KGX智能選矸機(jī)器人及隨掘隨采隨填充工藝

宋 博，李 偉

(1.陜西中環(huán)機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西 銅川 727000；2.西安重工裝備制造集團(tuán) 陜西 西安 710000)

0 引言

煤炭作為我國主要的一次能源，在國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展中占有極大的比重[1]。但是在煤礦開采過程中矸石外排、地表塌陷嚴(yán)重制約了綠色礦山的開發(fā)與建設(shè)[2-4]。張吉雄等[5]提出了煤礦矸石井下分選協(xié)同原位充填開采方法，可以有效解決矸石回收利用和控制地表塌陷問題。選煤是煤炭加工的一個(gè)關(guān)鍵工序，將原煤中的矸石等雜質(zhì)剔除。當(dāng)前主要的選煤工藝為水洗法，基于煤和矸石的密度不同、表面親疏水性不同等物理屬性差異，實(shí)現(xiàn)煤和矸石分選，但該技術(shù)無法在嚴(yán)重缺水的西北地區(qū)大規(guī)模開展[6]。因此，研制以智能干選系統(tǒng)為核心，達(dá)到隨采隨分隨充填變得極其重要。

1 開采技術(shù)及選煤方法概述

1.1 充填開采技術(shù)

目前，我國煤礦應(yīng)用的充填開采方式包括固體工作面、固體巷道、膏體工作面、覆巖離層注漿、高水以及近年來提出的煤礦矸石井下分選協(xié)同原位充填開采方法(即就近分選+原位充填)[7-9]。主流的充填開采技術(shù)中，一些設(shè)備占用體積大難以滿足井下分選充填使用，充填與開采工藝不相匹配，降低了開采效率，處理成本高，前期建設(shè)投資大。

固體充填：固體充填開采技術(shù)，是將井下采煤、掘進(jìn)及地面洗選過程中產(chǎn)生的矸石，通過機(jī)械破碎，配以粉煤灰、黃土等輔料，利用連續(xù)輸送系統(tǒng)將充填材料輸送至工作面進(jìn)行采后直接充填，并用推壓密實(shí)裝置對(duì)充填物料進(jìn)行推壓密實(shí)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)密實(shí)充填。固體充填具有系統(tǒng)設(shè)備簡單、投資較少、壓縮率大等特點(diǎn)。矸石不出井和壓煤技術(shù)相結(jié)合，既節(jié)省了費(fèi)用，又提高了資源的利用率。為了使減沉的效果更加明顯，可通過利用支架后部壓實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行矸石充填。

膏體充填開采技術(shù)：膏體充填開采技術(shù)是將煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤矸石、電廠產(chǎn)生的粉煤灰、爐渣等固體廢棄物，在地面加工制成膏狀，通過專用泵加壓，利用管道將物料輸送至井下工作面。其成本較高，但減沉效果好[10-11]。

高水充填開采技術(shù)：高水充填所使用的材料相對(duì)比較簡單，并且在填充的過程中采用自流的方式。目前國內(nèi)所使用的高水充填材料，不僅具有良好的流動(dòng)性和滲透性，而且能密實(shí)采空區(qū)冒落帶，可滲透到裂隙帶巖層的大小裂隙中，提高巖體的強(qiáng)度。

煤礦矸石井下分選協(xié)同原位充填開采技術(shù)：煤礦矸石井下分選協(xié)同原位充填開采技術(shù)，是以井下分選為核心圍繞充填開采方法而建立的一種煤炭開發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)了煤炭開采、井下分選和矸石處理全過程高度集約化的井下生產(chǎn)技術(shù)。

1.2 選煤方法

國內(nèi)外采用的選煤方法主要為重介、跳汰、浮選以及干法選煤等[12]。我國地域廣闊，煤炭資源豐富，煤種齊全，煤質(zhì)變化大，因而以上選煤方法均有應(yīng)用。

重介質(zhì)旋流器：重介質(zhì)旋流器是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，是一種結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動(dòng)部件且分選效率高的選煤設(shè)備。在分選過程中，物料和懸浮液以一定壓力沿切線方向給入旋流器，形成強(qiáng)有力的旋渦流；液流從入料口開始沿旋流器內(nèi)壁形成一個(gè)下降的外螺旋流；在旋流器軸心附近形成一股上升的內(nèi)螺旋流；由于內(nèi)螺旋流具有負(fù)壓而吸入空氣，在旋流器軸心形成空氣柱；入料中的精煤隨內(nèi)螺旋流向上，從溢流口排出，矸石隨外螺旋流向下，從底流口排出。

重介質(zhì)分選機(jī)：重介質(zhì)分選機(jī)是根據(jù)阿基米德原理，將被分選原煤在一定密度的懸浮液中按密度差異進(jìn)行分層和分離的設(shè)備。重介質(zhì)分選機(jī)的應(yīng)用范圍較廣，特別是對(duì)難選煤有較好的分選效果。

跳汰機(jī)：跳汰機(jī)選煤法工藝流程簡單、生產(chǎn)能力大、維護(hù)管理方便、生產(chǎn)成本低、分選效率高，一般在90%以上，在處理中等可選性煤時(shí)，也能達(dá)到較好的工藝指標(biāo)，因此在選煤廠設(shè)計(jì)中被較為廣泛地采用。

干選機(jī)：在吸取了美國無風(fēng)干式搖床和俄羅斯風(fēng)選機(jī)的優(yōu)點(diǎn)后，我國研制出了復(fù)合式干法分選機(jī)，對(duì)于缺水地區(qū)、揭煤及遇水易泥化的煤種具有實(shí)際應(yīng)用意義，在我國東北、西北等嚴(yán)寒和干旱地區(qū)的一些小型選煤廠得以應(yīng)用。

浮選機(jī)(柱)：①浮選機(jī)。浮選機(jī)大多是機(jī)械攪拌式的。煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院研發(fā)了XJM-S型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)系列產(chǎn)品，“十五”國家科技攻關(guān)課題研發(fā)的“帶有礦漿預(yù)礦化器的20 m3機(jī)械攪拌式浮選機(jī)”已大面積推廣應(yīng)用；②浮選柱。自20世紀(jì)80年代以來，浮選柱分選技術(shù)取得了重大突破，一批新型浮選柱脫穎而出。近年來又出現(xiàn)幾種結(jié)構(gòu)新穎的浮選柱，如全泡沫浮選柱、美國Deister選礦有限公司的Flotair浮選柱等。

2 KGX智能選矸機(jī)器人研制

2.1 KGX智能選矸機(jī)器人介紹

主體部分及工作原理：KGX智能選矸機(jī)主體部分如圖1所示，該系統(tǒng)是一種基于先進(jìn)成像和人工智能技術(shù)的干法選煤設(shè)備，可利用X射線成像系統(tǒng)獲取物料特征。通過振動(dòng)布料裝置、傳送裝置、雙能X射線與可見光全光譜成像系統(tǒng)、氣選執(zhí)行機(jī)構(gòu)、除塵系統(tǒng)等組合應(yīng)用，高效分離煤矸石等雜質(zhì)，工作原理示意如圖2所示。

圖1 KGX智能選矸機(jī)主體部分

圖2 干選機(jī)分選原理示意

主要功能：自動(dòng)分析識(shí)別出煤和矸石，控制高壓風(fēng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行噴吹，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)原煤分選。處理粒級(jí)為25～150 mm、50～300 mm、100～500 mm；處理能力根據(jù)煤質(zhì)不同為180～280 t/h；排矸率可達(dá)95%，矸中帶煤率小于2%。主機(jī)與控制系統(tǒng)功率20 kW，配套設(shè)備包括振動(dòng)篩、空壓機(jī)、冷干機(jī)(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)物料處理需要配置)，入料出料傳送裝置(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境需要配置)。

2.2 技術(shù)關(guān)鍵

智能干選系統(tǒng)包括給料系統(tǒng)、布料裝置、識(shí)別裝置、分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)4大主要系統(tǒng)。

大自然家居新總部大樓以“N大樓”命名，這一名字源于“大自然”的英文“Nature”的首字母，寓意大自然家居始終秉承“取于自然、還于自然、成于自然”的發(fā)展理念，始終堅(jiān)守“擔(dān)環(huán)保責(zé)任，普健康生活，做健康家居”的企業(yè)使命，為用戶提供綠色、健康、環(huán)保的家居產(chǎn)品。

給料系統(tǒng)：為了控制智能干選機(jī)入料粒度上限，≤500 mm原煤通過式篩分破碎至50～300 mm。破碎后的300～50 mm粒級(jí)首先經(jīng)過分級(jí)環(huán)節(jié)，回收限下末煤，塊煤進(jìn)入智能干選系統(tǒng)，分選后得到塊煤及矸石產(chǎn)品。

布料系統(tǒng)：布料系統(tǒng)是將原煤均勻分布于輸送傳送帶上的布料裝置，由入料槽、振動(dòng)篩、輸送帶緩沖段組成，將煤塊均勻攤開，杜絕疊加，以便X射線對(duì)物料掃描成像。

識(shí)別裝置：①可見光全光譜成像系統(tǒng)。系統(tǒng)將物塊的X射線雙能特征和表面細(xì)致紋理進(jìn)行信息融合處理，采用人工智能圖像識(shí)別技術(shù)逐塊識(shí)別煤與矸，快速生成執(zhí)行動(dòng)作命令，傳輸?shù)礁邏猴L(fēng)執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行噴吹分選，可靠、高效。②深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別系統(tǒng)。通過深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)雙能X射線傳感器/可見光全光譜成像系統(tǒng)獲取的物塊射線特征信息進(jìn)行分析，識(shí)別出煤和矸石，識(shí)別結(jié)果輸出給執(zhí)行子系統(tǒng)。

分選執(zhí)行系統(tǒng)：分選執(zhí)行系統(tǒng)接收深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別系統(tǒng)輸出的分選信號(hào)，通過電磁閥和分選氣缸、噴嘴構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制高壓風(fēng)，在目標(biāo)物料飛行過程中對(duì)物料進(jìn)行噴吹，實(shí)現(xiàn)物料的有效分選。

2.3 優(yōu)勢(shì)對(duì)比

KGX智能選矸機(jī)器人具有X射線探測(cè)裝置、深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別系統(tǒng)、電磁閥控制技術(shù)等優(yōu)勢(shì)，其中基于深度學(xué)習(xí)的AI圖像識(shí)別算法是保證高精度分選關(guān)鍵技術(shù)。

雙能X射線探測(cè)裝置:采用進(jìn)口高性能閃爍體-硅光管雙能X射線探測(cè)器以及單一射源利用濾片吸收的方式實(shí)現(xiàn)雙能探測(cè)，靈敏度、信噪比更高，圖像質(zhì)量更好，且無幾何畸變。

圖像識(shí)別系統(tǒng):圖像識(shí)別是對(duì)圖像進(jìn)行處理、特征提取、分類與識(shí)別的過程。基于深度學(xué)習(xí)的識(shí)別算法，采用成像系統(tǒng)獲取到多通道圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行標(biāo)注建立圖像數(shù)據(jù)集。

電磁閥控制技術(shù):通過控制電磁線圈的發(fā)熱量來延長閥體使用壽命，減少更換頻次，增加分選精度、提升工作效率。

3 井下填充的幾種方法對(duì)比

3.1 綜合機(jī)械化固體充填

綜合機(jī)械化固體充填，可實(shí)現(xiàn)在同一液壓支架掩護(hù)下采煤與充填并行作業(yè)，其工藝包括采煤及充填工藝，設(shè)備布置如圖3所示。其中，采煤、運(yùn)煤系統(tǒng)布置與普通綜采完全相同，不同的是增加了一套充填材料運(yùn)輸系統(tǒng)及夯實(shí)系統(tǒng)。此項(xiàng)技術(shù)中，矸石等固體材料通過運(yùn)矸系統(tǒng)輸送至懸掛在充填支架后頂梁的刮板式充填輸送機(jī)上，再由卸料孔將矸石充填入采空區(qū)，最后經(jīng)充填支架后部的夯實(shí)機(jī)進(jìn)行夯實(shí)。該項(xiàng)充填技術(shù)已在我國發(fā)展多年，目前已在我國十余個(gè)礦井二十余個(gè)工作面應(yīng)用成功，在充填采煤一體化液壓支架、多孔底卸式輸送機(jī)及自移式轉(zhuǎn)載輸送機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的保證下，該技術(shù)已經(jīng)形成了一套完整流暢的工藝。充填材料取自本礦及附近煤礦矸石粉煤灰等固體廢棄物，價(jià)格便宜，成本低。矸石等固體廢棄物處理能力可達(dá)60萬t/a以上。

圖3 綜合機(jī)械化固體充填工作面設(shè)備布置

3.2 膏體充填技術(shù)

膏體充填采煤是將煤礦附近的煤矸石、粉煤灰等固體廢物，輔以水泥和水，在地面或井下加工成無臨界流速、不需脫水的高濃度漿體，利用行業(yè)大型充填工業(yè)泵，通過管道輸送到井下采空區(qū)，適時(shí)進(jìn)行置換采煤的新型采煤方法，如圖4所示。膏體充填采煤如今已經(jīng)成了“三下”采煤的重要組成部分，在各大礦區(qū)均有著廣泛地應(yīng)用。

圖4 膏體充填采煤示意

3.3 漿體充填技術(shù)

漿體充填技術(shù)主要針對(duì)蒙陜礦區(qū)矸石量大、礦井水大等問題，在采空區(qū)黃泥灌漿防滅火和管道輸送技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，將矸石破碎、研磨成微小顆粒，以水為載體，管路為通道，泵為動(dòng)力，將固廢顆粒遷移至井下開采垮落后的殘余空間，如圖5所示。利用“水-砂”混合物在開放空間的沉淀特性及采空區(qū)的過濾能力，使得固廢顆粒滯留于井下廢棄空間，根據(jù)需要將水在特定時(shí)間從低位進(jìn)行回收，達(dá)到對(duì)矸石的處理和對(duì)水資源分區(qū)調(diào)配和重復(fù)利用。

圖5 漿體充填技術(shù)示意

4 隨掘隨采隨填充工藝

4.1 漿體填充的優(yōu)點(diǎn)

立體充填系統(tǒng)包括地面注漿、井下鄰位注漿和井下低位灌漿充填系統(tǒng)，當(dāng)3種系統(tǒng)進(jìn)行充填作業(yè)時(shí)，與工作面的采煤工序相對(duì)獨(dú)立，不存在相互干擾，可實(shí)現(xiàn)充填處理矸石的同時(shí)達(dá)到不影響煤礦正常生產(chǎn)的效果。與膏體和固體充填相比,漿體充填材料運(yùn)輸工藝簡單，有利于提高系統(tǒng)可靠性，減少管道堵塞現(xiàn)象。漿體充填的處理能力、效率及成本可以滿足現(xiàn)代化大型礦井的矸石處理需求。

4.2 技術(shù)難點(diǎn)

漿體充填技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，且具備故障自診、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和一鍵啟停功能，為實(shí)現(xiàn)智慧充填奠定了基礎(chǔ)。但是研磨過程需要時(shí)間較長，一定程度上降低了充填效率；且注漿鉆孔的施工以及灌漿管道的切換主要依靠人工進(jìn)行，智能化程度有所降低。

4.3 工藝流程研究

工藝流程大致為井底煤倉上口→篩分裝置→智能分選系統(tǒng)→制漿系統(tǒng)→輔運(yùn)大巷→工作面采空區(qū)。將地面洗選矸石或井下矸石經(jīng)破碎系統(tǒng)破碎至特定粒級(jí)，通過制漿系統(tǒng)按一定比例與水混合制成漿體，利用泵送系統(tǒng)將制備好的漿體通過輸漿管道直接送至充填區(qū)域，以達(dá)到處理矸石的目的。通過研究，最終形成完善的井下煤矸分選及就地充填一體化生產(chǎn)模式，為井下煤矸分選及就地充填關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施與發(fā)展提供工藝包。

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了利于研究，建設(shè)了綠色智能選矸充填實(shí)驗(yàn)室，并規(guī)劃了固廢充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)。由固廢充填材料破碎篩分系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、給配料系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、管路運(yùn)行系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)7個(gè)子系統(tǒng)組成。可測(cè)試不同配比、流量、管徑(模擬)、管道布置方式、停泵時(shí)間下的直管及彎管壓力損失試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，能夠可視化監(jiān)測(cè)輸送過程管道內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)管壁壓力和電阻率等物理參量的變化，實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、處理、顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制試驗(yàn)曲線，打印試驗(yàn)報(bào)告。

5 結(jié)語

基于KGX智能選矸系統(tǒng)的“采-選-充”一體化的工藝研究為矸石處理提供了一個(gè)全面的、可行的方法，可以將智能分選出的矸石用于井下采空區(qū)充填,實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的規(guī)?；幚?，快速地消耗矸石，減少其對(duì)土地的侵占、對(duì)空氣的影響、對(duì)水資源的破壞等，避免掘進(jìn)矸石堆放造成的環(huán)境污染。該系統(tǒng)可以從根本上解決煤礦開采伴隨著矸石等固廢排放和采場(chǎng)礦壓與地表沉陷控制問題，從源頭上保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,推進(jìn)煤礦綠色開發(fā)，實(shí)現(xiàn)固廢的規(guī)?；幚恚踩⒕G色、高效地解決礦山固廢排放問題，減少地面堆放造成的環(huán)境污染和破壞。