送機傳動滾筒位置安裝一臺單側電動犁式卸料器，在新系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，可馬上恢復為原有工藝。

新建一塊煤分選車間，其中包括2條皮帶走廊和1個鋼結構車間，一條走廊安裝原煤入料帶式輸送機，把原煤輸送到新車間內(nèi)的三段交叉篩上。另一條走廊安裝選后返回帶式輸送機，與末煤帶式輸送機搭接。三段交叉篩分級后，不大于35 mm的末煤直接由選后返回帶式輸送機運輸?shù)侥┟簬捷斔蜋C；中段35～200 mm塊煤通過進入振動布料器，塊煤被均勻鋪開后進入TDS智能干選機中分選。在下方的2個出料口分別安裝電動三通分料器，實現(xiàn)打矸和打煤兩種功能；大于200 mm的大塊落到與TDS智能干選機并列的新建手選帶式輸送機上，通過1～2人將大塊煤炭撿出。選后的煤塊全部進入破碎機，將所有塊煤粉碎后，通過選后返回帶式輸送機運至末煤帶式輸送機，最后運輸?shù)絻γ号锎鎯?。由TDS智能干選機洗出的大塊矸石落入新建的矸石棚儲存[2]，如圖1所示。

圖1 智能選矸系統(tǒng)工藝流程圖

4 TDS智能選矸系統(tǒng)主要設備技術參數(shù)

1）原煤入料皮帶，型號為DTL100/60/30，輸送長度為37 m，帶速為2.5 m/s，運輸能力為600 t/h，運輸傾角為10.88°。

2）TDS手選皮帶，型號為DTL/100/5/15，輸送長度為9 m，帶速為0.5 m/s，運輸能力為50 t/h，運輸傾角為0°。

3）大塊煤皮帶，型號為DTL80/5/4，輸送長度為22 m，帶速為1.6 m/s，運輸能力為50 t/h，運輸傾角為10.4°。

4）選后返回皮帶，型號為DTL100/50/37，輸送長度為52 m，帶速為2.5 m/s，運輸能力為500 t/h，運輸傾角為8.32°～11°。

5）正弦滾軸篩，型號為FZS6035200-21/10，滾柱材質(zhì)為鎳錳合金，給料能力為600 t/h，篩下粒度為0～35 mm、35～200 mm，軸數(shù)為21軸。

6）振動布料器，型號為TDS16-300-Z1424，處理量為200 t/h，入料粒度為0～300 mm，振幅為6～9 mm，振動頻率為960 r/min。

7）智能干選機，型號為TDS16-300-S2D2，處理量為150 t/h，分選粒度為35～200 mm，頭尾滾筒間距為8 m，主機功率為35 kW。

8）破碎機，型號為2DSKP70100，生產(chǎn)能力為100 t/h，入料粒度為300 mm，出料粒度不大于50 mm，破碎強度不小于200 MPa。

5 供配電系統(tǒng)和智能化系統(tǒng)

本系統(tǒng)安裝設備臺數(shù)共計18臺，其中工作臺數(shù)為17臺。安裝容量為564 kW，工作容量451 kW。在羊東一坑工業(yè)廣場設置控制室一座，為選矸系統(tǒng)設備供電及控制，電源引自工業(yè)廣場6/0.4 kV變電所低壓備用回路，電源進線采用雙根并聯(lián)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜（YJV22-1 kV-4×300+1×150 mm2）沿墻吊掛敷設至選矸控制室內(nèi)，供電距離L=100 m。在變電所內(nèi)新增2臺TJJ-1-0.38 kV型低壓開關柜作為選矸系統(tǒng)饋出柜，在控制室內(nèi)5臺TJJ-1-0.38 kV型低壓配電柜（其中進線柜2臺，饋電柜2臺，聯(lián)絡兼饋電1臺），TDS干選機電控1臺，為各設備放射配電。

本次新建配電室內(nèi)設置PLC控制分站，該控制站接入干選機控制主站，干選機控制主站預留通信口提供給全廠集控系統(tǒng)，并留有基本起停干接點。部分控制系統(tǒng)不再單獨新建集控室，對新增設備的監(jiān)控考慮由干選機控制系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控管理。TDS智能干選機可提供無源干節(jié)點形式的運行信號及故障信號給全廠集控系統(tǒng)。

6 用電負荷分析

本次設計全站安裝設備臺數(shù)共計18 臺，其中工作臺數(shù)為17臺。其中空壓機2 套，功率為112.2 kW，一臺工作，另一臺備用；智能選矸機1套，功率為42 kW；除塵器1套，功率為60 kW；塊煤破碎機1套，功率為2×22 kW；新建原煤搭接平行膠帶機1臺，功率為2.2 kW；新建原煤入料膠帶運輸機1臺，功率為30 kW；除鐵器一套功率為7 kW；犁式卸煤器1臺，功率為2.2 kW；冷干機1套，功率為3.568 kW；三段交叉篩1套，功率為48.5 kW；手選帶式輸送機1臺，功率為15 kW；振動布料器1臺，功率為7×2 kW；電動三通分料器2臺，功率為0.75 kW；電動葫蘆1臺，功率為5 kW；新建干洗后返回帶式輸送機1臺，功率為30 kW；一部手選膠帶機1臺，功率為15 kW；設備電壓等級均為0.38 kV。

經(jīng)計算，全站負荷統(tǒng)計如下：安裝容量為564 kW，工作容量為451 kW；全站計算負荷為：有功功率Pjs=332 kW；無功功率Qjs=289 kW；視在功率Sjs=441 kW；功率因數(shù)cos Φ=0.7；計算電流Ijs=672.58 A。

7 建筑設施

1）新建原煤入料皮帶走廊，鋼桁架結構，長為24 m，寬為2.8 m，高為2.2 m，屋面及圍護結構均采用單層彩鋼板結構。新建干洗后返回皮帶走廊，鋼桁架結構，長為38 m，寬為2.8 m，高為2.2 m，地基擬采用鋼筋混凝土獨立基礎，基礎埋深為1.5 m。

2）將原有部分矸石棚拆除，并新建干選車間1個，呈長方形，鋼框架結構，長為20 m，寬為7 m，建筑總面積為140 m2，建筑高度為14.3 m。屋面及四周圍護結構均采用彩鋼板結構。

3）新建配電室，砌體結構，長為10.2 m，寬為4.6 m，建筑總面積為47 m2，建筑高度為3.5 m。

4）新建皮帶機設備平臺，鋼結構，長為6 m，寬為5.5 m，高為10 m，屋面及6.5 m以上圍護結構均采用彩鋼板。

5）新建大塊矸石棚1個，呈長方形，鋼框架結構，長為10 m，寬為5 m，建筑高度為5.2 m。屋面及四周圍護結構均采用彩鋼板結構。

8 通風除塵

1）車間通風采用自然通風的形式，室外新鮮空氣通過車間的門和窗進入車間，對車間進行補風。

2）粉塵治理目標。a.產(chǎn)塵點粉塵捕集率為98%以上，塵氣不外溢，積塵罩內(nèi)無煙塵外溢現(xiàn)象；b.布袋除塵器去除0.3 μm以上的粉塵顆粒后達到10.0 mg/m3的排放標準，經(jīng)15 m排氣管道高空排放；c.主要生產(chǎn)設備周邊1 m處，顆粒物濃度小于2.0 mg/m3；d.廠界邊界大氣污染物濃度限值，顆粒物濃度小于1.0 mg/m3。

3）除塵工藝流程。分選系統(tǒng)振動篩和各下料口處設置獨立集塵罩，并配套除塵設施將各集塵罩收集的除塵進行處理，分選系統(tǒng)除塵設施不與其他工序混用。

4）在分選系統(tǒng)振動篩、振動器、破碎機和各下料口處各獨立集塵罩頂部連接通風管道，風管沿墻面和立柱固定，接至分選系統(tǒng)西側新增袋式除塵裝置。利用袋式除塵器配套風機通過集氣罩和除塵通風管道，對分選系統(tǒng)振動篩、振動器、破碎機和各下料口產(chǎn)生的粉塵進行收集，收集后的粉塵通過袋式除塵器處理達標后外排[3]。

5）風量計算。

a.分選系統(tǒng)振動篩集塵罩集塵口截面積為3.0×1.5=4.5 m2，集塵口風速按1.0 m/s計算。平均總風量為4.5 ×1.0 ×3600×1.15=18630.0 m3/h。

b.分選系統(tǒng)振動器集塵罩集塵口截面積為2.0×1.5=3.0 m2，集塵口風速按1.0 m/s計算。平均總風量為3.0×1.0×3600×1.15=12420.0 m3/h。

c.分選系統(tǒng)破碎機集塵罩集塵口截面積為1.5×1.5=2.25 m2，集塵口風速按1.0 m/s計算。平均總風量為2.25×1.0×3600×1.15=9315.0 m3/h。

在分選系統(tǒng)塊煤和矸石落料口處各設置鋼制集塵罩1個，共8個。集塵口截面積均為1.0×1.0=1.0 m2，因塊煤和落料口輸送物料含水量較大，集塵口風速按0.5 m/s計算。平均總風量為1.0×0.5×3600×1.15=2070.0 m3/h。即除塵器需處理總風量為18630.0+12420.0+9315.0+2070.0 ×8=56925.0 m3/h。

6）除塵設備選型。分選系統(tǒng)需處理風量為56 925.0 m3/h，因此選擇96-9型氣箱脈沖袋式除塵器1臺，分別處理分選系統(tǒng)振動篩、振動器、破碎機和各下料口處集塵罩收集的粉塵。96-9型氣箱脈沖袋式除塵器的處理風量為60 100 m3/h，過濾面積為836.0 m2，過濾風速為1.2～2.0 m/min，濾袋數(shù)量為864條（防靜電、防水、防油），耗氣量為2.7 m3/min，設備阻力不大于1200 Pa，除塵效率為99.9%，排放濃度不大于10 mg/m3。除塵器選用具有防爆設計的產(chǎn)品，除塵器內(nèi)設有鋁箔防爆閥、電動機采用防爆電動機，收塵器內(nèi)部不能留有堆料死角，設備應有防雷和接地設計[4]。

7）除塵通風管道。

a.集塵罩至除塵器除塵通風管道。

根據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB 50019-2015中附錄K“除塵風管的最小風速”規(guī)定：礦物粉塵垂直風管最小風速為14 m/s，水平管最小風速為16 m/s。

根據(jù)規(guī)范要求、通風量和風管計算，振動篩集塵罩至除塵器除塵通風管道管徑選用φ600 mm鍍鋅圓鋼板風管，壁厚為2.0 mm；振動器集塵罩至除塵器除塵通風管道管徑選用φ500 mm鍍鋅圓鋼板風管，壁厚為2.0 mm；破碎機集塵罩至除塵器除塵通風管道管徑選用φ450 mm鍍鋅圓鋼板風管，壁厚為2.0 mm；各下料口集塵罩至除塵器除塵通風管道管徑選用φ200 mm鍍鋅圓鋼板風管，壁厚為1.5 mm。除塵通風主管管道管徑選用φ1120 mm鍍鋅圓鋼板風管，壁厚為2.0 mm。

b.排氣筒。根據(jù)《煤炭工業(yè)供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計標準》GB/T 50466-2018中規(guī)定：除塵器后風管風速宜取8～14 m/s。根據(jù)規(guī)范要求、通風量和風管計算，排氣筒管徑選用φ1250 mm鍍鋅圓鋼板風管，壁厚為5.0 mm，管道連接采用焊接，焊接處和鍍鋅層破壞處刷防銹漆2道。

8）除塵風機。a.風阻。根據(jù)各風管管徑長度和沿程損失統(tǒng)計，經(jīng)計算最不利點除塵管道和排氣筒沿程損失為732.8 Pa，除塵器阻力為1200 Pa，風閥和局部阻力系數(shù)為0.2?？傦L阻為（732.8+1200）×1.2=2319.36 Pa。b.風量。除塵總風量為56 925.0 m3/h。

9）風機選型。除塵風機選擇4-68NO-10D型防爆除塵風機，轉速為1450 r/min，風機通風量為35 420～61 179 m3/h，全壓為3442～2422 Pa，電動機功率為55.0 kW，電動機采用防爆電動機。

10）其它設備及附件。除塵器旁1.0 m處各設置1套7參數(shù)檢測設備，檢測參數(shù)包括PM2.5、PM10、TSP、溫度、濕度、噪聲和視頻，并應具備聯(lián)網(wǎng)和實時數(shù)據(jù)上傳功能。

除塵器獨立安裝智能電表，智能電表需具備運行狀態(tài)、實時電壓、電流、功率數(shù)據(jù)采集上傳功能。

9 環(huán)境保護

TDS為干選設備，不需要生產(chǎn)用水，生活污水進入污水處理設施處理后，均可進行綜合利用。設備噪聲采取降噪綜合措施。煤矸石全部運往矸石周轉場，生活垃圾采取無害化處理[5]。

10 技術創(chuàng)新點

1）降低人工工作強度，減員增效，節(jié)約成本；2）可實現(xiàn)無人值守，自動化水平高，提高生產(chǎn)效率和精度；3）有效改善生產(chǎn)車間工作環(huán)境，減少對人體健康的損害。

11 經(jīng)濟效益

1）產(chǎn)品質(zhì)量。人工未能分揀出的矸石進入次煤產(chǎn)品，降低了次煤產(chǎn)品的煤質(zhì)；次煤產(chǎn)品需運至馬頭洗選廠及邯鄲洗選廠進一步洗選，增加了無效運輸費用及后續(xù)洗選費用。TDS智能干選機矸石排出率高，可降低無效運輸費用及洗選費用。其中，至洗選廠運輸費用為15 元/t，洗選廠洗選加工費用為30 元/t。

以2016年為例，根據(jù)生產(chǎn)報表、羊東礦試驗預測及現(xiàn)場調(diào)研，增加TDS智能干選機后，大于35 mm的產(chǎn)品每年可排出矸石21.75 萬t，則每年可節(jié)省運費為21.75×15=326.25 萬元/a。每年可節(jié)省洗選廠加工費：21.75×30=652.5 萬元/a。綜上，共計節(jié)省運費及加工費978.75 萬元。

2）提高自動化水平。手選作為選煤的傳統(tǒng)作業(yè)環(huán)節(jié)一直存在工人勞動強度高，工作環(huán)境差（包括噪聲、粉塵）的問題。而TDS智能干選機基本上實現(xiàn)了無人值守，自動化水平高，提高了生產(chǎn)效率與精度的同時，也避免了對人體健康的損害。由于TDS本機配備有除塵系統(tǒng)，這也極大地改善了原煤車間的工作環(huán)境。羊東礦實施智能選矸系統(tǒng)前有手選工人數(shù)量為54人，人員數(shù)量較多。實施智能化選矸系統(tǒng)后，人數(shù)降為10人，按照人均每年工資5 萬元計算，每年可節(jié)省人工費用5×44=220 萬元。

12 應用情況

智能選矸系統(tǒng)投運后，達到了自動化選矸和減人提效的目的，降低了手選工勞動強度，為礦井生產(chǎn)經(jīng)營高質(zhì)量發(fā)展注入了新活力、提供了新動能。