張慶賢

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司田莊選煤廠，河南 平頂山 467013）

中國平煤神馬控股集團（簡稱“平煤集團”）是我國品種最全的煉焦煤、動力煤生產(chǎn)基地?，F(xiàn)有生產(chǎn)礦井23 對，核定能力4 230 萬t/a。選煤廠12 座，其中煉焦煤選煤廠7 座，動力煤選煤廠5 座。矸石是平煤集團煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物，占開采原煤總量的18% 左右。因為平煤集團的大部分礦井建于上世紀50～80 年代，當(dāng)時采煤機械化程度低、毛煤產(chǎn)量低，而毛煤含矸率也低，所以只需要對毛煤中的粗粒級部分進行人工揀選就可以保證銷煤的灰分指標(biāo)。為此，各礦井都設(shè)計了手選環(huán)節(jié)，對出井毛煤進行篩分（一般按50 mm 篩分），大于50 mm 的塊原煤在手選帶式輸送機上進行人工揀矸和除雜，小于50 mm 的原煤直接作為產(chǎn)品，這種手選方式在大部分礦井被一直沿用下來。到本世紀初，由于煤炭行業(yè)的大發(fā)展以及國家對煤礦安全工作日益重視，煤炭開采機械化程度逐年提高，毛煤含矸率急劇升高，各礦井手選入料中的矸石含量已經(jīng)達到90%左右，手選的弊端開始顯露出來。人工揀選的缺點是長時間的工作使工人容易疲勞，導(dǎo)致揀選效率下降，其次是人工揀選能力有限，僅為每人每小時0.4 t[1]，為增加手選環(huán)節(jié)的處理能力需要增加揀選工的人數(shù)，用工成本也會升高。最重要的是，人工揀選作業(yè)的處理能力受物料粒度大小的限制，粒度越細，揀選效率越低，處理能力隨之大幅度下降[2]。而平煤集團由于基本實現(xiàn)煤炭綜采，矸石粉碎程度較高，增加了人工揀選的難度。上述兩個因素導(dǎo)致了各礦井原有的手選環(huán)節(jié)基本淪為除雜環(huán)節(jié)，原煤質(zhì)量難以控制。為解決這個問題，平煤集團各礦井也開展過相應(yīng)的技術(shù)攻關(guān)工作，有一個礦井完成了動篩跳汰機排矸的技術(shù)改造，效果較好，另一個礦井進行了風(fēng)選的技術(shù)改造，但是針對的是50 mm 以下的原煤進行排矸，原有手選環(huán)節(jié)還是沒有改造，煉焦選煤廠陸續(xù)完成三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器技術(shù)改造，選擇了塊原煤先破碎、后選煤機械排矸的方式，效果基本可以，但是對設(shè)備、設(shè)施造成了嚴重磨損，導(dǎo)致排矸成本很高。最關(guān)鍵的是，由于礦井原煤手選排矸效率極低，導(dǎo)致原煤質(zhì)量不穩(wěn)定，而這些矸石進入選煤廠后，需要破碎后再排矸，不僅產(chǎn)生了過多的排矸成本，甚至浪費了鐵路運力[3]。如果礦井的揀選工作能夠?qū)崿F(xiàn)機械化、自動化，提高揀選效率，那么將大幅度提高礦井的排矸能力，有利于穩(wěn)原煤的質(zhì)量。因此，采用煤矸自動分選技術(shù)系統(tǒng)替代手選作業(yè)后，可以大幅提高礦井原煤的排矸效率，改善原煤質(zhì)量，減少鐵路的無效運輸。

1 煤矸自動分選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能干選機的分選原理是依據(jù)煤、矸礦物顆粒之間成分性質(zhì)的差異進行在線檢測、分析與計算，準(zhǔn)確識別煤、矸，通過自動控制系統(tǒng)排除原煤中的矸石，實現(xiàn)煤、矸智能分選。智能選矸系統(tǒng)就是一種替代人工揀選作業(yè)的揀矸設(shè)備，用放射線成像原理對矸石與煤進行識別，使用機械臂或高壓風(fēng)分離矸石和煤，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 礦用智能煤矸分選系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)由以下部分組成：帶式布料系統(tǒng)、智能圖形識別系統(tǒng)、智能執(zhí)行系統(tǒng)、輻射防護系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、溫控冷卻系統(tǒng)、X 光機、供氣系統(tǒng)、振動布料機、自動報警及平臺軟件系統(tǒng)。

智能干選機首先采用雙級振動布料器或單級長振動布料機，實現(xiàn)原煤在皮帶機上均分與平鋪并與皮帶機發(fā)生相對靜止，原煤到達檢測面后被X 光實時成像感知，經(jīng)高速圖像處理器分析、人工智能算法判別后，對煤或矸石完成識別工作，并準(zhǔn)確計算移動軌跡，在智能干選機的排料端使用高壓空氣精準(zhǔn)吹落，實現(xiàn)了煤與矸石的分離。

1）帶式布料系統(tǒng)

帶式布料系統(tǒng)是一條皮帶機，運行速度可以在0～3.5 m/s之間調(diào)節(jié)，如皮帶機寬度2.4 m時，其智能干選系統(tǒng)的處理能力可以達到290 t/h。

2）智能圖形識別系統(tǒng)

雙能X光成像能精準(zhǔn)區(qū)分原料的構(gòu)成比例。深度學(xué)習(xí)+雙能R 值算法，信號通過算法處理，消除體積分數(shù)和厚度等參數(shù)，得到有效原子序數(shù)相關(guān)的R值，對應(yīng)確定物料種類。相比于單能成像不具備物質(zhì)區(qū)分能力，雙能成像與物質(zhì)的原子序列相關(guān)，與原煤粒徑大小無關(guān)，具備極佳的識別效果。

3）智能執(zhí)行系統(tǒng)

智能干選機排料裝置采用進口氣閥，雙排通道均分，響應(yīng)時間小于1 m/s，氣閥間距12 mm，控制更精準(zhǔn)。

4）輻射防護系統(tǒng)

關(guān)鍵區(qū)域采用高標(biāo)準(zhǔn)8 mm鉛板阻止放射線外泄，防護鉛板采取360°無死角環(huán)繞皮帶設(shè)計，確保無射線泄漏。

5）電控系統(tǒng)

選用德國進口品牌西門子S7 系列可編程控制器進行電控系統(tǒng)設(shè)計，并配備千兆網(wǎng)口接口，可納入企業(yè)現(xiàn)有集中控制系統(tǒng)。

6）智能控制系統(tǒng)

高頻電磁閥陣列控制，采用進口產(chǎn)品，F(xiàn)PGA 芯片平臺，并行多線程處理架構(gòu)；內(nèi)核主頻高達886 MHz；千兆以太網(wǎng)通訊。圖像采集也選用進口品牌，像素尺寸1.6 mm，高低能（雙能）成像，噪聲低、圖像質(zhì)量卓越。

7）溫控冷卻系統(tǒng)

工業(yè)級智能空調(diào)，可穩(wěn)定對X光機進行降溫，確保24 h無故障運行。

8）X光機

電壓為160 kV，功率為800 W；集成高壓發(fā)生器、X射線管、控制盒電路和散熱系統(tǒng)完美替代傳統(tǒng)分體式高壓發(fā)生器系統(tǒng)，更易于維護保養(yǎng)。具有出色的穩(wěn)定性和高穿透力；標(biāo)準(zhǔn)的RS232 數(shù)值通訊，體積小，更易于集成到最終用戶端系統(tǒng)中。

9）供氣系統(tǒng)

工作壓力為0.68～0.78 MPa，用氣量為30～60 m3/min，氣壓、氣量穩(wěn)定，氣量補給快（2～5 s）。

10）振動布料機

振動頻率可調(diào)節(jié)，雙振幅（電機）系統(tǒng)，使流量更穩(wěn)定、均勻。

11）自動報警及平臺軟件系統(tǒng)

軟件分為兩部分：上位機PC智能識別軟件和下位機電控軟件。選矸機具備一鍵啟停功能，自動聲光報警并記錄報警信息。

2 煤矸自動分選工藝流程

工藝流程如圖2所示，原煤首先進行分級，分級粒度50 mm 或者25 mm，礦井原煤排矸選用50 mm，選煤廠選用25 mm。篩上物是待排矸的塊煤，塊煤首先進入布料器進行攤平，布料器中間有25 mm的篩孔，可以篩掉一些誤配到塊煤中的小顆粒。布料器給料到智能干選機后，設(shè)備開始進行分選，智能干選機可以選擇“打煤”、“打矸”兩種方式[4]，由于塊原煤中的矸石占比在70 %以上，所以從節(jié)能角度考慮，智能干選機選擇“打煤”方式進行工程設(shè)計。選出的煤塊被高壓風(fēng)吹到前段的溜槽中，矸石直接落入下方的矸石篩進行篩分，回收小塊誤配的原煤，篩下物進入原煤皮帶，分選出的原煤經(jīng)過破碎后也進入原煤皮帶。

圖2 礦用智能選矸工藝流程圖

3 改造工程

礦用智能選矸系統(tǒng)首先在兩座礦井和一座煉焦煤選煤廠中進行了使用，全部選用了UN24-300 型智能干選機，帶寬2.4 m，處理能力290 t/h，工藝布置圖如圖3所示。

圖3 礦用智能選矸系統(tǒng)布置圖

在工藝布置方面，煤矸自動分選技術(shù)系統(tǒng)比較適合原煤手選系統(tǒng)的技術(shù)改造，現(xiàn)有的布置空間完全可以滿足設(shè)計需要，且智能干選機可以根據(jù)現(xiàn)場空間的實際情況進行定制，所以煤矸自動分選技術(shù)系統(tǒng)除了具有分選工藝簡單的優(yōu)勢，還有工藝布置靈活的優(yōu)點。

4 應(yīng)用效果

1）經(jīng)過試生產(chǎn)后，智能干選機的分選效果良好，無論是分選+50 mm 的物料還是分選+25 mm 的物料，矸石帶煤率都小于3%[5]。

2）在可靠性方面，智能干選機在處理粒度+50 mm物料時，其運行狀況較好，也很穩(wěn)定，故障率極低。

處理+25 mm 物料過程中出現(xiàn)了一些問題，但是問題主要集中在附屬的給料設(shè)備、矸石篩分設(shè)備上。原因是分級過程中有誤配的煤泥積累在布料器里，形成積煤，不及時清理就導(dǎo)致堵塞問題，從而導(dǎo)致停產(chǎn)事故。另外，滾軸篩不適合25 mm物料的篩分，頻繁出現(xiàn)卡軸問題。

5 改進措施

針對試生產(chǎn)過程中存在的問題，把選煤廠智能干選機布料器的篩板更換為盲板，提高工作面的光滑度，利于排料，解決了積煤問題；把滾軸篩更換為直線振動篩，提高設(shè)備的可靠性。通過這些改進，25 mm 煤矸自動分選系統(tǒng)也實現(xiàn)了無故障運行。

6 結(jié)語

基于X射線的煤矸自動分選技術(shù)在中國平煤神馬控股集團進行了成功應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)場實際布置情況，通過因地制宜地制定工藝流程，定制設(shè)備，改造后排矸系統(tǒng)順利運行，分選效果達到了設(shè)計指標(biāo)，矸石帶煤率小于3%，原煤質(zhì)量大幅度改善。