井下選煤排矸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

王新民，夏云凱

(1.蒙泰集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.唐山神州機(jī)械集團(tuán)有限公司；3.河北省煤炭干法加工裝備工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063001)

1 井下排矸的意義

煤礦井下排矸與充填一體化技術(shù)是一項(xiàng)煤礦安全綠色開采和煤炭清潔高效利用的具體工程實(shí)踐。該技術(shù)首先符合煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保政策。井下矸石充填可以有效控制地面沉陷，減少耕地?fù)p毀，是煤矸石綜合利用的有效途徑[1]。其次，有利于煤礦節(jié)能降耗。矸石直接在井下用于充填開采，可減少矸石提升能耗和地面無效運(yùn)輸。第三，可以提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益。井下排矸可提高升井原煤質(zhì)量，節(jié)約矸石運(yùn)輸成本。預(yù)排矸也間接擴(kuò)充了優(yōu)質(zhì)煤產(chǎn)能，提高了商品煤數(shù)質(zhì)量和銷售價(jià)格。

2 井下排矸工藝特點(diǎn)

目前已經(jīng)投入使用的井下煤矸分離工藝主要有3種：濕法重介淺槽分選工藝、動(dòng)篩跳汰分選工藝和X射線分選機(jī)工藝。

2.1 重介淺槽排矸工藝

重介淺槽分選機(jī)主要由槽體、介質(zhì)給料管道、排矸刮板及其驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。重介淺槽分選工藝?yán)镁_配置的一定密度的重介懸浮液來分離煤和矸石。小于介質(zhì)密度的輕產(chǎn)物會(huì)漂浮在上方并隨流動(dòng)的介質(zhì)流過溢流堰，成為精煤產(chǎn)品；大于介質(zhì)密度的物料會(huì)沉到重介分選槽的下部，由低速度的鏈刮板運(yùn)出淺槽，成為矸石。重介淺槽分選機(jī)在大型和特大型動(dòng)力煤選煤廠中應(yīng)用范圍比較廣泛。

重介淺槽分選機(jī)入料粒度較寬，通常為300～13 mm，個(gè)別情況下入料粒度下限可達(dá)6 mm。重介淺槽分選塊煤時(shí)精度較高，隨著入料粒度變細(xì)和分選密度提高，分選精度逐漸下降(Ep值提高)。其分選可能偏差Ep值一般在0.015～0.05 kg/L范圍內(nèi)，分選數(shù)量效率大于98.5%，矸石帶煤可小于3%。該設(shè)備對(duì)原煤數(shù)質(zhì)量波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)，不受原煤表面水分影響。物料在淺槽分選機(jī)中的分選時(shí)間短，分選過程平穩(wěn)，分選過程對(duì)矸石及塊精煤的破碎量小，次生煤泥量低，可一定程度減輕矸石泥化的影響。

重介淺槽井下排矸工藝的主要缺點(diǎn)：

(1)不能高密度排矸。為了滿足懸浮液流變特性和穩(wěn)定性的雙重要求，重懸浮液的固體體積濃度應(yīng)控制在15%～35%。介質(zhì)回收系統(tǒng)的磁選精礦密度只有2.0～2.1 kg/L，高密度懸浮液的制備、特別是維持穩(wěn)定非常困難。當(dāng)要求分選密度大于1.75 kg/L時(shí)，必須嚴(yán)格控制重介懸浮液中的煤泥含量低于20%。而對(duì)易泥化煤的分選來說，懸浮液中固相煤泥含量較高，一般達(dá)到30%以上，高灰細(xì)泥難以完全用磁選機(jī)去除，因此所配置的介質(zhì)最高密度一般低于1.7 kg/L，即便勉強(qiáng)達(dá)到1.75 kg/L以上，重介淺槽分選介質(zhì)密度也難以穩(wěn)定，易分層沉淀。同時(shí)由于介質(zhì)粘度太高，分選精度也很差。因此易泥化煤分選時(shí)一般為易選煤，要求工作懸浮液密度一般在1.8 kg/L以上即可達(dá)到要求。但受煤泥含量影響，實(shí)際井下重介排矸的分選密度大多在1.4～1.6 kg/L左右，造成矸石灰分偏低。因此易泥化煤不適合采用重介淺槽分選。

(2)末煤分選精度低。對(duì)小于13 mm 粒級(jí)末煤的分選效果不如重介質(zhì)旋流器，井下排矸一般入料粒度下限為30 mm或更高。

(3)不能杜絕水洗煤泥。即使是塊煤排矸，也需要配置煤泥水處理系統(tǒng)，分選極易泥化煤時(shí)，煤泥產(chǎn)品產(chǎn)量可達(dá)到入料量的5%左右。

(4)排矸能力受制約。重介淺槽采用刮板運(yùn)輸機(jī)排矸，刮板的寬度、高度以及運(yùn)行速度決定其排矸能力。淺槽原煤入料中一般最大含矸率不應(yīng)超過40%，否則必須降低原煤處理量。

(5)系統(tǒng)復(fù)雜，投資大。需要配備煤泥水處理系統(tǒng)、重介質(zhì)回收凈化系統(tǒng)，設(shè)備布置及巷道布置復(fù)雜，增加了系統(tǒng)投資。

2.2 動(dòng)篩跳汰排矸工藝

動(dòng)篩跳汰分選工藝以水為介質(zhì)，水介質(zhì)相對(duì)靜止，篩板上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，置于篩板上的塊原煤隨篩板實(shí)現(xiàn)揚(yáng)起、下降、松散和吸墜作用，因水介質(zhì)的阻尼作用，密度高的矸石先于塊煤沉降在床層的下部，密度低的塊煤漂浮在床層的上部。床層隨篩板搖動(dòng)向前移動(dòng)，兩者通過不同的排料通道排出分選區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)煤矸分離。該工藝具有入料粒度范圍寬，分選密度高，分選精度略差和系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)。分選效果受塊原煤粒度大小影響很大，最佳入選粒度范圍一般為300～50 mm。分選密度大于1.8 kg/L，適合易選煤高密度分選。分選精度低于重介選，分選效率只有85%～90%，原煤為難選煤時(shí)，矸中帶煤可達(dá)到20%。

2.3 X射線智能干選工藝

X射線智能分選方法是基于X射線穿透不同密度礦物的衰減程度不同這一原理，通過X射線源對(duì)運(yùn)輸膠帶上的煤和矸石進(jìn)行透射，由探測(cè)器采集和轉(zhuǎn)換衰減后的射線信號(hào)，并進(jìn)行成像處理和礦物識(shí)別。整個(gè)分選控制系統(tǒng)由檢測(cè)部分、識(shí)別部分和分選部分組成。分選部分設(shè)計(jì)控制終端與壓縮空氣氣閥之間的連接和控制，實(shí)現(xiàn)矸石或煤塊的擊打操作。設(shè)備采用高靈敏度探測(cè)器，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)97%以上，X射線智能分選設(shè)備用于塊煤分選，可取代人工手選，特別適合大塊煤分選，可代替300～80 mm塊煤人工撿矸。該分選方法不受原煤水分影響，煤易選且矸石含量大時(shí)，矸石帶煤率1%～3%；塊煤分選精度和跳汰相近，但低于重介分選。該分選工藝不用水，無需煤泥水系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量少，關(guān)聯(lián)銜接點(diǎn)少，設(shè)備寬度和高度低，適合井下運(yùn)行。與濕法分選相比，該工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資省，運(yùn)行成本低，建設(shè)周期短。缺點(diǎn)是原煤可選性變差或入料粒度下限低于50 mm時(shí)，矸石帶煤量較大，特別是不適合小于25 mm末煤分選，而且單通道處理能力低。

3 井下煤矸分選工藝應(yīng)用情況

近年來一些選煤設(shè)備研發(fā)企業(yè)對(duì)煤礦井下選煤設(shè)備進(jìn)行了探索應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)行了小規(guī)模嘗試和應(yīng)用。楊康等使用普通空氣跳汰機(jī)在冀中能源邢東煤礦成功地對(duì)30～200 mm塊煤進(jìn)行了分選[2-4]；而動(dòng)篩跳汰機(jī)適合更寬粒級(jí)如25～400 mm 級(jí)塊煤的處理[5]，不過在實(shí)際應(yīng)用過程中都需要提高分選下限至50 mm。如新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊礦和開灤礦業(yè)集團(tuán)唐山礦，分別在2009年和2013年采用動(dòng)篩跳汰工藝對(duì)50～300 mm塊煤進(jìn)行分選[6-7]，提高了入料粒度下限。2010 年，新汶礦業(yè)集團(tuán)濟(jì)陽煤礦、翟鎮(zhèn)煤礦井下重介淺槽25～300 mm塊煤排矸系統(tǒng)先后建成并投入使用[8-9]，提高了排矸精度。為降低分選粒度下限，王娜等提出采用兩產(chǎn)品重介旋流器井下排矸[5]，但仍需建設(shè)地面煤泥水處理系統(tǒng)。邢成國等對(duì)選擇性破碎機(jī)、動(dòng)篩跳汰機(jī)和重介淺槽分選機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為重介分選具有精度高的特點(diǎn)[8]。跳汰機(jī)排矸需要設(shè)置原煤緩沖倉，對(duì)入料粒度上限也需嚴(yán)格控制[10]。基于射線分選的智能干選技術(shù)于2018年開始在王樓等礦使用，和濕法分選相比優(yōu)勢(shì)明顯，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無需煤泥水系統(tǒng)，但也僅僅限于分選大于50 mm塊煤[11]。

重介淺槽、動(dòng)篩跳汰和智能干選排矸工藝主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 各井下排矸工藝典型應(yīng)用案例對(duì)比

(1)內(nèi)蒙古李家塔煤礦采用井下動(dòng)篩跳汰機(jī)分選大于50 mm塊煤，動(dòng)篩跳汰設(shè)備分選能力為450 t/h。根據(jù)初步設(shè)計(jì)，工程概算投資6 100萬元，測(cè)算井下塊煤分選加工費(fèi)(含人工、電費(fèi)、材料、折舊、維簡(jiǎn)等)為18.0元/t。

(2)新礦集團(tuán)新巨龍煤礦使用重介淺槽分選大于100 mm塊原煤，分選能力為500 t/h，固定資產(chǎn)投資5 600萬元。目前各系統(tǒng)運(yùn)行正常，井下塊煤分選加工費(fèi)(含人工、電費(fèi)、材料、折舊、維簡(jiǎn)等)為34元/t。

(3)濟(jì)寧二號(hào)煤礦井下X射線智能煤矸分離系統(tǒng)核定生產(chǎn)能力為353萬t/a，采用X射線智能分選機(jī)處理大于50 mm塊煤，處理能力為200 t/h。井下干選系統(tǒng)主要設(shè)備包括：X射線干選機(jī)、滾軸篩、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī)等。初步測(cè)算基建投資1 800萬元，井下塊煤分選加工費(fèi)(含人工、電費(fèi)、材料、折舊、維簡(jiǎn)等)測(cè)算為10.5元/t。

(4)臨礦王樓煤礦設(shè)計(jì)能力130萬t/a，煤質(zhì)為氣肥煤。滾軸篩分級(jí)后，50～300 mm 篩上物進(jìn)入智能干選機(jī)分選，最大產(chǎn)量450 t/h，50 mm以上塊煤達(dá)到30%，計(jì)140 t/h。干法分選精度：煤中帶矸、矸中帶煤率都在3%以內(nèi)。干選系統(tǒng)總投資約1 200萬元，實(shí)際井下塊煤分選加工費(fèi)受原煤粒級(jí)、處理量等影響，平均約為12元/t。由此可見，干選工藝投資和加工費(fèi)和水洗對(duì)比有顯著優(yōu)勢(shì)。

4 井下濕法排矸現(xiàn)狀及存在的問題

重介質(zhì)淺槽分選機(jī)分選精度和分選效率均高于動(dòng)篩跳汰分選工藝。在地面選煤廠塊煤分選系統(tǒng)中，重介淺槽分選工藝應(yīng)用較為廣泛和成熟，逐步替代了動(dòng)篩跳汰分選工藝。井下重介淺槽分選工藝在山東新礦集團(tuán)新巨龍煤礦的應(yīng)用有一定代表性，井下動(dòng)篩跳汰分選工藝在新礦協(xié)莊煤礦、臨礦新嶧煤礦等一些煤礦井下進(jìn)行了應(yīng)用，但濕法分選系統(tǒng)較為復(fù)雜，應(yīng)用中存在一些共同問題。

4.1 易泥化煤難以分選

關(guān)于矸石泥化對(duì)煤泥水處理帶來的危害和困難早已公認(rèn)。隨著煤炭機(jī)械化開采程度的提高，原煤中6 mm 以下的末煤含量大幅度提升，如果采用濕法井下分選小于25 mm末煤工藝，需要配置龐大復(fù)雜的煤泥水處理系統(tǒng)。即使只分選大于50 mm塊煤產(chǎn)品，煤泥水處理也很困難，會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的煤泥產(chǎn)品，而在井下建設(shè)龐大的煤泥水系統(tǒng)是不切實(shí)際的。因此易泥化煤的分選不適合采用濕法井下排矸工藝。

4.2 水分對(duì)精煤熱值的影響

煤炭灰分和水分直接影響動(dòng)力煤發(fā)熱量。濕法分選雖然降低了產(chǎn)品灰分，但同時(shí)也增加了產(chǎn)品水分。水分除對(duì)產(chǎn)品發(fā)熱量有影響外，還會(huì)影響商品煤的計(jì)價(jià)數(shù)量。塊煤濕法分選時(shí)，水分可增加2%～4%，對(duì)低階煤來說可增加2%～8%。

4.3 高灰煤對(duì)選煤設(shè)備的危害性

過量矸石進(jìn)入重介淺槽會(huì)制約重介淺槽的處理能力，甚至造成停機(jī)事故，嚴(yán)重影響分選效果和生產(chǎn)能力。重介質(zhì)選煤系統(tǒng)要采用許多管路和溜槽連接，介質(zhì)均需用泵輸送。矸石顆粒越多，產(chǎn)生的沖擊和磨損越嚴(yán)重，維修費(fèi)用越高。

4.4 末煤分選困難

隨著采煤機(jī)械化的發(fā)展，末煤含量越來越大，一般均達(dá)到原煤的70%，甚至更高，而井下塊煤淺槽重介分選機(jī)實(shí)際分選粒度下限一般為50 mm，動(dòng)篩跳汰機(jī)分選下限為30 mm。受煤泥水系統(tǒng)的制約，井下排矸系統(tǒng)一般只處理大于50 mm塊煤，占原煤大多數(shù)的小于50 mm末煤不能得到分選。

X射線分選機(jī)雖然克服了以上水洗工藝的弊端，具有適應(yīng)范圍廣，不增加精煤水分等優(yōu)勢(shì)，但入選下限仍為50 mm左右，也不能對(duì)占大多數(shù)的末煤進(jìn)行分選，同時(shí)單通道處理能力偏低。為提高井下原煤入選量，達(dá)到深度排矸的目的，必須開發(fā)井下末煤干選系統(tǒng)。

5 復(fù)合式干選機(jī)簡(jiǎn)介

復(fù)合式干法選煤技術(shù)是中國獨(dú)創(chuàng)的一項(xiàng)新型實(shí)用技術(shù)。經(jīng)過近20 a持續(xù)研發(fā)，復(fù)合式干法選煤技術(shù)在分選精度、自動(dòng)化水平、設(shè)備可靠性和環(huán)保效果等方面取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。該技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用完全符合保護(hù)水資源、保護(hù)環(huán)境、節(jié)能、資源綜合利用及發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)等各項(xiàng)國家經(jīng)濟(jì)、環(huán)境技術(shù)政策。復(fù)合式干法選煤設(shè)備已經(jīng)形成系列化產(chǎn)品，處理能力10～1 000 t/h，可滿足不同規(guī)模煤炭企業(yè)的需求。我國目前已經(jīng)陸續(xù)建設(shè)了一批大型示范型干選工程項(xiàng)目，如處理80～0 mm混煤的6.0 Mt/a榆樹井選煤廠，處理30～0 mm末煤的9.0 Mt/a上海廟一號(hào)井選煤廠，分選13～0 mm末煤的0.9 Mt/a高山選煤廠，分選80～30 mm塊煤的東歡坨選煤廠，以及采用X射線智能分選機(jī)和復(fù)合式干選機(jī)結(jié)合處理300～0 mm全粒級(jí)的2.4 Mt/a霍林河南露天選煤廠。

井下排矸采用復(fù)合式風(fēng)選設(shè)備可以避免上述3種井下排矸工藝的弊端，主要優(yōu)點(diǎn)包括：

(1)有效分選粒級(jí)范圍寬。分選混煤時(shí)，有效分選粒級(jí)范圍為100～3 mm，單獨(dú)分選末煤時(shí)，分選粒度范圍為25～1 mm，可基本實(shí)現(xiàn)全粒級(jí)原煤井下排矸。

(2)分選精度滿足動(dòng)力煤排矸需求。普通復(fù)合式干選機(jī)排矸的分選數(shù)量效率為90%以上，可能偏差Ep在0.15～0.25 kg/L，可以滿足動(dòng)力煤排矸和煉焦煤預(yù)排矸的需求。

(3)適合易泥化煤分選。干選過程不用水，不產(chǎn)生煤泥產(chǎn)品，精煤水分低于濕法分選的精煤產(chǎn)品。

(4)成本低。復(fù)合式干選工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備臺(tái)數(shù)少，管理方便，節(jié)省投資，運(yùn)營(yíng)成本低。

6 全粒級(jí)井下干法排矸工藝

圖1 井下干法分選排矸工藝流程示意

通過對(duì)各種排矸工藝比較后，結(jié)合復(fù)合式干選機(jī)的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定優(yōu)化后的井下干法排矸工藝方案，其工藝流程如圖 1 所示。來自礦井的原煤經(jīng)300 mm分級(jí)，小于300 mm被直接輸送至井下原煤緩沖倉，300 mm以上的塊煤經(jīng)過破碎后再進(jìn)緩沖倉。緩沖倉出來的原煤經(jīng)過80 mm分級(jí)，80 mm 以上的塊煤進(jìn)入X射線分選機(jī)；如果小于80 mm的原煤水分不大，松散性良好，則可全部進(jìn)入復(fù)合式干選機(jī)分選；如此部分原煤水分較高，粘度大，難以直接干選，可對(duì)小于80 mm原煤進(jìn)行6 mm脫粉，只對(duì)80～6 mm篩上物進(jìn)行干選。 X射線分選機(jī)選出的塊精煤產(chǎn)品、復(fù)合式干選機(jī)的精煤和小于6 mm煤粉混合作為精煤升井銷售，所有干選矸石破碎后直接井下回填。該工藝流程主要特點(diǎn)：

(1)實(shí)現(xiàn)300～6 mm或300～0 mm寬粒級(jí)分選，實(shí)現(xiàn)了深度排矸，將大多數(shù)矸石排在井下。 精煤升井后直接作為產(chǎn)品銷售，或者分選后只出精煤和中煤產(chǎn)品，地面不出矸石，可消滅地面矸石山。

(2)干選不用水，杜絕了水洗煤泥產(chǎn)品，井下不需要設(shè)置煤泥水系統(tǒng)。

(3)大于6 mm粒級(jí)的分選精度接近跳汰，分選后不增加精煤水分，可以滿足動(dòng)力煤分選需求。

(4)空間需求小于水洗系統(tǒng)，利于井下硐室布置，投資和加工費(fèi)遠(yuǎn)低于水洗。

7 復(fù)合式風(fēng)選設(shè)備下井亟待解決的問題

目前復(fù)合式風(fēng)選設(shè)備下井仍然面臨一些亟待解決的問題。在地面選煤廠的分選模塊體積較大，到井下轉(zhuǎn)運(yùn)困難，要占用較大硐室；井下風(fēng)選主機(jī)設(shè)備需要采用小型化、拼裝式設(shè)計(jì)；小型化模塊化設(shè)備需要采用并列布置，對(duì)輔助系統(tǒng)采用蛇形布置，以節(jié)省硐室空間；需要對(duì)風(fēng)選除塵系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用新的除塵方法和系統(tǒng)，不排除使用濕式除塵器，對(duì)自凈空氣循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)清風(fēng)選煤，不影響井下通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)選除塵系統(tǒng)和礦井通風(fēng)的銜接和粉塵井下超低排放。充分利用硐室，如將硐室當(dāng)作除塵設(shè)備外殼，可節(jié)省土建投資?？山梃b露天礦坑內(nèi)干法排矸經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)X射線+風(fēng)選的全粒級(jí)干選工藝。

我國應(yīng)大力發(fā)展煤礦井下高效深度排矸和矸石充填技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采選充填工藝的經(jīng)濟(jì)可行。有關(guān)管理部門也應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)環(huán)保優(yōu)惠政策，大力支持和推動(dòng)井下排矸技術(shù)的發(fā)展。

8 結(jié) 語

在井下排矸項(xiàng)目建設(shè)中，選用何種工藝和設(shè)備應(yīng)視其煤種、可選性、矸石泥化程度和產(chǎn)品用途等因素而定。選擇分選粒度寬、最經(jīng)濟(jì)、最合理的工藝和設(shè)備是實(shí)現(xiàn)井下采、選、充填一體化的關(guān)鍵。在易選煤分選方面，干選工藝具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、無煤泥水系統(tǒng)、生產(chǎn)成本低、設(shè)備磨損小、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，有著濕法分選無法替代的優(yōu)勢(shì)。復(fù)合式風(fēng)選在動(dòng)力煤分選方面，入料粒度范圍可達(dá)0～100 mm，有著分選下限低、入選比例高、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)靈活、不用添加重介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。將復(fù)合式分選和X射線分選設(shè)備結(jié)合可以進(jìn)行0～300 mm寬粒級(jí)分選，實(shí)現(xiàn)深度排矸，徹底消滅地面矸石山，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。