煤矿智能选矸系统应用

2022-06-21王爱民王涛

机械工程师 2022年6期

王爱民，王涛

（冀中能源峰峰集团有限公司羊东矿，河北邯郸 056000）

0 引言

羊东矿原选矸系统中原煤主要通过手选实现提质，主要存在如下问题：手选拣出率低，尤其是在块煤量波动时，手选效率低的问题更加突出。人工手选劳动强度大，工作环境差。手选选矸一直存在工人劳动强度高、工作环境差的问题，工人极易出现疲劳，并且手选工人人员数量较多。为了解放劳动力，提高分选效率及煤质，增加销售收入，采用机械排矸的方法代替现有人工手选是必要的。

1 国内原煤选矸水平和发展趋势

目前国内选矸系统仍以手选为主，手选是靠人工持续、机械式的劳动，拣出块煤、矸石及杂物。由于受到煤质变化和人为因素影响，手选拣出率低。手选作为选煤的传统作业环节一直存在工人劳动强度高、工作环境差（包括噪声、粉尘）等的问题[1]。

为解放劳动力，提高分选效率及煤质，增加销售收入，采用机械排矸的方法代替现有人工手选是必要的，并且可实现由传统型向创新型、由劳动密集型向科技型、由苦脏型向体面型、由粗放型向集约型、由数量型向效益型的5个方面的转变，实现了效率、效益两个方面的提高，实现了机械化、自动化、智能化的生产目标。

2 原地面选矸系统介绍

羊东矿主井位于羊一工业广场，为斜井胶带机提升。地面建有一套原煤生产和储装运系统，生产能力按照2.0 Mt/a设计。选矸楼内安装一部手选胶带机，原煤经筛分后，筛上大块进入手选胶带机，由人工进行分拣，分拣出的矸石经矸石胶带机运输到矸石棚内，块煤随筛下末煤运输到原煤棚。地面无跨线煤仓，原煤经给煤机、滚轴筛及人工手选后大部分矸石已被排除，产品直接送到储煤场储存。

原选矸楼内安装一部手选胶带机，原煤经筛分后，筛上大块进入手选胶带机，由人工进行分拣，分拣出的矸石经矸石胶带机运输到矸石棚内，块煤随筛下末煤运输到原煤棚。

原有分选工艺为：原煤经过25 mm分级筛分级，≤25 mm原煤直接作为入洗原料煤进入原煤装车仓外运；＞25 mm原煤进入圆振筛和手选皮带，分选出＞50 mm原煤块煤及矸石，下余25～50 mm作为次煤（动力煤）产品。

入洗原煤：≤25 mm，螺旋分级筛筛下物，经铁路运输到洗选厂进行配煤入洗；手选块煤：＞50 mm，地销或者运至洗选厂作为配煤入洗；次煤（动力煤）：25～50 mm，作为动力煤销售，或者运至洗选厂作为配煤入洗。

入洗原煤产品可通过汽车或者火车运输，块煤可通过汽车运输。

3 智能选矸系统说明

羊东矿TDS智能选矸系统核心原理是采用X射线进行智能识别，针对入选原煤的煤质特征，建立与之相适应的分析模型，通过大数据分析，对煤与矸石进行数字化识别，通过高压风排矸系统将矸石排出。具体设计与实施方法如下：

羊东矿原筛分楼中的螺旋筛作为备用设备保留，对原手选一部带式输送机进行改造，增加7 m中间机身，增加传动装置，更换胶带，改造后使用电动机功率为30 kW，带速为1.25 m/s。保留现有块煤分选车间和设备，在原手选一部带式输送机传动滚筒位置安装一台单侧电动犁式卸料器，在新系统出现问题时，可马上恢复为原有工艺。

新建一块煤分选车间，其中包括2条皮带走廊和1个钢结构车间，一条走廊安装原煤入料带式输送机，把原煤输送到新车间内的三段交叉筛上。另一条走廊安装选后返回带式输送机，与末煤带式输送机搭接。三段交叉筛分级后，不大于35 mm的末煤直接由选后返回带式输送机运输到末煤带式输送机；中段35～200 mm块煤通过进入振动布料器，块煤被均匀铺开后进入TDS智能干选机中分选。在下方的2个出料口分别安装电动三通分料器，实现打矸和打煤两种功能；大于200 mm的大块落到与TDS智能干选机并列的新建手选带式输送机上，通过1～2人将大块煤炭捡出。选后的煤块全部进入破碎机，将所有块煤粉碎后，通过选后返回带式输送机运至末煤带式输送机，最后运输到储煤棚存储。由TDS智能干选机洗出的大块矸石落入新建的矸石棚储存[2]，如图1所示。

图1 智能选矸系统工艺流程图

4 TDS智能选矸系统主要设备技术参数

1）原煤入料皮带，型号为DTL100/60/30，输送长度为37 m，带速为2.5 m/s，运输能力为600 t/h，运输倾角为10.88°。

2）TDS手选皮带，型号为DTL/100/5/15，输送长度为9 m，带速为0.5 m/s，运输能力为50 t/h，运输倾角为0°。

3）大块煤皮带，型号为DTL80/5/4，输送长度为22 m，带速为1.6 m/s，运输能力为50 t/h，运输倾角为10.4°。

4）选后返回皮带，型号为DTL100/50/37，输送长度为52 m，带速为2.5 m/s，运输能力为500 t/h，运输倾角为8.32°～11°。

5）正弦滚轴筛，型号为FZS6035200-21/10，滚柱材质为镍锰合金，给料能力为600 t/h，筛下粒度为0～35 mm、35～200 mm，轴数为21轴。

6）振动布料器，型号为TDS16-300-Z1424，处理量为200 t/h，入料粒度为0～300 mm，振幅为6～9 mm，振动频率为960 r/min。

7）智能干选机，型号为TDS16-300-S2D2，处理量为150 t/h，分选粒度为35～200 mm，头尾滚筒间距为8 m，主机功率为35 kW。

8）破碎机，型号为2DSKP70100，生产能力为100 t/h，入料粒度为300 mm，出料粒度不大于50 mm，破碎强度不小于200 MPa。

5 供配电系统和智能化系统

本系统安装设备台数共计18台，其中工作台数为17台。安装容量为564 kW，工作容量451 kW。在羊东一坑工业广场设置控制室一座，为选矸系统设备供电及控制，电源引自工业广场6/0.4 kV变电所低压备用回路，电源进线采用双根并联交联聚乙烯绝缘电力电缆（YJV22-1 kV-4×300+1×150 mm2）沿墙吊挂敷设至选矸控制室内，供电距离L=100 m。在变电所内新增2台TJJ-1-0.38 kV型低压开关柜作为选矸系统馈出柜，在控制室内5台TJJ-1-0.38 kV型低压配电柜（其中进线柜2台，馈电柜2台，联络兼馈电1台），TDS干选机电控1台，为各设备放射配电。

本次新建配电室内设置PLC控制分站，该控制站接入干选机控制主站，干选机控制主站预留通信口提供给全厂集控系统，并留有基本起停干接点。部分控制系统不再单独新建集控室，对新增设备的监控考虑由干选机控制系统统一监控管理。TDS智能干选机可提供无源干节点形式的运行信号及故障信号给全厂集控系统。

6 用电负荷分析

本次设计全站安装设备台数共计18 台，其中工作台数为17台。其中空压机2 套，功率为112.2 kW，一台工作，另一台备用；智能选矸机1套，功率为42 kW；除尘器1套，功率为60 kW；块煤破碎机1套，功率为2×22 kW；新建原煤搭接平行胶带机1台，功率为2.2 kW；新建原煤入料胶带运输机1台，功率为30 kW；除铁器一套功率为7 kW；犁式卸煤器1台，功率为2.2 kW；冷干机1套，功率为3.568 kW；三段交叉筛1套，功率为48.5 kW；手选带式输送机1台，功率为15 kW；振动布料器1台，功率为7×2 kW；电动三通分料器2台，功率为0.75 kW；电动葫芦1台，功率为5 kW；新建干洗后返回带式输送机1台，功率为30 kW；一部手选胶带机1台，功率为15 kW；设备电压等级均为0.38 kV。

经计算，全站负荷统计如下：安装容量为564 kW，工作容量为451 kW；全站计算负荷为：有功功率Pjs=332 kW；无功功率Qjs=289 kW；视在功率Sjs=441 kW；功率因数cos Φ=0.7；计算电流Ijs=672.58 A。

7 建筑设施

1）新建原煤入料皮带走廊，钢桁架结构，长为24 m，宽为2.8 m，高为2.2 m，屋面及围护结构均采用单层彩钢板结构。新建干洗后返回皮带走廊，钢桁架结构，长为38 m，宽为2.8 m，高为2.2 m，地基拟采用钢筋混凝土独立基础，基础埋深为1.5 m。

2）将原有部分矸石棚拆除，并新建干选车间1个，呈长方形，钢框架结构，长为20 m，宽为7 m，建筑总面积为140 m2，建筑高度为14.3 m。屋面及四周围护结构均采用彩钢板结构。

3）新建配电室，砌体结构，长为10.2 m，宽为4.6 m，建筑总面积为47 m2，建筑高度为3.5 m。

4）新建皮带机设备平台，钢结构，长为6 m，宽为5.5 m，高为10 m，屋面及6.5 m以上围护结构均采用彩钢板。

5）新建大块矸石棚1个，呈长方形，钢框架结构，长为10 m，宽为5 m，建筑高度为5.2 m。屋面及四周围护结构均采用彩钢板结构。

8 通风除尘

1）车间通风采用自然通风的形式，室外新鲜空气通过车间的门和窗进入车间，对车间进行补风。

2）粉尘治理目标。a.产尘点粉尘捕集率为98%以上，尘气不外溢，积尘罩内无烟尘外溢现象；b.布袋除尘器去除0.3 μm以上的粉尘颗粒后达到10.0 mg/m3的排放标准，经15 m排气管道高空排放；c.主要生产设备周边1 m处，颗粒物浓度小于2.0 mg/m3；d.厂界边界大气污染物浓度限值，颗粒物浓度小于1.0 mg/m3。

3）除尘工艺流程。分选系统振动筛和各下料口处设置独立集尘罩，并配套除尘设施将各集尘罩收集的除尘进行处理，分选系统除尘设施不与其他工序混用。

4）在分选系统振动筛、振动器、破碎机和各下料口处各独立集尘罩顶部连接通风管道，风管沿墙面和立柱固定，接至分选系统西侧新增袋式除尘装置。利用袋式除尘器配套风机通过集气罩和除尘通风管道，对分选系统振动筛、振动器、破碎机和各下料口产生的粉尘进行收集，收集后的粉尘通过袋式除尘器处理达标后外排[3]。

5）风量计算。

a.分选系统振动筛集尘罩集尘口截面积为3.0×1.5=4.5 m2，集尘口风速按1.0 m/s计算。平均总风量为4.5 ×1.0 ×3600×1.15=18630.0 m3/h。

b.分选系统振动器集尘罩集尘口截面积为2.0×1.5=3.0 m2，集尘口风速按1.0 m/s计算。平均总风量为3.0×1.0×3600×1.15=12420.0 m3/h。

c.分选系统破碎机集尘罩集尘口截面积为1.5×1.5=2.25 m2，集尘口风速按1.0 m/s计算。平均总风量为2.25×1.0×3600×1.15=9315.0 m3/h。

在分选系统块煤和矸石落料口处各设置钢制集尘罩1个，共8个。集尘口截面积均为1.0×1.0=1.0 m2，因块煤和落料口输送物料含水量较大，集尘口风速按0.5 m/s计算。平均总风量为1.0×0.5×3600×1.15=2070.0 m3/h。即除尘器需处理总风量为18630.0+12420.0+9315.0+2070.0 ×8=56925.0 m3/h。

6）除尘设备选型。分选系统需处理风量为56 925.0 m3/h，因此选择96-9型气箱脉冲袋式除尘器1台，分别处理分选系统振动筛、振动器、破碎机和各下料口处集尘罩收集的粉尘。96-9型气箱脉冲袋式除尘器的处理风量为60 100 m3/h，过滤面积为836.0 m2，过滤风速为1.2～2.0 m/min，滤袋数量为864条（防静电、防水、防油），耗气量为2.7 m3/min，设备阻力不大于1200 Pa，除尘效率为99.9%，排放浓度不大于10 mg/m3。除尘器选用具有防爆设计的产品，除尘器内设有铝箔防爆阀、电动机采用防爆电动机，收尘器内部不能留有堆料死角，设备应有防雷和接地设计[4]。

7）除尘通风管道。

a.集尘罩至除尘器除尘通风管道。

根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50019-2015中附录K“除尘风管的最小风速”规定：矿物粉尘垂直风管最小风速为14 m/s，水平管最小风速为16 m/s。

根据规范要求、通风量和风管计算，振动筛集尘罩至除尘器除尘通风管道管径选用φ600 mm镀锌圆钢板风管，壁厚为2.0 mm；振动器集尘罩至除尘器除尘通风管道管径选用φ500 mm镀锌圆钢板风管，壁厚为2.0 mm；破碎机集尘罩至除尘器除尘通风管道管径选用φ450 mm镀锌圆钢板风管，壁厚为2.0 mm；各下料口集尘罩至除尘器除尘通风管道管径选用φ200 mm镀锌圆钢板风管，壁厚为1.5 mm。除尘通风主管管道管径选用φ1120 mm镀锌圆钢板风管，壁厚为2.0 mm。

b.排气筒。根据《煤炭工业供暖通风与空气调节设计标准》GB/T 50466-2018中规定：除尘器后风管风速宜取8～14 m/s。根据规范要求、通风量和风管计算，排气筒管径选用φ1250 mm镀锌圆钢板风管，壁厚为5.0 mm，管道连接采用焊接，焊接处和镀锌层破坏处刷防锈漆2道。

8）除尘风机。a.风阻。根据各风管管径长度和沿程损失统计，经计算最不利点除尘管道和排气筒沿程损失为732.8 Pa，除尘器阻力为1200 Pa，风阀和局部阻力系数为0.2。总风阻为（732.8+1200）×1.2=2319.36 Pa。b.风量。除尘总风量为56 925.0 m3/h。

9）风机选型。除尘风机选择4-68NO-10D型防爆除尘风机，转速为1450 r/min，风机通风量为35 420～61 179 m3/h，全压为3442～2422 Pa，电动机功率为55.0 kW，电动机采用防爆电动机。

10）其它设备及附件。除尘器旁1.0 m处各设置1套7参数检测设备，检测参数包括PM2.5、PM10、TSP、温度、湿度、噪声和视频，并应具备联网和实时数据上传功能。

除尘器独立安装智能电表，智能电表需具备运行状态、实时电压、电流、功率数据采集上传功能。

9 环境保护

TDS为干选设备，不需要生产用水，生活污水进入污水处理设施处理后，均可进行综合利用。设备噪声采取降噪综合措施。煤矸石全部运往矸石周转场，生活垃圾采取无害化处理[5]。

10 技术创新点

1）降低人工工作强度，减员增效，节约成本；2）可实现无人值守，自动化水平高，提高生产效率和精度；3）有效改善生产车间工作环境，减少对人体健康的损害。

11 经济效益

1）产品质量。人工未能分拣出的矸石进入次煤产品，降低了次煤产品的煤质；次煤产品需运至马头洗选厂及邯郸洗选厂进一步洗选，增加了无效运输费用及后续洗选费用。TDS智能干选机矸石排出率高，可降低无效运输费用及洗选费用。其中，至洗选厂运输费用为15 元/t，洗选厂洗选加工费用为30 元/t。

以2016年为例，根据生产报表、羊东矿试验预测及现场调研，增加TDS智能干选机后，大于35 mm的产品每年可排出矸石21.75 万t，则每年可节省运费为21.75×15=326.25 万元/a。每年可节省洗选厂加工费：21.75×30=652.5 万元/a。综上，共计节省运费及加工费978.75 万元。

2）提高自动化水平。手选作为选煤的传统作业环节一直存在工人劳动强度高，工作环境差（包括噪声、粉尘）的问题。而TDS智能干选机基本上实现了无人值守，自动化水平高，提高了生产效率与精度的同时，也避免了对人体健康的损害。由于TDS本机配备有除尘系统，这也极大地改善了原煤车间的工作环境。羊东矿实施智能选矸系统前有手选工人数量为54人，人员数量较多。实施智能化选矸系统后，人数降为10人，按照人均每年工资5 万元计算，每年可节省人工费用5×44=220 万元。