井下煤矸分离技术在矿山开采中的应用研究

杨晓成，杨庆华，吕琳亚，赵学义

（1.中国矿业大学（北京），北京 100083；2.北京矿大能源安全科技有限公司，北京 100083；3.河北联合大学，河北 唐山 063000）

0 引言

传统的煤矸分离方式为井下原煤直接提升至地面，经洗煤厂重介洗选后，分选出的煤矸石运至矸石山存放。矸石山的堆积不但占用了大量土地，而且严重污染周边环境。原煤中含有大量夹矸，降低了矿井提升系统能力，造成不必要的能源消耗。

井下煤矸分离技术使原煤在井下直接进行分选，排除的矸石不升井、就地充填，既节省了矸石从井下到地面的提升费用，提高立井提升煤炭能力，又可提高原煤质量，降低吨煤能耗，从根本上解决矸石地面排放难题。本文在研究动筛跳汰选煤理论及工作原理的基础上，对井下煤矸分离系统及工艺进行了设计，并针对该技术在阳煤某矿的成功应用进行效果评估，为井下煤矸分离技术的推广应用提供了理论依据与经验借鉴。

1 矿井概况

山西阳煤集团某矿矿井采用立井开拓、多绳摩擦提升。13采区设计生产能力为1.5Mt/a，煤层厚度2.37～3.71m，平均2.92m，工作面采用走向长壁综合机械化采煤法，设计可采储量5249万t。原煤含矸率为 5%～10%，平均8%，含矸量较高。

该矿目前共有五个工作面同时生产，矿井生产能力可达8.0Mt以上，立井提升能力制约了产量进一步提高。该矿地表堆积有五处大型矸石山，污染环境，严重影响附近居民生活。为提高立井煤炭提升运输能力，同时减少矸石地面排放，在13采区设计采用井下煤矸分离系统，使矸石不出井、就地充填。

2 动筛跳汰选煤理论研究

利用动筛跳汰选煤最显著的特点是依据其煤与矸石密度差异，在动筛筛体上下往复运动过程中，使煤矸组成的床层随之松散，在周期性松散中使物料分层。

颗粒脱离筛面后，在水介质中沉降，颗粒的运动微分方程（假定颗粒向下运动方向为正）为：

式中：m—颗粒质量（g）；G0—颗粒在水介质中的重力 （N）；Pac—加速运动的水流对颗粒产生的附加推力（N）；Rac—水介质的加速度惯性阻力（N）；R—颗粒与水介质因相对运动而引起的介质阻力（N）。

假设动筛驱动机构偏心轮的偏心距或曲柄长度为r，则驱动机构运动速度和加速度分别为：

式中： ω=2πn/60；t—运动时间（s）；n—曲柄机构或凸轮机构转动速度（r/min）。机械筛体在入料端的位移可表示为：

当t=0时，动筛机构处于最低位置，h=0，则k=r，代入上式得：

由此可知，筛体入料端主要取决于时间t和曲柄长度r。运动速度v与曲柄长度r和转动角速度ω成正比，加速度与曲柄长度r和转动角速度ω的平方成正比，最大振幅是偏心距的2倍，且随着曲柄长度r增大，振幅、速度、加速度随之增大；随着角速度ω增大，速度和加速度随之增大。

动筛跳汰分选中，物料的松散主要由两个因素决定，一是入料粒度较大，二是床层振幅大。因此，动筛跳汰分选中，动筛体上升过程中在最高点是否静止对煤炭的分层基本无影响，尤其是到达最高点的休止期内物料与动筛体依然是静止的，对于物料的松散没有影响。而上升与下降的速比及频率、振幅对分层效果起决定作用。

动筛跳汰机的处理量取决于动筛筛面宽度和物料通过筛面的速度。由于动筛的运动是绕固定轴摆动，动筛每一次上下运动，既将物料垂直托起，又使物料水平前移。如果忽略洗水的横向波动，可由下式计算此速度：

式中：v—物料通过筛面的速度；t—物料处动筛的振幅；θ—动筛的摆角；T—跳汰周期。

从上式可见，动筛的处理量与动筛的运动曲线无关，主要取决于动筛的振幅、摆角、跳汰周期及筛面宽度。而在每一周期内，动筛上、下运动的速比是使动筛能否在下降期迅速脱离床层，给床层在水介质中松散、沉降、分层的足够时间和空间的关健。

3 井下煤矸分离系统及工艺

井下煤矸分离的核心技术是采用动筛跳汰机分选原煤和分离块矸，井下煤矸分离入洗范围为0～350mm。主要设备由动筛体、分级筛、机械驱动机构、脱水设备和自动排矸装置等组成。

井下动筛跳汰机工作原理：动筛体在驱动设备的带动下，绕固定销轴作上下往复运动。物料在筛板上经过跳汰分选后，按密度大小分层，处于上层的轻物料 （精煤），从溢流堰的上面经溜槽流到块煤刮板机中，然后由块煤刮板机送出动筛进入后续设备；处于下层的重物料（矸石），从溢流堰的下面通过排矸轮排出经溜槽流到矸石刮板机中，然后由矸石刮板机送出动筛进入后续设备；同时，透筛细物料，由槽体下面排料口经溜槽流到块煤刮板机中与块煤一同排出。井下动筛机保留了地面机械动筛跳汰机的核心技术，即动筛体、机械驱动机构和自动排矸装置，而其余结构根据井下峒室的需要，改进为一个长条形的机体和刮板式提升脱水机构，见图1所示。

井下煤矸分离系统工艺流程设计：井下原煤通过分级筛，筛上物（+50mm以上）进入入料皮带机，筛下物进入末煤皮带机（或煤仓），进入入料皮带机的筛上物经过机械动筛跳汰机分选后，矸石入矸石仓，经仓底给料机、运矸皮带至工作面实施矸石充填，块煤通过配煤皮带入末煤皮带机；机械动筛跳汰机的煤泥水通过渣浆泵传输送至高频筛，对煤泥水进行脱水处理，筛上物再进入末煤皮带机，剩余水进入沉淀池沉淀后，最后经过渣浆泵输送至煤泥压滤机压滤后，压滤形成的煤泥饼进入末煤皮带机，压滤后的水再进入清水池输送至机械动筛跳汰机循环使用。具体工艺流程如图2所示。

4 井下煤矸分离效果

根据设计要求和现场应用相对比，该煤矸分离设备各项技术性能指标均满足设计要求，并达到以下效果：

（1）分选后矸石中含煤率小于1%，煤中含矸率小于3%。

（2）提高立井提升能力，每年可多提升煤炭12万t，增加煤炭销售利润3000万元以上。

（3）井下煤矸分离效果良好，完全达到地面动筛洗选效果，提高原煤质量，节省地面洗煤成本。

（4）分选矸石不升井，可进行采空区充填或抛掷于废弃巷道，实现地面矸石零排放，减少矸石山占地，防止污染。

5 结束语

井下煤矸分离技术在理论和工艺上可行。通过该技术的成功应用，切实提高了立井提升煤炭能力，提高了原煤质量，并从根本上消除了煤矸石在地面排放所带来的环境污染问题。该技术作为目前国内井下较为理想的一种煤矸分离技术，是实现煤矿 “绿色开采”的有效途径，具有广阔的发展应用前景。

[1]王峰.动筛跳汰机系统替代重介质系统排矸[J].煤质技术，2005，5.

[2]赵谋.动筛跳汰机及其应用[J].煤炭工程，2006，2.

[3]曹树祥，郭杰民，邢成国.机械动筛跳汰机的研究与应用[J].煤炭加工与综合利用，2003，1.

[4]钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报，2003，4.

[5]翟红.提高大型机械式动筛跳汰机分选效果的理论与实践研究[D].中国矿业大学（北京），2010.