井下选煤排矸技术的发展现状及趋势

王新民，夏云凯

(1.蒙泰集团有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.唐山神州机械集团有限公司；3.河北省煤炭干法加工装备工程技术研究中心，河北 唐山 063001)

1 井下排矸的意义

煤矿井下排矸与充填一体化技术是一项煤矿安全绿色开采和煤炭清洁高效利用的具体工程实践。该技术首先符合煤炭工业可持续发展的环保政策。井下矸石充填可以有效控制地面沉陷，减少耕地损毁，是煤矸石综合利用的有效途径[1]。其次，有利于煤矿节能降耗。矸石直接在井下用于充填开采，可减少矸石提升能耗和地面无效运输。第三，可以提高煤矿经济效益。井下排矸可提高升井原煤质量，节约矸石运输成本。预排矸也间接扩充了优质煤产能，提高了商品煤数质量和销售价格。

2 井下排矸工艺特点

目前已经投入使用的井下煤矸分离工艺主要有3种：湿法重介浅槽分选工艺、动筛跳汰分选工艺和X射线分选机工艺。

2.1 重介浅槽排矸工艺

重介浅槽分选机主要由槽体、介质给料管道、排矸刮板及其驱动装置等部分组成。重介浅槽分选工艺利用精确配置的一定密度的重介悬浮液来分离煤和矸石。小于介质密度的轻产物会漂浮在上方并随流动的介质流过溢流堰，成为精煤产品；大于介质密度的物料会沉到重介分选槽的下部，由低速度的链刮板运出浅槽，成为矸石。重介浅槽分选机在大型和特大型动力煤选煤厂中应用范围比较广泛。

重介浅槽分选机入料粒度较宽，通常为300～13 mm，个别情况下入料粒度下限可达6 mm。重介浅槽分选块煤时精度较高，随着入料粒度变细和分选密度提高，分选精度逐渐下降(Ep值提高)。其分选可能偏差Ep值一般在0.015～0.05 kg/L范围内，分选数量效率大于98.5%，矸石带煤可小于3%。该设备对原煤数质量波动适应性强，不受原煤表面水分影响。物料在浅槽分选机中的分选时间短，分选过程平稳，分选过程对矸石及块精煤的破碎量小，次生煤泥量低，可一定程度减轻矸石泥化的影响。

重介浅槽井下排矸工艺的主要缺点：

(1)不能高密度排矸。为了满足悬浮液流变特性和稳定性的双重要求，重悬浮液的固体体积浓度应控制在15%～35%。介质回收系统的磁选精矿密度只有2.0～2.1 kg/L，高密度悬浮液的制备、特别是维持稳定非常困难。当要求分选密度大于1.75 kg/L时，必须严格控制重介悬浮液中的煤泥含量低于20%。而对易泥化煤的分选来说，悬浮液中固相煤泥含量较高，一般达到30%以上，高灰细泥难以完全用磁选机去除，因此所配置的介质最高密度一般低于1.7 kg/L，即便勉强达到1.75 kg/L以上，重介浅槽分选介质密度也难以稳定，易分层沉淀。同时由于介质粘度太高，分选精度也很差。因此易泥化煤分选时一般为易选煤，要求工作悬浮液密度一般在1.8 kg/L以上即可达到要求。但受煤泥含量影响，实际井下重介排矸的分选密度大多在1.4～1.6 kg/L左右，造成矸石灰分偏低。因此易泥化煤不适合采用重介浅槽分选。

(2)末煤分选精度低。对小于13 mm 粒级末煤的分选效果不如重介质旋流器，井下排矸一般入料粒度下限为30 mm或更高。

(3)不能杜绝水洗煤泥。即使是块煤排矸，也需要配置煤泥水处理系统，分选极易泥化煤时，煤泥产品产量可达到入料量的5%左右。

(4)排矸能力受制约。重介浅槽采用刮板运输机排矸，刮板的宽度、高度以及运行速度决定其排矸能力。浅槽原煤入料中一般最大含矸率不应超过40%，否则必须降低原煤处理量。

(5)系统复杂，投资大。需要配备煤泥水处理系统、重介质回收净化系统，设备布置及巷道布置复杂，增加了系统投资。

2.2 动筛跳汰排矸工艺

动筛跳汰分选工艺以水为介质，水介质相对静止，筛板上下往复运动，置于筛板上的块原煤随筛板实现扬起、下降、松散和吸坠作用，因水介质的阻尼作用，密度高的矸石先于块煤沉降在床层的下部，密度低的块煤漂浮在床层的上部。床层随筛板摇动向前移动，两者通过不同的排料通道排出分选区，从而实现煤矸分离。该工艺具有入料粒度范围宽，分选密度高，分选精度略差和系统复杂等特点。分选效果受块原煤粒度大小影响很大，最佳入选粒度范围一般为300～50 mm。分选密度大于1.8 kg/L，适合易选煤高密度分选。分选精度低于重介选，分选效率只有85%～90%，原煤为难选煤时，矸中带煤可达到20%。

2.3 X射线智能干选工艺

X射线智能分选方法是基于X射线穿透不同密度矿物的衰减程度不同这一原理，通过X射线源对运输胶带上的煤和矸石进行透射，由探测器采集和转换衰减后的射线信号，并进行成像处理和矿物识别。整个分选控制系统由检测部分、识别部分和分选部分组成。分选部分设计控制终端与压缩空气气阀之间的连接和控制，实现矸石或煤块的击打操作。设备采用高灵敏度探测器，识别准确率高达97%以上，X射线智能分选设备用于块煤分选，可取代人工手选，特别适合大块煤分选，可代替300～80 mm块煤人工捡矸。该分选方法不受原煤水分影响，煤易选且矸石含量大时，矸石带煤率1%～3%；块煤分选精度和跳汰相近，但低于重介分选。该分选工艺不用水，无需煤泥水系统，设备数量少，关联衔接点少，设备宽度和高度低，适合井下运行。与湿法分选相比，该工艺系统简单，投资省，运行成本低，建设周期短。缺点是原煤可选性变差或入料粒度下限低于50 mm时，矸石带煤量较大，特别是不适合小于25 mm末煤分选，而且单通道处理能力低。

3 井下煤矸分选工艺应用情况

近年来一些选煤设备研发企业对煤矿井下选煤设备进行了探索应用和技术创新，进行了小规模尝试和应用。杨康等使用普通空气跳汰机在冀中能源邢东煤矿成功地对30～200 mm块煤进行了分选[2-4]；而动筛跳汰机适合更宽粒级如25～400 mm 级块煤的处理[5]，不过在实际应用过程中都需要提高分选下限至50 mm。如新汶矿业集团协庄矿和开滦矿业集团唐山矿，分别在2009年和2013年采用动筛跳汰工艺对50～300 mm块煤进行分选[6-7]，提高了入料粒度下限。2010 年，新汶矿业集团济阳煤矿、翟镇煤矿井下重介浅槽25～300 mm块煤排矸系统先后建成并投入使用[8-9]，提高了排矸精度。为降低分选粒度下限，王娜等提出采用两产品重介旋流器井下排矸[5]，但仍需建设地面煤泥水处理系统。邢成国等对选择性破碎机、动筛跳汰机和重介浅槽分选机进行了对比，认为重介分选具有精度高的特点[8]。跳汰机排矸需要设置原煤缓冲仓，对入料粒度上限也需严格控制[10]。基于射线分选的智能干选技术于2018年开始在王楼等矿使用，和湿法分选相比优势明显，系统简单，无需煤泥水系统，但也仅仅限于分选大于50 mm块煤[11]。

重介浅槽、动筛跳汰和智能干选排矸工艺主要经济技术指标对比见表1。

表1 各井下排矸工艺典型应用案例对比

(1)内蒙古李家塔煤矿采用井下动筛跳汰机分选大于50 mm块煤，动筛跳汰设备分选能力为450 t/h。根据初步设计，工程概算投资6 100万元，测算井下块煤分选加工费(含人工、电费、材料、折旧、维简等)为18.0元/t。

(2)新矿集团新巨龙煤矿使用重介浅槽分选大于100 mm块原煤，分选能力为500 t/h，固定资产投资5 600万元。目前各系统运行正常，井下块煤分选加工费(含人工、电费、材料、折旧、维简等)为34元/t。

(3)济宁二号煤矿井下X射线智能煤矸分离系统核定生产能力为353万t/a，采用X射线智能分选机处理大于50 mm块煤，处理能力为200 t/h。井下干选系统主要设备包括：X射线干选机、滚轴筛、破碎机、转载带式输送机等。初步测算基建投资1 800万元，井下块煤分选加工费(含人工、电费、材料、折旧、维简等)测算为10.5元/t。

(4)临矿王楼煤矿设计能力130万t/a，煤质为气肥煤。滚轴筛分级后，50～300 mm 筛上物进入智能干选机分选，最大产量450 t/h，50 mm以上块煤达到30%，计140 t/h。干法分选精度：煤中带矸、矸中带煤率都在3%以内。干选系统总投资约1 200万元，实际井下块煤分选加工费受原煤粒级、处理量等影响，平均约为12元/t。由此可见，干选工艺投资和加工费和水洗对比有显著优势。

4 井下湿法排矸现状及存在的问题

重介质浅槽分选机分选精度和分选效率均高于动筛跳汰分选工艺。在地面选煤厂块煤分选系统中，重介浅槽分选工艺应用较为广泛和成熟，逐步替代了动筛跳汰分选工艺。井下重介浅槽分选工艺在山东新矿集团新巨龙煤矿的应用有一定代表性，井下动筛跳汰分选工艺在新矿协庄煤矿、临矿新峄煤矿等一些煤矿井下进行了应用，但湿法分选系统较为复杂，应用中存在一些共同问题。

4.1 易泥化煤难以分选

关于矸石泥化对煤泥水处理带来的危害和困难早已公认。随着煤炭机械化开采程度的提高，原煤中6 mm 以下的末煤含量大幅度提升，如果采用湿法井下分选小于25 mm末煤工艺，需要配置庞大复杂的煤泥水处理系统。即使只分选大于50 mm块煤产品，煤泥水处理也很困难，会产生一定数量的煤泥产品，而在井下建设庞大的煤泥水系统是不切实际的。因此易泥化煤的分选不适合采用湿法井下排矸工艺。

4.2 水分对精煤热值的影响

煤炭灰分和水分直接影响动力煤发热量。湿法分选虽然降低了产品灰分，但同时也增加了产品水分。水分除对产品发热量有影响外，还会影响商品煤的计价数量。块煤湿法分选时，水分可增加2%～4%，对低阶煤来说可增加2%～8%。

4.3 高灰煤对选煤设备的危害性

过量矸石进入重介浅槽会制约重介浅槽的处理能力，甚至造成停机事故，严重影响分选效果和生产能力。重介质选煤系统要采用许多管路和溜槽连接，介质均需用泵输送。矸石颗粒越多，产生的冲击和磨损越严重，维修费用越高。

4.4 末煤分选困难

随着采煤机械化的发展，末煤含量越来越大，一般均达到原煤的70%，甚至更高，而井下块煤浅槽重介分选机实际分选粒度下限一般为50 mm，动筛跳汰机分选下限为30 mm。受煤泥水系统的制约，井下排矸系统一般只处理大于50 mm块煤，占原煤大多数的小于50 mm末煤不能得到分选。

X射线分选机虽然克服了以上水洗工艺的弊端，具有适应范围广，不增加精煤水分等优势，但入选下限仍为50 mm左右，也不能对占大多数的末煤进行分选，同时单通道处理能力偏低。为提高井下原煤入选量，达到深度排矸的目的，必须开发井下末煤干选系统。

5 复合式干选机简介

复合式干法选煤技术是中国独创的一项新型实用技术。经过近20 a持续研发，复合式干法选煤技术在分选精度、自动化水平、设备可靠性和环保效果等方面取得长足的进步。该技术的开发和应用完全符合保护水资源、保护环境、节能、资源综合利用及发展洁净煤技术等各项国家经济、环境技术政策。复合式干法选煤设备已经形成系列化产品，处理能力10～1 000 t/h，可满足不同规模煤炭企业的需求。我国目前已经陆续建设了一批大型示范型干选工程项目，如处理80～0 mm混煤的6.0 Mt/a榆树井选煤厂，处理30～0 mm末煤的9.0 Mt/a上海庙一号井选煤厂，分选13～0 mm末煤的0.9 Mt/a高山选煤厂，分选80～30 mm块煤的东欢坨选煤厂，以及采用X射线智能分选机和复合式干选机结合处理300～0 mm全粒级的2.4 Mt/a霍林河南露天选煤厂。

井下排矸采用复合式风选设备可以避免上述3种井下排矸工艺的弊端，主要优点包括：

(1)有效分选粒级范围宽。分选混煤时，有效分选粒级范围为100～3 mm，单独分选末煤时，分选粒度范围为25～1 mm，可基本实现全粒级原煤井下排矸。

(2)分选精度满足动力煤排矸需求。普通复合式干选机排矸的分选数量效率为90%以上，可能偏差Ep在0.15～0.25 kg/L，可以满足动力煤排矸和炼焦煤预排矸的需求。

(3)适合易泥化煤分选。干选过程不用水，不产生煤泥产品，精煤水分低于湿法分选的精煤产品。

(4)成本低。复合式干选工艺简单，设备台数少，管理方便，节省投资，运营成本低。

6 全粒级井下干法排矸工艺

图1 井下干法分选排矸工艺流程示意

通过对各种排矸工艺比较后，结合复合式干选机的生产实践经验，确定优化后的井下干法排矸工艺方案，其工艺流程如图 1 所示。来自矿井的原煤经300 mm分级，小于300 mm被直接输送至井下原煤缓冲仓，300 mm以上的块煤经过破碎后再进缓冲仓。缓冲仓出来的原煤经过80 mm分级，80 mm 以上的块煤进入X射线分选机；如果小于80 mm的原煤水分不大，松散性良好，则可全部进入复合式干选机分选；如此部分原煤水分较高，粘度大，难以直接干选，可对小于80 mm原煤进行6 mm脱粉，只对80～6 mm筛上物进行干选。 X射线分选机选出的块精煤产品、复合式干选机的精煤和小于6 mm煤粉混合作为精煤升井销售，所有干选矸石破碎后直接井下回填。该工艺流程主要特点：

(1)实现300～6 mm或300～0 mm宽粒级分选，实现了深度排矸，将大多数矸石排在井下。 精煤升井后直接作为产品销售，或者分选后只出精煤和中煤产品，地面不出矸石，可消灭地面矸石山。

(2)干选不用水，杜绝了水洗煤泥产品，井下不需要设置煤泥水系统。

(3)大于6 mm粒级的分选精度接近跳汰，分选后不增加精煤水分，可以满足动力煤分选需求。

(4)空间需求小于水洗系统，利于井下硐室布置，投资和加工费远低于水洗。

7 复合式风选设备下井亟待解决的问题

目前复合式风选设备下井仍然面临一些亟待解决的问题。在地面选煤厂的分选模块体积较大，到井下转运困难，要占用较大硐室；井下风选主机设备需要采用小型化、拼装式设计；小型化模块化设备需要采用并列布置，对辅助系统采用蛇形布置，以节省硐室空间；需要对风选除尘系统进行改进，采用新的除尘方法和系统，不排除使用湿式除尘器，对自净空气循环使用，实现清风选煤，不影响井下通风系统，实现风选除尘系统和矿井通风的衔接和粉尘井下超低排放。充分利用硐室，如将硐室当作除尘设备外壳，可节省土建投资。可借鉴露天矿坑内干法排矸经验，优先实现X射线+风选的全粒级干选工艺。

我国应大力发展煤矿井下高效深度排矸和矸石充填技术，实现采选充填工艺的经济可行。有关管理部门也应出台相应环保优惠政策，大力支持和推动井下排矸技术的发展。

8 结 语

在井下排矸项目建设中，选用何种工艺和设备应视其煤种、可选性、矸石泥化程度和产品用途等因素而定。选择分选粒度宽、最经济、最合理的工艺和设备是实现井下采、选、充填一体化的关键。在易选煤分选方面，干选工艺具有系统简单、无煤泥水系统、生产成本低、设备磨损小、易于管理等优点，有着湿法分选无法替代的优势。复合式风选在动力煤分选方面，入料粒度范围可达0～100 mm，有着分选下限低、入选比例高、产品结构灵活、不用添加重介质等优点。将复合式分选和X射线分选设备结合可以进行0～300 mm宽粒级分选，实现深度排矸，彻底消灭地面矸石山，有显著的经济效益和社会效益。