劉利波，徐宏祥，崔家畫

(1.國能準能集團有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院，北京 100083)

塊煤是我國煤炭市場的重要產(chǎn)品之一[1]，在化工、造氣、燒結(jié)等行業(yè)有很大的需求量，塊煤在轉(zhuǎn)載過程中破碎嚴重和產(chǎn)品限下率超標的問題引起了諸多選煤廠和學者的廣泛關(guān)注[2]。楊林軒[3]對玉溪選煤廠塊煤運輸、儲存、裝車環(huán)節(jié)的產(chǎn)品進行了篩分試驗，結(jié)果表明：塊煤在轉(zhuǎn)載、運輸、儲存、裝車等環(huán)節(jié)均會發(fā)生破碎，造成塊煤限下率增加，塊煤銷售價格降低，影響了企業(yè)的經(jīng)濟效益。同時，塊煤在發(fā)生破碎時，車間煤塵增多，噪聲增大，導(dǎo)致工人工作環(huán)境惡劣，工人的聽力受損[4]。因此，研究塊煤防破碎方法，對煤炭企業(yè)提高經(jīng)濟效益，保障職工職業(yè)健康均具有重要意義。

塊煤破碎是塊煤在外力作用下遭到撞擊碎裂的過程，撞擊是塊煤發(fā)生破碎的重要原因[5]。塊精煤從生產(chǎn)到裝車需要經(jīng)過帶式輸送機轉(zhuǎn)載、入倉、裝車等環(huán)節(jié)，因此帶式輸送機的轉(zhuǎn)載溜槽和儲煤倉是塊煤發(fā)生破碎的主要位置[6，7]。目前，針對塊煤防破碎的研究主要是針對溜槽的優(yōu)化改造，主要有螺旋溜槽[8，9]、伸縮溜槽[10，11]和波浪式溜槽[12]。同時，隨著近年來選煤廠智能化的推進，針對塊煤防破碎控制系統(tǒng)也得到了一定程度的發(fā)展[13，14]。前人研究主要是在結(jié)合生產(chǎn)設(shè)計經(jīng)驗通過改造溜槽，延長塊煤碰撞時間，降低碰撞速度，鮮有細致研究分析塊煤受力情況和拋落軌跡。

哈爾烏素選煤廠塊精煤產(chǎn)品在轉(zhuǎn)載、入倉和裝車環(huán)節(jié)出現(xiàn)嚴重的破碎，導(dǎo)致塊煤裝車產(chǎn)品限下率高、塊精煤售價降低。本文結(jié)合哈爾烏素選煤廠生產(chǎn)實踐，通過跌落試驗分析了跌落高度對塊煤限下率的影響，基于破碎力學模型得出了防破碎數(shù)學模型，并提出防破碎的技術(shù)路徑，開展了塊精煤防破碎技術(shù)改造。

1 試驗方法

1.1 塊煤限下率測定

哈爾烏素選煤廠塊煤產(chǎn)品轉(zhuǎn)載流程如圖1所示，精煤脫介篩上層篩分得到25～200 mm粒級的塊煤產(chǎn)品，經(jīng)塊煤溜槽落至785帶式輸送機，再轉(zhuǎn)載至786帶式輸送機、產(chǎn)品倉706配倉帶式輸送機，進入槽倉存儲。外運時經(jīng)倉下給煤機至709帶式輸送機，然后經(jīng)過781帶式輸送機轉(zhuǎn)載至裝車緩沖倉后進入定量漏斗，由裝車溜槽將塊煤裝至火車，完成塊煤生產(chǎn)外運全過程。

圖1 塊煤轉(zhuǎn)載工藝流程

商品煤采樣依據(jù)《商品煤樣人工采取方法》(GB/T 475—2008)相關(guān)規(guī)定進行采樣，煤樣用孔徑與粒度下限相同的篩子，按照《煤炭篩分試驗方法》(GB/T 477—2008)的有關(guān)規(guī)定進行篩分，按照《商品煤含矸率和限下率的測定方法》(MT/T 1—2007)計算塊煤限下率。

1.2 跌落試驗

在實際操作中難以控制煤炭速度，由于物體在高度為h時自由下落，到地面后速度為v2=2gh，因此通過調(diào)整跌落高度的方式來控制塊煤跌落撞擊前的速度。煤的跌落試驗參照《煤的落下強度測定方法》(GB/T 15459—2006)進行，選取25～200 mm粒級煤樣，從不同高度自由跌落，收集跌落的煤樣，用25 mm的試驗篩進行篩分，并按照MT/T 1—2007計算跌落后塊煤的限下率。試驗重復(fù)三次，取均值。

2 塊煤跌落試驗結(jié)果與防破碎數(shù)學模型

2.1 塊煤限下率特性分析

塊煤轉(zhuǎn)載工藝流程中跌落高度(轉(zhuǎn)載點最大高差)統(tǒng)計如下：脫介篩出料處10.5 m，785帶式輸送機轉(zhuǎn)載處3.5 m，786帶式輸送機轉(zhuǎn)載處9.4 m，706帶式輸送機入倉處29.5 m，倉下給煤機轉(zhuǎn)載處2.1 m，709帶式輸送機轉(zhuǎn)載處2.5 m，781帶式輸送機入倉處8.8 m，火車溜槽處4.5 m。塊煤從精煤脫介篩篩上到裝車車廂經(jīng)歷了8次轉(zhuǎn)載，其中最大跌落高度為29.5 m，最小跌落高度為2.1 m。精煤脫介篩篩上產(chǎn)品和裝車后車廂產(chǎn)品的塊煤限下率的測定結(jié)果見表1。

表1 塊煤25 mm粒級限下率測定結(jié)果 %

由表1可知，塊煤在轉(zhuǎn)載過程中發(fā)生了嚴重的破碎，精煤脫介篩篩上塊煤產(chǎn)品25 mm粒級平均限下率為2.28% ，而裝車后車廂中塊煤產(chǎn)品平均限下率為36.54%，增加34.26百分點。

2.2 跌落高度對塊煤25 mm限下率的影響

跌落高度對塊煤25 mm粒級限下率的影響如圖2所示。由圖2中可知，隨著跌落高度的增加，跌落后塊煤25 mm限下率逐漸增大。當?shù)涓叨葹?～12 m時，跌落后25 mm粒級塊煤限下率變化尤為顯著，當?shù)涓叨瘸^14 m時，跌落后25 mm粒級煤限下率增長趨于平緩。

圖2 跌落高度對塊煤25 mm限下率的影響

2.3 破碎力學分析

根據(jù)碰撞接觸力學原理[15，16]，塊煤破碎的最主要原因是塊煤碰撞時產(chǎn)生的瞬時沖擊力[17]。塊煤轉(zhuǎn)載過程中先是以一定的初速度做平拋運動，再做自由落體運動。假設(shè)：塊煤在垂直自由下落的時間t1，塊煤在接觸到物體并與物體發(fā)生相對運動時間為t2，摩擦力為F0，塊煤在接觸到物體(落煤點)并同時發(fā)生形變時接觸時間為t3，接觸的阻力為F，受力分析如圖3所示。

圖3 塊煤轉(zhuǎn)載過程受力分析

首先，根據(jù)動量守恒定律得到：

Gt1-F0t1-Ft1=0

(1)

塊煤在接觸到物體受到擠壓，擠壓應(yīng)力越大，即單位面積受到接觸力F越大，塊煤形變越大，當擠壓應(yīng)力達到一定值(δjy)時，則會發(fā)生破碎。因此防止塊煤破碎應(yīng)滿足以下條件：

式中，g為重力加速度，m/s2；δjy為塊煤最小擠壓破碎應(yīng)力，Pa；δ為塊煤所受擠壓應(yīng)力，Pa；m為塊煤質(zhì)量，kg；h為轉(zhuǎn)載點兩設(shè)備之間的落差，m；A為塊煤與被撞物體的接觸面積，m2。

由塊煤防破碎數(shù)學模型可得，t2時間越長、摩擦力F0越大、高差h越小及碰撞接觸時間t3越長，塊煤所受擠壓應(yīng)力越小，塊煤越不容易發(fā)生破碎。綜合分析結(jié)果，結(jié)合塊煤轉(zhuǎn)載系統(tǒng)實際情況，提出以下轉(zhuǎn)載系統(tǒng)塊煤防破碎改造方案。

3 塊煤防破碎技術(shù)改造

3.1 塊煤防破碎技術(shù)方案

1)分級落差[18]。在塊煤防破碎數(shù)學模型中，假設(shè)只有高差h是變量，其他值保持不變，時間t1與h成正比，降低h可以降低塊煤的擠壓應(yīng)力，h越小，t1越短，塊煤的沖量越小，與被接觸物體產(chǎn)生的應(yīng)力就越小，當δ<δjy時，塊煤不會破碎。根據(jù)2.2中試驗結(jié)果，h>8 m時，塊煤產(chǎn)生破碎幾率較大，因此對于h>8 m的轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)可采取分級跌落和分級下滑等辦法控制每級落差高度。

2)增大摩擦系數(shù)。塊煤沿溜槽底板滑行的過程中，溜槽底板對塊煤產(chǎn)生與其速度方向相反的摩擦力F0，可以采用增大摩擦系數(shù)μ的方法來增大摩擦力。增大摩擦系數(shù)的方法有：①溜槽底板間隔鋪設(shè)耐磨橡膠板；②溜槽底板按網(wǎng)格狀焊接圓鋼或者扁鋼。兩種方法效果均較好，但其難點在于找準鋪設(shè)的高度和間隔，如果鋪設(shè)高度過高或間隔過小，會出現(xiàn)堵料的情況；第二種方法成本相對較低。

3)延長摩擦接觸路徑。塊煤在下落時，可以延長其下落過程的行走路徑，減小溜槽底板的傾角，從而降低塊煤下落的速度，減少塊煤破碎。此時溜槽可設(shè)為折線溜槽和曲面溜槽。塊煤在折線溜槽內(nèi)流動時在折點位置仍存在沖擊。曲面溜槽分為兩大類：一類是二維空間上的曲面溜槽，如弧底板溜槽、“S”型溜槽等[19-22]，此類溜槽主要應(yīng)用于無轉(zhuǎn)向、高度和空間有限的轉(zhuǎn)載點，在有限空間內(nèi)使煤流更平順地過渡到下一步設(shè)備，有效減輕塊煤破碎和碰撞產(chǎn)生的噪音；第二類是三維空間上的曲面溜槽，如螺旋溜槽，此類溜槽在三維空間內(nèi)以螺旋線的軌跡旋轉(zhuǎn)下落的溜槽形式，塊煤防破碎效果更好，但占地空間較大，螺旋溜槽主要應(yīng)用于空間和高度較大的轉(zhuǎn)載點，尤其是在煤倉內(nèi)，效果最佳[21]。

4)延長碰撞接觸時間。通過降低接觸材料的彈性模量，如將接觸材料由原來的鋼材變?yōu)橄鹉z或煤堆，由于橡膠和煤堆的彈性優(yōu)于鋼材，可增加接觸時間，達到防破碎的目的[23]。

3.2 脫介篩篩前溜槽防破碎改造

精煤脫介篩篩上物經(jīng)收集匯總后，匯成一個溜槽，然后給入785帶式輸送機，改造設(shè)計如圖4所示。

圖4 精煤篩下塊煤防破碎溜槽設(shè)計(mm)

1)篩前出料部位采用“高位接料”設(shè)計，保證塊煤煤流順暢，使物料沿底板或者側(cè)板沖刷，由“撞擊”變?yōu)椤盎瑒印薄?/p>

2)運動過程是煤流沿曲面溜槽導(dǎo)入段、通過段的底板曲面下滑至785帶式輸送機導(dǎo)料溜槽，降低塊煤運動速度和延長顆粒的碰撞時間，減少塊煤與溜槽側(cè)板的非彈性碰撞，從而減少塊煤破碎。

3)改善溜槽出料端結(jié)構(gòu)，控制溜槽內(nèi)物料出料速度和方向與785帶式輸送機基本相同。塊煤破碎除和塊煤運行速度有關(guān)外，更重要的是塊煤轉(zhuǎn)載過程中速度變化較大(含速度數(shù)值和方向)，在出料端控制出料速度，達到和受料設(shè)備速度相同或相近，可有效減輕塊煤破碎。

3.3 帶式輸送機機頭溜槽防破碎改造

786帶式輸送機機頭通過分叉分為兩路，一路直接入倉，另一路給入787帶式輸送機，改造設(shè)計如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品入倉塊煤防破碎溜槽設(shè)計

1)帶式輸送機出料部位采用“高位接料”設(shè)計，使物料由“撞擊”變?yōu)椤盎瑒印?。自物料奔離點開始受煤，流煤底板曲線接近塊煤拋物線，能保證煤流沿底板運行，使塊煤在離開設(shè)備后幾乎沒有落差，減少塊煤對溜槽底板的沖擊，最終降低塊煤破碎率[24]。

2)延長溜煤路徑，優(yōu)化溜煤角度，采用曲面溜槽。螺旋溜槽的防碎原理是將塊煤的拋物線運動變成螺旋運動，通過合理的螺旋角和底板傾角設(shè)計，達到延長塊煤的入倉行程和煤炭各種受力的平衡，確保入倉過程其速度和方向處于受控狀態(tài)，以達到防碎的目的[25]。給入煤倉溜槽采用曲面設(shè)計，原理是煤流沿曲面溜槽導(dǎo)入段、勻速段的底板曲面下滑至入倉螺旋溜槽，降低塊煤運動速度和延長顆粒的碰撞時間，減少塊煤與溜槽側(cè)板的非彈性碰撞，從而降低塊煤的破碎率。

3)采用封閉式設(shè)計。該裝置與倉內(nèi)螺旋溜槽通過接口，法蘭連接至倉內(nèi)螺旋溜槽。

4 效益分析

精煤脫介篩篩前溜槽和帶式輸送機機頭溜槽技術(shù)改造后，對裝車后車廂產(chǎn)品的塊煤25 mm限下率進行了五次測定，其結(jié)果分別為：17.83%，16.55%，21.22%，25.87%，20.09%，平均為20.31%，比改造前降低了16.23百分點，塊煤防破碎效果顯著。

塊煤運輸?shù)礁劭诤?，進行篩分銷售，篩分粒度為25 mm，篩上產(chǎn)品作為塊煤銷售，篩下產(chǎn)品作為電煤銷售，其中塊煤市場價格為620元/t，電煤價格為530元/t。防破碎技術(shù)改造前后噸煤銷售價格見表2。

表2 防破碎技術(shù)改造前后噸煤售價對比

防破碎技術(shù)改造后噸煤綜合銷售價格提高了15元/t，按哈爾烏素選煤廠年生產(chǎn)1000萬t塊精煤計，年增加銷售額1.5億元，提高了選煤廠的產(chǎn)品利潤。

5 結(jié) 語

通過塊煤產(chǎn)品的限下率特性、跌落高度對塊煤限下率的影響研究和塊煤防破碎數(shù)學模型的建立，得出分級落差、增大摩擦系數(shù)、延長摩擦接觸路徑和碰撞接觸時間是行之有效的塊煤防破碎手段。基于此，哈爾烏素選煤廠進行了脫介篩篩前溜槽和帶式輸送機機頭溜槽的防破碎技術(shù)改造，技術(shù)改造后塊煤防破碎效果顯著，塊煤限下率較改造前降低16.23百分點，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益，同時也為選煤廠塊煤防破碎提供了一種新的方案。