井下巷道選煤工藝技術(shù)探討

王 娜，李佰云

(北京圓之翰工程技術(shù)有限公司，北京 100015)

井下巷道選煤工藝技術(shù)探討

王 娜，李佰云

(北京圓之翰工程技術(shù)有限公司，北京 100015)

闡述了井下選煤工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，比較分析了三種選煤工藝技術(shù)在井下巷道中的應(yīng)用特點，詳細(xì)介紹了井下重介質(zhì)旋流器選煤工藝設(shè)計實例，并結(jié)合井下巷道選煤技術(shù)特點，提出了井下選煤技術(shù)發(fā)展的方向和建議。

井下選煤；跳汰排矸；淺槽排矸；重介排矸；工藝布置

我國科學(xué)轉(zhuǎn)型發(fā)展要求煤礦生產(chǎn)模式的改革創(chuàng)新迫在眉睫。近年來，煤炭生產(chǎn)所帶來環(huán)境污染、矸石和煤泥廢棄物占地以及地面塌陷、粉塵污染、無效的運輸浪費等深層經(jīng)濟及社會問題引發(fā)了社會的廣泛關(guān)注。

井下巷道選煤技術(shù)是破解傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)環(huán)境問題的關(guān)鍵技術(shù)之一，是我國選煤工業(yè)的一個科學(xué)發(fā)展方向[1]。其特點是：將選煤系統(tǒng)建設(shè)在井下硐室和巷道中，在井下完成煤矸分離，矸石作為井下充填式開采的原料，或者直接充填采空區(qū)，僅需要將精煤產(chǎn)品升井至地面?zhèn)}儲。近年來，固體充填開采技術(shù)的迅速發(fā)展為井下巷道選煤工藝提供了技術(shù)支撐[2,3]。通過采煤、選煤、充填技術(shù)的集成和耦合，可實現(xiàn)采選充一體化[4]，既充分處理了矸石廢棄物，減小了采動影響，又能夠提高煤炭資源回收率，實現(xiàn)低碳、循環(huán)、綠色發(fā)展。

1 井下選煤工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，煤礦企業(yè)已經(jīng)進行了一些井下選煤的實踐，分別采用了井下選擇性破碎、動篩跳汰和重介淺槽分選實現(xiàn)了井下塊煤排矸，雖然規(guī)模較小，但積累了寶貴的工程經(jīng)驗。下面將對國內(nèi)幾種常用的井下分選工藝進行比較分析。

1.1 井下跳汰排矸工藝

山東新汶礦業(yè)集團協(xié)莊煤礦和開灤集團唐山礦分別于2009年和2013年先后建成了井下機械動篩跳汰機塊煤排矸系統(tǒng)。井下跳汰排矸工藝與地面選煤廠動篩排矸工藝類似：原煤經(jīng)50 mm分級，篩上300～50 mm粒級由塊原煤機械動篩跳汰分選，塊精煤、末原煤、高頻篩篩上物、壓濾煤泥運輸至井上，塊矸石充填。2013年，冀中能源邢東礦井下空氣室跳汰機排矸工藝投入使用，其工藝流程也與動篩跳汰機類似，入選粒度范圍為200～25 mm。

井下跳汰排矸，以水為介質(zhì)進行分選，優(yōu)點是工藝簡單，用水量少，生產(chǎn)成本低。缺點是：入料粒度范圍不能太大，有效分選深度和精度都不如重介分選；設(shè)備體積大，需要巷道和硐室尺寸大，受巷道地質(zhì)條件限制，支護費用高；跳汰機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護量較大。

1.2 井下重介淺槽排矸工藝

部分煤礦將成熟的重介淺槽技術(shù)依據(jù)井下條件對其進行改進并已成功應(yīng)用。2010年，新汶礦業(yè)集團濟陽煤礦、翟鎮(zhèn)煤礦井下淺槽排矸系統(tǒng)先后建成使用[5]。井下重介淺槽排矸工藝為：原煤經(jīng)25 mm(或50 mm)分級，篩上塊煤進入淺槽分選，末原煤及脫介脫水后的精煤運至地面再處理或出售；分選后的矸石進行脫介脫水、破碎作業(yè)后運至填充面填充。

井下采用重介淺槽排矸的主要優(yōu)點是：分選精度高，分選粒度范圍寬，單臺設(shè)備通過能力大，產(chǎn)品回收率高，對原煤入選量及粒度組成波動適應(yīng)性強；有效分選時間短，次生煤泥量低；結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和維護。但也存在缺點，該工藝需要介質(zhì)回收系統(tǒng)，工藝復(fù)雜，占用巷道總面積大，配套設(shè)備多。

1.3 大直徑兩產(chǎn)品重介旋流器排矸

隨著重介質(zhì)密度控制系統(tǒng)、生產(chǎn)集控系統(tǒng)、脫介設(shè)備、介質(zhì)回收設(shè)備的發(fā)展和完善，以及近年來耐磨管、耐磨設(shè)備和生產(chǎn)自動化技術(shù)的成熟發(fā)展，解決了以往重介系統(tǒng)存在的系統(tǒng)維護工作量大的缺點，使重介生產(chǎn)成本大幅降低，系統(tǒng)可靠性大大提高。目前，重介旋流器已在地面選煤廠得到了廣泛應(yīng)用，已成為煤炭洗選加工首選方法，將之用于井下巷道也是未來的一個發(fā)展方向。

井下采用大直徑重介旋流器分選的優(yōu)點是：可全粒級入選，無需預(yù)先分級或脫泥，并且分選粒度范圍寬，原煤入選粒度范圍可達(dá)200～0 mm，分選下限低，有效分選下限在1.0 mm左右；設(shè)備體積小，易于布置和操作，占用巷道較少；煤質(zhì)波動適應(yīng)能力強，分選精度高，處理能力大。

2 井下重介質(zhì)旋流器選煤工藝設(shè)計

下面以內(nèi)蒙古一礦井井下重介質(zhì)旋流器選煤工藝設(shè)計為例，來對井下重介質(zhì)旋流器選煤工藝進行詳細(xì)介紹。該礦井目前年產(chǎn)量約240萬t，主采本礦區(qū)5號、9號和16號煤層，其中：5號煤層采用刨煤機綜合機械化采煤工藝；9號煤層采用綜合機械化一次采全高采煤工藝；16號煤層二采區(qū)南翼采用綜合機械化一次采全高采煤工藝(大采高)，二采區(qū)北翼采用綜合機械化放頂煤采煤工藝。礦井現(xiàn)有主立井擔(dān)負(fù)全礦井煤炭的提升任務(wù)，井筒凈直徑4.5 m，提升高度約350 m，安裝JKM-3.25×4(Ⅲ)E型塔式多繩摩擦提升機，裝備1對12 t箕斗，鋼絲繩采用31ZBB6V×30+FC-1670型首繩4根、139×23ZAB-P8×4×9-1370型尾繩2根。井下設(shè)有兩座原煤倉，1號原煤倉直徑為6 m，容積約480 t；2號原煤倉直徑為8 m，容積約854 t。礦井地面有兩座年處理能力為300萬t的選煤廠，采用無壓給料三產(chǎn)品重介旋流器+煤泥重介+浮選+煤泥壓濾的選煤工藝。

2.1 井下重介排矸的提出

礦井要求原煤產(chǎn)能增加到5.0 Mt/a，但主井提升能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，目前最大提升能力僅約3.0 Mt/a。根據(jù)礦井的煤質(zhì)資料，原煤中矸石含量約20%，煤泥含量約10%。若建設(shè)5.0 Mt/a井下選煤廠，可以將井下洗選矸石充填在工作面，主井只提升粗精煤。粗精煤提升量約為3.5 Mt/a，矸石充填量1.0 Mt/a，通過泵排煤泥量為0.5 Mt/a。因此，井下選煤廠建設(shè)后，只需要對現(xiàn)有礦井提升系統(tǒng)進行簡單改造，將現(xiàn)有的12 t箕斗更換為13 t箕斗，同時更換相應(yīng)的設(shè)備。改造后，主井的最大提升能力為612 t/h，滿足粗精煤提升能力要求，不用再建新井，既節(jié)約了投資，又縮短了工期。

2.2 井下重介旋流器排矸工藝流程

各煤層原煤直接進入各自的原煤倉，在煤倉下口，通過原煤巷膠帶機進入井下選煤廠；井下選煤廠采用一套大直徑兩產(chǎn)品重介旋流器排矸，原煤入選粒度為150～0 mm，采用φ2 000 mm無壓給料兩產(chǎn)品重介旋流器脫泥分選；精煤脫介脫水采用B=2 500 mm靜態(tài)鏈?zhǔn)矫摻槊撍Y，篩孔為1.0 mm，脫介段長度為50 m，脫介脫水后的粗精煤通過精煤巷膠帶機進入精煤倉，利用主井提升運出；矸石脫介脫水采用B=2 000 mm靜態(tài)鏈?zhǔn)矫摻槊撍Y，篩孔為1.0 mm，脫介段長度為50 m，脫水后的矸石去充填；合格介質(zhì)和磁選精礦回合格介質(zhì)桶，磁選尾礦作為脫泥的噴水；煤泥水通過管路由回風(fēng)立井排至地面選煤廠處理；粗精煤再進入地面選煤廠分選，出精煤和中煤。

矸石充填流程為：井下選煤廠洗選出的矸石通過膠帶輸送機運至工作面，經(jīng)過回風(fēng)順槽，由轉(zhuǎn)載機提升到懸掛在支架上的充填開采輸送機內(nèi)，通過卸料孔將充填物料充填入采空區(qū)內(nèi)，將充填物料壓實并接頂。考慮工作面回采的不均衡性，增加一容量約350 t的矸石緩沖倉。

2.3 井下重介排矸工藝布置

井下巷道選煤廠總平面布置如圖1所示。巷道布置圖如圖2—4所示。為滿足9號煤層、16號煤層煤的分采分運要求，井下共布置四座煤倉，分別為9號煤原煤倉、16號煤原煤倉、9號煤精煤倉、16號煤精煤倉。因原有兩個原煤倉容積較小，主井能力提升后不能滿足新的提升緩沖需要，設(shè)計將1號原煤倉改為9號煤精煤倉，2號原煤倉改為16號煤精煤倉。新施工兩座煤倉，其中新施工的9號煤原煤倉凈直徑為 7 m，高度為40 m，倉容量為1 100t；新施工的16號煤原煤倉凈直徑為 10 m，高度為40 m，容量為2 200 t。

圖1 井下巷道選煤廠總平面布置

圖2 井下巷道選煤廠巷道布置圖一

圖3 井下巷道選煤廠巷道布置圖二

圖4 井下巷道選煤廠巷道布置圖三

設(shè)計將充填工作面布置在9號煤層處。一采區(qū)9號煤層平均厚度為2.54 m，煤層傾角1°～3°，地質(zhì)構(gòu)造簡單，目前生產(chǎn)采用綜采一次采全高回采工藝，工作面年生產(chǎn)能力為180萬t，有利于改造為充填回采。9號煤層煤容重為1.51 t/m3，回填矸石的松散容重按1.7 t/m3計算，則當(dāng)充填率達(dá)到50%時，即能消耗掉井下選煤廠洗選矸石。

井下重介排矸方案投資估算見表1。

表1 井下重介排矸方案投資估算

3 井下巷道選煤技術(shù)特點

與地面選煤廠相比，井下巷道選煤廠具有以下新特點：

(1)井下選煤作業(yè)應(yīng)符合井下安全規(guī)范，因此井下選煤廠的通風(fēng)、除塵可利用礦井系統(tǒng)；選煤廠的安全防護系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)完全可依托礦井系統(tǒng)建設(shè)；僅需單獨設(shè)置硐室變電所、檢修聯(lián)絡(luò)巷、通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、洗選硐室和短的轉(zhuǎn)載巷道。

(2)改變地面層疊式布置理念。受礦井建設(shè)和地質(zhì)條件的限制，井下選煤設(shè)計原則為最大限度地減少機械轉(zhuǎn)載運輸環(huán)節(jié)。結(jié)合井下巷道及硐室截面尺寸及長度的特點，將主要工藝設(shè)備布置在不同高度的硐室內(nèi)，在保證自流高度差要求的前提下最大限度地利用巷道高度差進行階梯式布置。

(3)可采用“井下排矸+地面洗選”雙結(jié)合的形式建設(shè)選煤廠，即簡化現(xiàn)有地面選煤廠生產(chǎn)工藝，將矸石用于采空區(qū)和巷道的充填，釋放地面矸石堆棄場地，節(jié)約土地。

(4)作為選煤廠的神經(jīng)系統(tǒng)，選煤生產(chǎn)控制系統(tǒng)應(yīng)有很高的可靠性和準(zhǔn)確性。井下選煤控制系統(tǒng)可分別設(shè)置于地面和井下現(xiàn)場，如主控制室設(shè)置在地面，集中控制室設(shè)置在主洗車間；井下生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置分控制室，并建立對工藝關(guān)鍵點的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(5)礦井選煤生產(chǎn)與礦井生產(chǎn)安全同等重要，因此，所有選煤設(shè)備均按礦井生產(chǎn)要求進行防爆設(shè)計。選煤廠的主要設(shè)備如刮板、膠帶、泵都是井下常見設(shè)備，日常檢修維護與礦井相同，而旋流器和磁選機檢修維護與地面選煤廠相同。

(6)井下選煤廠采用硐室(巷道)式結(jié)構(gòu)建設(shè)。硐室建設(shè)具有以下特點：硐室(巷道)斷面尺寸大于常規(guī)硐室；各硐室(巷道)間距小、數(shù)量多；變形控制要求高且硐室(巷道)能承受一定的振動，穩(wěn)定性要求高。硐室(巷道)的支護方式根據(jù)礦井的具體條件選擇高強度、高預(yù)緊力錨桿錨索強力支護系統(tǒng)或者二次聯(lián)合支護等。

綜上所述認(rèn)為，井下選煤技術(shù)尤其適用于以下幾種情況：

(1) 礦井深部開采，提升高度和能耗較高的礦井。據(jù)統(tǒng)計，運輸提升耗能約占礦井能耗30%以上，井下洗選矸石全部充填采空區(qū)，只需將產(chǎn)品煤升井運至地面直接裝倉儲存，從而能夠大大降低運輸能耗。

(2)開采毛煤含矸量較高，地面選煤廠入洗矸石量大的礦井。通過井下選煤廠分選后，矸石直接回填采空區(qū)，為礦井?dāng)U產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

(3)礦井開采煤質(zhì)變差，矸石和煤泥含量均增加，原有選煤廠矸石系統(tǒng)、煤泥水系統(tǒng)能力嚴(yán)重不足，地面選煤廠改擴建成本較高。通過井下選煤排矸以改善地面選煤廠生產(chǎn)指標(biāo)，或者僅針對特定高含矸煤層建立井下選煤系統(tǒng)，洗選后與其他煤層分別提升，實現(xiàn)分采分運。

(4)地面目前已無排矸場地，矸石處理費用高的礦井。將選煤廠建設(shè)在井下，洗選矸石在井下處理利用，地面無污染物排放，可實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色礦山的目標(biāo)。

4 結(jié)論與建議

井下巷道選煤工藝技術(shù)更新了傳統(tǒng)的洗選工藝和選煤工程建設(shè)模式，形成了一種全新的煤炭洗選理念，對煤礦環(huán)境將是一個革命性的改善。發(fā)展煤炭綠色生產(chǎn)模式，需要政府主管部門、各大礦務(wù)局、科研院校的足夠關(guān)注和重視，相關(guān)部門要積極配合，共同推進新項目的建設(shè)和實施。鑒于目前井下排矸工藝技術(shù)發(fā)展較為緩慢，因此結(jié)合實際，對發(fā)展井下選煤技術(shù)提出幾點建議：

(1)優(yōu)化采、選、充一體化系統(tǒng)，做到協(xié)調(diào)、統(tǒng)一。對于生產(chǎn)礦井來說，要結(jié)合生產(chǎn)礦井的實際情況，如井底煤倉的存儲能力和位置、主井提升方式和提升能力，進行必要的支架改造及適當(dāng)增加運輸轉(zhuǎn)載等。對于新建礦井，應(yīng)在新井建設(shè)初期，綜合考慮采、選、充一體化建設(shè)、一體化生產(chǎn)，既節(jié)省投資，又能夠優(yōu)化布局實現(xiàn)能效最大化。

(2)對選煤設(shè)備進行改造，以達(dá)到國家煤礦安全強制性標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高選煤設(shè)備在井下環(huán)境中的適用性、可靠性，實現(xiàn)專業(yè)化、系列化。考慮到巷道尺寸、圍巖的穩(wěn)定性和支護費用，應(yīng)研究和開發(fā)輕型組裝篩分、脫水脫介設(shè)備以及高效小型化的濃縮設(shè)備、壓濾設(shè)備。

[1] 楊俊利. 發(fā)展煤礦井下選煤技術(shù)與裝備的思考[J]. 選煤技術(shù), 2010 (1): 53-44，78.

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[5] 邢成國, 許建寧, 李 寶. 煤礦井下重介淺槽排矸系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù), 2011(5): 51-54.

Discussion on coal preparation technology in underground roadway

WANG Na, Li Bai-yun

(Beijing YZH Engineering Technology Co., Ltd. , Beijing 100015, China)

Development situation on underground coal preparation technologies is introduced, which includes application analysis of three kinds of coal preparation technologies in underground roadway as well as detailed project of underground dense medium cyclone coal dressing technology. What' more, based on technical features of coal dressing technology in underground roadway, suggestion on the development of this technology is proposed.

underground coal preparation; reject removal by jigging; reject removal by heavy medium vessel; process arrangement

1001-3571(2015)06-0062-04

TD942

B

2015-08-25

10.16447/j.cnki.cpt.2015.06.017

北京市優(yōu)秀人才資助項目

王 娜(1984—)，女，安徽省蚌埠市人，博士，從事選煤工藝設(shè)計及技術(shù)研究工作。

E-mail:wangna@bj-yzh.com Tel：15901175605