井下煤矸分离系统技术研究与应用

文/孙艳军

冀中能源峰峰集团孙庄矿主要以山青薄煤层开采为主，在掘进半煤岩巷道时，会产生大量的矸石。原煤运输过程中，通常连同矸石一同运输到井上，不仅降低了原煤质量，而且增加了井上选矸的负担。为此，孙庄矿通过对井下原煤运输系统进行改造，实现了煤矸在井下自动分选，有效解决了掘进半煤岩巷道时的煤矸分离难题，提高了煤质，减轻了井上职工选矸的劳动强度。

一、系统现状

孙庄矿井下原煤运输系统通过三条皮带将原煤运送到主煤仓。南翼出煤运输系统由南翼一部皮带通过南翼一部刮板输送机直接进入主煤仓；北翼出煤运输系统由北山青一部皮带直接进入主煤仓；北山青出煤系统由北翼一部皮带直接进入主煤仓。三条出煤系统均没有煤矸分离功能，加之回采、掘进工作面出煤时常有大砟伴随，造成煤仓内煤炭灰分大、原煤煤质不高，且时有棚仓现象发生。此外，南翼一部皮带及一部刮板输送机各需安排一名专职皮带司机，北山青一部皮带需安排一名专职司机。在井下限员的影响下，为实现减人提效，提高煤质，亟须对运输系统进行改造。

二、煤矸分离系统技术研究

1.技术分析

通过对井下原煤皮带运输系统进行分析，提出在井下对原煤运输系统进行改造，采用动筛技术在井下直接将原煤中的矸石分离后就地处理的设计改造方案。对原来的原煤皮带运输系统进行改造，在北山青一部皮带东北方向新建造一个储矸仓；将南翼皮带机头延长与北山青一部皮带搭接；通过对巷道进行改造，将北翼一部皮带直接与北山青一部皮带搭接。这样，南翼、北翼和北山青三个地区的原煤通过三部皮带最终都汇集到北山青一部皮带上。

为了将煤与矸石进行有效分离，在北山青一部皮带机头安装一台高效率的9轴滚动筛及砟皮带、煤皮带，南翼、北翼和北山青三个地区的原煤通过北山青一部皮带进入滚动筛进行煤矸分选后，原煤进入主煤仓，矸石进入储矸仓，最终实现煤矸分离。煤矸分离系统运行示意图如图1所示。

图1 煤矸分离系统运行示意图

2.电动滚动筛设备选型设计

根据孙庄矿巷道的限制条件，主要设备滚动筛要求体积相对较小、整体结构紧凑。根据使用过的其他滚动筛的经验，选择独特的9轴单轴式驱动滚动筛，其宽度为1500mm，长度为2400mm，允许最大进口粒度为500mm，单机装机功率为7.5kW，总装机功率为9×7.5kW。

滚动筛处理量的计算采用经验公式：

×0.75=371t/h ＞300t/h（该出煤系统最大运量为300t/h），处理能力满足该出煤系统生产要求。式中：q—滚动筛的处理量，t/h；

φ—有效筛分面积系数（单层或多层筛的上层筛面，φ=0.8～0.9），此处取0.8；

A—滚动筛面有效面积，m2；经计算为3.6m2；

q0—单位筛分面积容积处理量，m3/（m2·h）；取值为76；

ρs— 煤矸石松散密度；取值为1.3t/m3；

K1～K8—滚动筛9轴间影响因素修正系数，计算中分别取值为：1.7、0.96、1、1.5、0.89、1、0.8、0.75。

三、北翼改造巷皮带输送机选型设计

北翼改造巷皮带输送机负责将北翼一部皮带的原煤转运至北山青一部主运皮带上，因此，满足北翼一部主运皮带的运输量Q=300t/h即可。该皮带输送机的运输长度L=230m，倾角β＝5°，初选运行速度V=2m/s，带宽B=800mm。

1.传动滚筒圆周力计算

式中：F—传动滚筒圆周力，N；

CN—附加阻力系数，CN=1.17；

f—运行阻力系数，f=0.03；

qt—承载、回空托辊组转动部分单位长度质量，qt=11.98kg/m；

q0—输送带单位长度的质量，q0=12.32kg/m；

g—重力加速度，g=9.81m/s2；

q—每米输送带上的物料重量，q=Q/3.6V=300/（3.6×2）＝41.66kg/m；

H—皮带提升垂直高度，

2.传动滚筒运行功率计算

式中：P—传动滚筒运行功率，kW；

F —传动滚筒的圆周力，14318.77N；

V—运行速度，2m/s。

3.驱动电动机功率计算

式中：PM—驱动电动机功率，kW；

P—传动滚筒运行功率，28.63kW；

η—驱动系统机械效率，取1；

ζ—驱动系统正功率运行时的传动效率，取0.9；

ζ1—驱动系统负功率运行时的传动效率，取0.95。

根据计算，选用2台额定功率为40kW的永磁滚筒电动机。通过输送带张力和皮带悬垂度与强度校核，证明在所给条件下可以使用SD-80型吊挂式皮带输送机，用两台40kW永磁滚筒电动机拖动可满足使用要求。

四、运煤和运砟皮带输送机选型

根据现场需要及卸煤和卸矸高度要求，两部皮带输送机选择带速V=0.8m/s，带宽B=800mm，运输量分别为Q=200t/h（运量满足需要）。

运煤皮带长度L=25m，经过计算，选用1台额定功率为18.5kW的永磁滚筒电动机可满足运输要求。

运砟皮带长度L=12m，经过计算，选用1台额定功率为11kW的永磁滚筒电动机可满足运输要求。

五、具体实施

在井下北山青一部皮带东北方向新建造一处储矸仓，专门收集分选出来的矸石，矸石通过砟皮带输送到砟仓后再进行处理。将南翼皮带机头进行延长，改变原来的原煤输送路线，把南翼一部刮板输送机拆除，直接将南翼皮带与北山青一部皮带搭接，将原煤输送到北三青一部皮带后，再送入煤仓。在北翼一部皮带东北侧方向新掘进一条长230米的巷道，铺设一条北翼改造巷皮带，也与北山青一部皮带搭接，改变原来的北翼原煤运输路线，将原煤转运到北山青一部皮带后，再送入煤仓。

为了将南翼、北翼及北山青三条运输系统的原煤进行煤矸分离，对原煤汇集到一起的北山青一部皮带进行改造，将北山青一部皮带机头缩短，与主煤仓之间留出空间，安装一台电机独立驱动的9轴可变倾角结构滚动筛，北山青一部皮带上的原煤进入滚动筛进行自动分选，分选出的原煤通过安装在滚动筛下方的煤皮带送入主煤仓，大块矸石通过滚动筛机头的砟皮带，被运输到砟仓进行处理。

通过对三个地区的主运皮带改造，安装滚动筛及砟皮带、煤皮带，对煤矸进行机械化自动分离，最终实现煤矸无人化分选。

六、应用效果

孙庄矿通过对井下原煤运输系统进行改造，实现了煤矸在井下自动分选，分离后的矸石直接在井下回填，解决了煤矸分离难题。通过该分离系统，把粒度为150mm以上的矸石筛出，使半煤岩巷掘进生产的原煤灰分降低了15%以上，原煤总灰分降低了4%以上，吨煤售价提高了60元～120元，同时减轻了井上选矸的负担和职工劳动强度，取得了显著的经济效益和社会效益。