王新民，夏云凱

(1.蒙泰集團有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.唐山神州機械集團有限公司；3.河北省煤炭干法加工裝備工程技術研究中心，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是一項煤礦安全綠色開采和煤炭清潔高效利用的具體工程實踐。該技術首先符合煤炭工業(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，減少耕地損毀，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輸。第三，可以提高煤礦經(jīng)濟效益。井下排矸可提高升井原煤質(zhì)量，節(jié)約矸石運輸成本。預排矸也間接擴充了優(yōu)質(zhì)煤產(chǎn)能，提高了商品煤數(shù)質(zhì)量和銷售價格。

2 井下排矸工藝特點

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、動篩跳汰分選工藝和X射線分選機工藝。

2.1 重介淺槽排矸工藝

重介淺槽分選機主要由槽體、介質(zhì)給料管道、排矸刮板及其驅(qū)動裝置等部分組成。重介淺槽分選工藝利用精確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)物會漂浮在上方并隨流動的介質(zhì)流過溢流堰，成為精煤產(chǎn)品；大于介質(zhì)密度的物料會沉到重介分選槽的下部，由低速度的鏈刮板運出淺槽，成為矸石。重介淺槽分選機在大型和特大型動力煤選煤廠中應用范圍比較廣泛。

重介淺槽分選機入料粒度較寬，通常為300～13 mm，個別情況下入料粒度下限可達6 mm。重介淺槽分選塊煤時精度較高，隨著入料粒度變細和分選密度提高，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%。該設備對原煤數(shù)質(zhì)量波動適應性強，不受原煤表面水分影響。物料在淺槽分選機中的分選時間短，分選過程平穩(wěn)，分選過程對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：

(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。當要求分選密度大于1.75 kg/L時，必須嚴格控制重介懸浮液中的煤泥含量低于20%。而對易泥化煤的分選來說，懸浮液中固相煤泥含量較高，一般達到30%以上，高灰細泥難以完全用磁選機去除，因此所配置的介質(zhì)最高密度一般低于1.7 kg/L，即便勉強達到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以上即可達到要求。但受煤泥含量影響，實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。對小于13 mm 粒級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，煤泥產(chǎn)品產(chǎn)量可達到入料量的5%左右。

(4)排矸能力受制約。重介淺槽采用刮板運輸機排矸，刮板的寬度、高度以及運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超過40%，否則必須降低原煤處理量。

(5)系統(tǒng)復雜，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)，設備布置及巷道布置復雜，增加了系統(tǒng)投資。

2.2 動篩跳汰排矸工藝

動篩跳汰分選工藝以水為介質(zhì)，水介質(zhì)相對靜止，篩板上下往復運動，置于篩板上的塊原煤隨篩板實現(xiàn)揚起、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。床層隨篩板搖動向前移動，兩者通過不同的排料通道排出分選區(qū)，從而實現(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)復雜等特點。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，矸中帶煤可達到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射線源對運輸膠帶上的煤和矸石進行透射，由探測器采集和轉(zhuǎn)換衰減后的射線信號，并進行成像處理和礦物識別。整個分選控制系統(tǒng)由檢測部分、識別部分和分選部分組成。分選部分設計控制終端與壓縮空氣氣閥之間的連接和控制，實現(xiàn)矸石或煤塊的擊打操作。設備采用高靈敏度探測器，識別準確率高達97%以上，X射線智能分選設備用于塊煤分選，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，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)，設備數(shù)量少，關聯(lián)銜接點少，設備寬度和高度低，適合井下運行。與濕法分選相比，該工藝系統(tǒng)簡單，投資省，運行成本低，建設周期短。缺點是原煤可選性變差或入料粒度下限低于50 mm時，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用情況

近年來一些選煤設備研發(fā)企業(yè)對煤礦井下選煤設備進行了探索應用和技術創(chuàng)新，進行了小規(guī)模嘗試和應用。楊康等使用普通空氣跳汰機在冀中能源邢東煤礦成功地對30～200 mm塊煤進行了分選[2-4]；而動篩跳汰機適合更寬粒級如25～400 mm 級塊煤的處理[5]，不過在實際應用過程中都需要提高分選下限至50 mm。如新汶礦業(yè)集團協(xié)莊礦和開灤礦業(yè)集團唐山礦，分別在2009年和2013年采用動篩跳汰工藝對50～300 mm塊煤進行分選[6-7]，提高了入料粒度下限。2010 年，新汶礦業(yè)集團濟陽煤礦、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]，但仍需建設地面煤泥水處理系統(tǒng)。邢成國等對選擇性破碎機、動篩跳汰機和重介淺槽分選機進行了對比，認為重介分選具有精度高的特點[8]。跳汰機排矸需要設置原煤緩沖倉，對入料粒度上限也需嚴格控制[10]?；谏渚€分選的智能干選技術于2018年開始在王樓等礦使用，和濕法分選相比優(yōu)勢明顯，系統(tǒng)簡單，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、動篩跳汰和智能干選排矸工藝主要經(jīng)濟技術指標對比見表1。

表1 各井下排矸工藝典型應用案例對比

(1)內(nèi)蒙古李家塔煤礦采用井下動篩跳汰機分選大于50 mm塊煤，動篩跳汰設備分選能力為450 t/h。根據(jù)初步設計，工程概算投資6 100萬元，測算井下塊煤分選加工費(含人工、電費、材料、折舊、維簡等)為18.0元/t。

(2)新礦集團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)運行正常，井下塊煤分選加工費(含人工、電費、材料、折舊、維簡等)為34元/t。

(3)濟寧二號煤礦井下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)主要設備包括：X射線干選機、滾軸篩、破碎機、轉(zhuǎn)載帶式輸送機等。初步測算基建投資1 800萬元，井下塊煤分選加工費(含人工、電費、材料、折舊、維簡等)測算為10.5元/t。

(4)臨礦王樓煤礦設計能力130萬t/a，煤質(zhì)為氣肥煤。滾軸篩分級后，50～300 mm 篩上物進入智能干選機分選，最大產(chǎn)量450 t/h，50 mm以上塊煤達到30%，計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，實際井下塊煤分選加工費受原煤粒級、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和水洗對比有顯著優(yōu)勢。

4 井下濕法排矸現(xiàn)狀及存在的問題

重介質(zhì)淺槽分選機分選精度和分選效率均高于動篩跳汰分選工藝。在地面選煤廠塊煤分選系統(tǒng)中，重介淺槽分選工藝應用較為廣泛和成熟，逐步替代了動篩跳汰分選工藝。井下重介淺槽分選工藝在山東新礦集團新巨龍煤礦的應用有一定代表性，井下動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行了應用，但濕法分選系統(tǒng)較為復雜，應用中存在一些共同問題。

4.1 易泥化煤難以分選

關于矸石泥化對煤泥水處理帶來的危害和困難早已公認。隨著煤炭機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，會產(chǎn)生一定數(shù)量的煤泥產(chǎn)品，而在井下建設龐大的煤泥水系統(tǒng)是不切實際的。因此易泥化煤的分選不適合采用濕法井下排矸工藝。

4.2 水分對精煤熱值的影響

煤炭灰分和水分直接影響動力煤發(fā)熱量。濕法分選雖然降低了產(chǎn)品灰分，但同時也增加了產(chǎn)品水分。水分除對產(chǎn)品發(fā)熱量有影響外，還會影響商品煤的計價數(shù)量。塊煤濕法分選時，水分可增加2%～4%，對低階煤來說可增加2%～8%。

4.3 高灰煤對選煤設備的危害性

過量矸石進入重介淺槽會制約重介淺槽的處理能力，甚至造成停機事故，嚴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重，維修費用越高。

4.4 末煤分選困難

隨著采煤機械化的發(fā)展，末煤含量越來越大，一般均達到原煤的70%，甚至更高，而井下塊煤淺槽重介分選機實際分選粒度下限一般為50 mm，動篩跳汰機分選下限為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射線分選機雖然克服了以上水洗工藝的弊端，具有適應范圍廣，不增加精煤水分等優(yōu)勢，但入選下限仍為50 mm左右，也不能對占大多數(shù)的末煤進行分選，同時單通道處理能力偏低。為提高井下原煤入選量，達到深度排矸的目的，必須開發(fā)井下末煤干選系統(tǒng)。

5 復合式干選機簡介

復合式干法選煤技術是中國獨創(chuàng)的一項新型實用技術。經(jīng)過近20 a持續(xù)研發(fā)，復合式干法選煤技術在分選精度、自動化水平、設備可靠性和環(huán)保效果等方面取得長足的進步。該技術的開發(fā)和應用完全符合保護水資源、保護環(huán)境、節(jié)能、資源綜合利用及發(fā)展?jié)崈裘杭夹g等各項國家經(jīng)濟、環(huán)境技術政策。復合式干法選煤設備已經(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)建設了一批大型示范型干選工程項目，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射線智能分選機和復合式干選機結合處理300～0 mm全粒級的2.4 Mt/a霍林河南露天選煤廠。

井下排矸采用復合式風選設備可以避免上述3種井下排矸工藝的弊端，主要優(yōu)點包括：

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

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

(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。復合式干選工藝簡單，設備臺數(shù)少，管理方便，節(jié)省投資，運營成本低。

6 全粒級井下干法排矸工藝

圖1 井下干法分選排矸工藝流程示意

通過對各種排矸工藝比較后，結合復合式干選機的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，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，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)過破碎后再進緩沖倉。緩沖倉出來的原煤經(jīng)過80 mm分級，80 mm 以上的塊煤進入X射線分選機；如果小于80 mm的原煤水分不大，松散性良好，則可全部進入復合式干選機分選；如此部分原煤水分較高，粘度大，難以直接干選，可對小于80 mm原煤進行6 mm脫粉，只對80～6 mm篩上物進行干選。 X射線分選機選出的塊精煤產(chǎn)品、復合式干選機的精煤和小于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：

(1)實現(xiàn)300～6 mm或300～0 mm寬粒級分選，實現(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，井下不需要設置煤泥水系統(tǒng)。

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

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

7 復合式風選設備下井亟待解決的問題

目前復合式風選設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)運困難，要占用較大硐室；井下風選主機設備需要采用小型化、拼裝式設計；小型化模塊化設備需要采用并列布置，對輔助系統(tǒng)采用蛇形布置，以節(jié)省硐室空間；需要對風選除塵系統(tǒng)進行改進，采用新的除塵方法和系統(tǒng)，不排除使用濕式除塵器，對自凈空氣循環(huán)使用，實現(xiàn)清風選煤，不影響井下通風系統(tǒng)，實現(xiàn)風選除塵系統(tǒng)和礦井通風的銜接和粉塵井下超低排放。充分利用硐室，如將硐室當作除塵設備外殼，可節(jié)省土建投資。可借鑒露天礦坑內(nèi)干法排矸經(jīng)驗，優(yōu)先實現(xiàn)X射線+風選的全粒級干選工藝。

我國應大力發(fā)展煤礦井下高效深度排矸和矸石充填技術，實現(xiàn)采選充填工藝的經(jīng)濟可行。有關管理部門也應出臺相應環(huán)保優(yōu)惠政策，大力支持和推動井下排矸技術的發(fā)展。

8 結 語

在井下排矸項目建設中，選用何種工藝和設備應視其煤種、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、最合理的工藝和設備是實現(xiàn)井下采、選、充填一體化的關鍵。在易選煤分選方面，干選工藝具有系統(tǒng)簡單、無煤泥水系統(tǒng)、生產(chǎn)成本低、設備磨損小、易于管理等優(yōu)點，有著濕法分選無法替代的優(yōu)勢。復合式風選在動力煤分選方面，入料粒度范圍可達0～100 mm，有著分選下限低、入選比例高、產(chǎn)品結構靈活、不用添加重介質(zhì)等優(yōu)點。將復合式分選和X射線分選設備結合可以進行0～300 mm寬粒級分選，實現(xiàn)深度排矸，徹底消滅地面矸石山，有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。