井下煤矸分離系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用

文/孫艷軍

冀中能源峰峰集團(tuán)孫莊礦主要以山青薄煤層開采為主，在掘進(jìn)半煤巖巷道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的矸石。原煤運(yùn)輸過程中，通常連同矸石一同運(yùn)輸?shù)骄?，不僅降低了原煤質(zhì)量，而且增加了井上選矸的負(fù)擔(dān)。為此，孫莊礦通過對井下原煤運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了煤矸在井下自動(dòng)分選，有效解決了掘進(jìn)半煤巖巷道時(shí)的煤矸分離難題，提高了煤質(zhì)，減輕了井上職工選矸的勞動(dòng)強(qiáng)度。

一、系統(tǒng)現(xiàn)狀

孫莊礦井下原煤運(yùn)輸系統(tǒng)通過三條皮帶將原煤運(yùn)送到主煤倉。南翼出煤運(yùn)輸系統(tǒng)由南翼一部皮帶通過南翼一部刮板輸送機(jī)直接進(jìn)入主煤倉；北翼出煤運(yùn)輸系統(tǒng)由北山青一部皮帶直接進(jìn)入主煤倉；北山青出煤系統(tǒng)由北翼一部皮帶直接進(jìn)入主煤倉。三條出煤系統(tǒng)均沒有煤矸分離功能，加之回采、掘進(jìn)工作面出煤時(shí)常有大砟伴隨，造成煤倉內(nèi)煤炭灰分大、原煤煤質(zhì)不高，且時(shí)有棚倉現(xiàn)象發(fā)生。此外，南翼一部皮帶及一部刮板輸送機(jī)各需安排一名專職皮帶司機(jī)，北山青一部皮帶需安排一名專職司機(jī)。在井下限員的影響下，為實(shí)現(xiàn)減人提效，提高煤質(zhì)，亟須對運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造。

二、煤矸分離系統(tǒng)技術(shù)研究

1.技術(shù)分析

通過對井下原煤皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出在井下對原煤運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用動(dòng)篩技術(shù)在井下直接將原煤中的矸石分離后就地處理的設(shè)計(jì)改造方案。對原來的原煤皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造，在北山青一部皮帶東北方向新建造一個(gè)儲(chǔ)矸倉；將南翼皮帶機(jī)頭延長與北山青一部皮帶搭接；通過對巷道進(jìn)行改造，將北翼一部皮帶直接與北山青一部皮帶搭接。這樣，南翼、北翼和北山青三個(gè)地區(qū)的原煤通過三部皮帶最終都匯集到北山青一部皮帶上。

為了將煤與矸石進(jìn)行有效分離，在北山青一部皮帶機(jī)頭安裝一臺(tái)高效率的9軸滾動(dòng)篩及砟皮帶、煤皮帶，南翼、北翼和北山青三個(gè)地區(qū)的原煤通過北山青一部皮帶進(jìn)入滾動(dòng)篩進(jìn)行煤矸分選后，原煤進(jìn)入主煤倉，矸石進(jìn)入儲(chǔ)矸倉，最終實(shí)現(xiàn)煤矸分離。煤矸分離系統(tǒng)運(yùn)行示意圖如圖1所示。

圖1 煤矸分離系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

2.電動(dòng)滾動(dòng)篩設(shè)備選型設(shè)計(jì)

根據(jù)孫莊礦巷道的限制條件，主要設(shè)備滾動(dòng)篩要求體積相對較小、整體結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)使用過的其他滾動(dòng)篩的經(jīng)驗(yàn)，選擇獨(dú)特的9軸單軸式驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)篩，其寬度為1500mm，長度為2400mm，允許最大進(jìn)口粒度為500mm，單機(jī)裝機(jī)功率為7.5kW，總裝機(jī)功率為9×7.5kW。

滾動(dòng)篩處理量的計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式：

×0.75=371t/h ＞300t/h（該出煤系統(tǒng)最大運(yùn)量為300t/h），處理能力滿足該出煤系統(tǒng)生產(chǎn)要求。式中：q—滾動(dòng)篩的處理量，t/h；

φ—有效篩分面積系數(shù)（單層或多層篩的上層篩面，φ=0.8～0.9），此處取0.8；

A—滾動(dòng)篩面有效面積，m2；經(jīng)計(jì)算為3.6m2；

q0—單位篩分面積容積處理量，m3/（m2·h）；取值為76；

ρs— 煤矸石松散密度；取值為1.3t/m3；

K1～K8—滾動(dòng)篩9軸間影響因素修正系數(shù)，計(jì)算中分別取值為：1.7、0.96、1、1.5、0.89、1、0.8、0.75。

三、北翼改造巷皮帶輸送機(jī)選型設(shè)計(jì)

北翼改造巷皮帶輸送機(jī)負(fù)責(zé)將北翼一部皮帶的原煤轉(zhuǎn)運(yùn)至北山青一部主運(yùn)皮帶上，因此，滿足北翼一部主運(yùn)皮帶的運(yùn)輸量Q=300t/h即可。該皮帶輸送機(jī)的運(yùn)輸長度L=230m，傾角β＝5°，初選運(yùn)行速度V=2m/s，帶寬B=800mm。

1.傳動(dòng)滾筒圓周力計(jì)算

式中：F—傳動(dòng)滾筒圓周力，N；

CN—附加阻力系數(shù)，CN=1.17；

f—運(yùn)行阻力系數(shù)，f=0.03；

qt—承載、回空托輥組轉(zhuǎn)動(dòng)部分單位長度質(zhì)量，qt=11.98kg/m；

q0—輸送帶單位長度的質(zhì)量，q0=12.32kg/m；

g—重力加速度，g=9.81m/s2；

q—每米輸送帶上的物料重量，q=Q/3.6V=300/（3.6×2）＝41.66kg/m；

H—皮帶提升垂直高度，

2.傳動(dòng)滾筒運(yùn)行功率計(jì)算

式中：P—傳動(dòng)滾筒運(yùn)行功率，kW；

F —傳動(dòng)滾筒的圓周力，14318.77N；

V—運(yùn)行速度，2m/s。

3.驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

式中：PM—驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率，kW；

P—傳動(dòng)滾筒運(yùn)行功率，28.63kW；

η—驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率，取1；

ζ—驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正功率運(yùn)行時(shí)的傳動(dòng)效率，取0.9；

ζ1—驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)功率運(yùn)行時(shí)的傳動(dòng)效率，取0.95。

根據(jù)計(jì)算，選用2臺(tái)額定功率為40kW的永磁滾筒電動(dòng)機(jī)。通過輸送帶張力和皮帶懸垂度與強(qiáng)度校核，證明在所給條件下可以使用SD-80型吊掛式皮帶輸送機(jī)，用兩臺(tái)40kW永磁滾筒電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)可滿足使用要求。

四、運(yùn)煤和運(yùn)砟皮帶輸送機(jī)選型

根據(jù)現(xiàn)場需要及卸煤和卸矸高度要求，兩部皮帶輸送機(jī)選擇帶速V=0.8m/s，帶寬B=800mm，運(yùn)輸量分別為Q=200t/h（運(yùn)量滿足需要）。

運(yùn)煤皮帶長度L=25m，經(jīng)過計(jì)算，選用1臺(tái)額定功率為18.5kW的永磁滾筒電動(dòng)機(jī)可滿足運(yùn)輸要求。

運(yùn)砟皮帶長度L=12m，經(jīng)過計(jì)算，選用1臺(tái)額定功率為11kW的永磁滾筒電動(dòng)機(jī)可滿足運(yùn)輸要求。

五、具體實(shí)施

在井下北山青一部皮帶東北方向新建造一處儲(chǔ)矸倉，專門收集分選出來的矸石，矸石通過砟皮帶輸送到砟倉后再進(jìn)行處理。將南翼皮帶機(jī)頭進(jìn)行延長，改變原來的原煤輸送路線，把南翼一部刮板輸送機(jī)拆除，直接將南翼皮帶與北山青一部皮帶搭接，將原煤輸送到北三青一部皮帶后，再送入煤倉。在北翼一部皮帶東北側(cè)方向新掘進(jìn)一條長230米的巷道，鋪設(shè)一條北翼改造巷皮帶，也與北山青一部皮帶搭接，改變原來的北翼原煤運(yùn)輸路線，將原煤轉(zhuǎn)運(yùn)到北山青一部皮帶后，再送入煤倉。

為了將南翼、北翼及北山青三條運(yùn)輸系統(tǒng)的原煤進(jìn)行煤矸分離，對原煤匯集到一起的北山青一部皮帶進(jìn)行改造，將北山青一部皮帶機(jī)頭縮短，與主煤倉之間留出空間，安裝一臺(tái)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的9軸可變傾角結(jié)構(gòu)滾動(dòng)篩，北山青一部皮帶上的原煤進(jìn)入滾動(dòng)篩進(jìn)行自動(dòng)分選，分選出的原煤通過安裝在滾動(dòng)篩下方的煤皮帶送入主煤倉，大塊矸石通過滾動(dòng)篩機(jī)頭的砟皮帶，被運(yùn)輸?shù)巾膫}進(jìn)行處理。

通過對三個(gè)地區(qū)的主運(yùn)皮帶改造，安裝滾動(dòng)篩及砟皮帶、煤皮帶，對煤矸進(jìn)行機(jī)械化自動(dòng)分離，最終實(shí)現(xiàn)煤矸無人化分選。

六、應(yīng)用效果

孫莊礦通過對井下原煤運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了煤矸在井下自動(dòng)分選，分離后的矸石直接在井下回填，解決了煤矸分離難題。通過該分離系統(tǒng)，把粒度為150mm以上的矸石篩出，使半煤巖巷掘進(jìn)生產(chǎn)的原煤灰分降低了15%以上，原煤總灰分降低了4%以上，噸煤售價(jià)提高了60元～120元，同時(shí)減輕了井上選矸的負(fù)擔(dān)和職工勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。