毛煤脫水系統在母杜柴登礦井的應用實踐

霍志飛

(中煤集團西北能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

母杜柴登井田承壓水含水層主要有白堊系下統志丹群、侏羅系中統直羅組、中下統延安組及三疊系上統延長組等地層，承壓水含水層分布廣泛。礦井設計初期正常涌水量為1 460 m3/h，后期最大涌水量預計為3 000 m3/h。2017年6月礦井試生產以來，由于工作面涌水量不斷增加，多次發生帶有明水的煤埋壓機尾及井下煤倉竄倉等事故，導致系統無法生產。隨著工作面逐步推進且受沖擊地壓影響，回風順槽和機尾超前段發生底鼓、片幫、漏頂，使巷道斷面變小，需采取密集支護，且支護長度超過200 m，導致工作面積水無法從機尾排出，只能通過煤流將水帶出，煤流中可見的明水高達40%左右，給運輸、儲存、地面加工和銷售帶來諸多隱患和困難。同時，由于毛煤水分高，產品質量無法保證。礦井在排水方面做出了諸多嘗試，但都沒有明顯效果。

1 建設毛煤脫水系統的必要性

(1)由于礦井工作面涌水量較大，為俯采，而且受沖擊地壓的影響，回風巷時常發生變形、底鼓，積淤積水嚴重，且嚴禁人員進入，導致工作面的水無法從刮板機機尾經回風巷排出，全部由刮板機帶入煤流中。

(2)工作面及采空區的水大量進入煤流中，使得毛煤中可見明水較大，入倉后造成竄倉事故，嚴重影響設備運行和人身安全。

(3)箕斗進行提煤時，如果箕斗中煤的水分過高，則會影響箕斗的穩定性，形成安全隱患。

(4)帶有明水的煤經箕斗提升至地面，在帶有傾角的膠帶運輸機運輸過程中，明水會帶著煤發生倒滑，特別是當事故停機后，膠帶上帶有明水的煤會一瞬間滑到機尾，將機尾埋壓。

(5)毛煤水分大時，較小粒度的煤泥會粘在膠帶運輸機帶面上，造成清掃器、帶面、托輥嚴重磨損，材料成本增加，檢修工作量增大。

(6)帶有明水的毛煤進入選煤廠后，造成原煤系統篩分困難，堵塞篩板，需定期清理，嚴重時每2 h就把整個篩面糊滿，影響篩分效率。

(7)帶有明水的煤篩分效率低，導致大部分煤泥進入塊煤系統，影響分選效果，而且煤泥量增加。

井下毛煤水分過大形成重大安全隱患，嚴重影響礦井正常生產，因此，在井下增設毛煤脫水系統十分必要。

2 毛煤脫水工藝及設備布置

2.1 毛煤脫水工藝

井下西翼區域毛煤經25 mm(可調)分級脫水篩進行一級脫水，篩出明水含量高的小于25 mm物料，減少進入脫水系統的煤量。大于25 mm物料進入破碎機，破碎至小于300 mm后進入主運煤門膠帶運輸機，進入井底煤倉；小于25 mm篩下物料再經1 mm(可調1～1.5 mm)脫水篩進行二級脫水，篩上物直接進入主運煤門膠帶運輸機，進入進底煤倉；篩下煤泥水經0.35 mm弧形篩預脫水后，再進入篩縫為0.5 mm高頻篩進行三級脫水，篩上物經轉載進入主運煤門膠帶運輸機，篩下物進入深錐斜板濃縮機進行濃縮沉淀，底流進入壓濾機進行壓濾，壓濾后的煤泥經轉載進入主運煤門膠帶運輸機，壓濾機的濾液和深錐斜板濃縮機的溢流經泵送至水倉，實現系統煤與水徹底分離且分別回收利用。

圖1 毛煤脫水系統原則工藝流程

2.2 工藝布置

毛煤脫水系統的一、二級脫水設備主要布置于主運輸大巷帶式輸送機機頭破碎硐室處，在主運煤門和回風煤門之間新掘壓濾硐室，布置三級脫水和煤泥脫水、煤泥水沉淀和壓濾系統。壓濾后的煤泥與粗煤泥返回到主運煤門膠帶，濾液水返回井下水倉。毛煤脫水系統設備流程見圖2，毛煤脫水壓濾系統設備布置見圖3。

圖2 毛煤脫水系統設備流程

圖3 毛煤脫水壓濾系統設備布置

2.3 工藝參數選擇

根據井下實際情況，經研究分析，主要參數選取如下。

(1)主煤流通過能力：以3-1煤西翼大巷帶式輸送機的運輸峰值計算，Q=3 400 t/h；

(2)生產毛煤全水分Mt不小于26%；

(3)煤泥水系統處理能力：Q=1 200 t/h；

(4)分級篩篩孔φ25 mm，分級效率70%；

(5)脫水篩篩孔φ1.0 m，脫泥效65%；

(6)高頻篩篩孔φ0.5 mm，篩上回收率80%；

(7)壓濾機濾餅水分Mt為24%。

2.4 主要工藝設備

2.4.1 設備選型原則

根據井下條件，設備選型的原則如下：

(1)設備拆裝部件尺寸滿足井下運輸條件；

(2)設備扁平化設計以降低硐室高度，最大高度不得超過6 m，寬度不超過4 mm；

(3)振動脫水篩在滿足井下毛煤通過量的前提下，盡可能提高脫水效果；

(4)所有設備必須滿足井下使用條件，沒有取得“MA”認證的成套設備，其配電必須使用“MA”認證的產品；

(5)由于井下條件導致煤量的不穩定，所以設備能力在條件允許的前提下，盡可能偏大，不均衡系數為1.2。

2.4.2 主要工藝設備選型

井下毛煤脫水系統的主要工藝設備選型見表1。

表1 井下毛煤脫水系統主要工藝設備選型

2.5 運輸系統改造和壓濾硐室

根據毛煤脫水系統的布置情況，需對原有主運輸系統各設備進行改造。一是將西翼大巷帶式輸送機機頭抬高1 500 mm，原混凝土基礎加長1.5 m，重新制作膠帶運輸機機頭架；膠帶運輸機滾筒向前延伸800 mm；原有的破碎機需下放500 mm，同時向機尾方向移動3 900 mm，重新制作支撐平臺，包括支撐平臺梁窩改造、增加鋼立柱、增大型鋼型號等。將原主運輸煤門帶式輸送機機尾同時向后移動4 000 mm。

在主運煤門膠帶運輸機中部建設壓濾硐室，壓濾硐室采用錨網噴+鋼筋混凝土砌碹復合支護，內部主要布置弧形篩、高頻篩、濃縮機、壓濾機及相關配套的泵、桶篩設備。

井下毛煤脫水系統用電設備總計安裝容量342.20 kW，高壓電源10 kV，低壓電源660 V，照明及控制電源127 V，建設工期為2個月，與主運系統銜接的設備安裝和改造工期15 d，利用礦井搬家期間進行改造，2018年2月20日開始建設，全系統于2018年4月19日正式投入使用。

3 井下毛煤脫水系統使用情況

3.1 系統運行情況

母杜柴登礦井井下毛煤脫水系統于2018年4月19日正式投入使用，在使用過程中，主運輸大巷膠輸送機帶機能力達到或超過3 400 t/h時，系統運行可靠穩定。經取樣化驗分析，當毛煤入篩前水分在15%以下時，脫水后毛煤水分在13.5%以下，脫掉近1.5個百分點的水分。當毛煤入篩前水分大于15%時，脫水后，毛煤的水分可以控制在15.0%以內。也就是說不管來煤水分多高，通過毛煤脫水系統后，毛煤的水分(全水分)基本可以控制在15%以內。脫水前后檢測數據見表2。

表2 脫水前后檢測數據

3.2 系統創新點

3.2.1 實現煤閉路、水分離

毛煤脫水系統完全嵌入原有井下運輸系統中，其中一、二級脫水設備成為原有運輸系統的一部分；同時一、二級脫水設備的控制嵌入原有控制系統中，與原有設備形成相互閉鎖關系，三級脫水及煤泥水處理后的煤全部返回到原有運輸系統，煤泥水返回到井下水倉。

3.2.2 采用多級振動脫水

采用三級脫水，一級為25 mm(可調)分級脫水，二級為1 mm(可調)分級脫水，三級為0.5 mm分級脫水，煤泥水采用沉降壓濾處理。一、二級分級脫水篩的振源采用激振器傳動，其激振加速度接近5g，這樣可以使煤流經過篩機時，被強制向上拋射，在上升和下降過程中，物料松散度不斷地發生變化，使煤水分層，如此往復，煤流中的水就會被強制從煤中分離，并通過篩板，從篩下分離出來。如果沒有強制振動分離，則只有煤流下層的水分被脫離，中上層的水就不會被脫離，脫水的效果較差。

3.2.3 增大篩面傾角

受井下空間的限制，篩機的最大尺寸為2600mm×4800mm，來料的速度為4 m/s。經計算，動篩的篩面傾角至少為30°時，可以保證正常處理能力在2 500～3 400 t/h，且簡單、順暢，自動化程度高。

3.2.4 提高三級脫水效果

毛煤中的水分受工作面地質條件影響，含水量變化較大，經一、二級脫水后的水分不穩定，所以三級脫水采用振動弧形篩+高頻篩，而不采用旋流器+高頻篩，從而保證弧形篩的預脫水濃縮效果，也充分發揮高頻篩的脫水作用，保證了1.0(1.5)～0.5 mm粒級粗煤泥水分穩定。

3.2.5 煤泥水采用不加藥沉降

由于煤泥為原生煤泥，同時考慮到處理后的煤泥又要摻回到毛煤系統，為了減少對原煤倉儲和洗選系統的影響，煤泥水沉降不采取加藥工藝，而是選用高效傾斜板深錐沉淀濃縮機，運行效果較好，在保證沉降效果的同時也滿足壓濾機的入料濃度要求，減少了對后序環節的影響。

3.2.6 充分利用脫水工藝系統

當毛煤水分較低，不需要脫水時，則可將中央水倉的煤泥水通過泵輸送到煤泥水系統進行處理，一是可以減少清理水倉的處理成本，二是可以延長水倉的使用周期，三是可以降低用傳統方式處理水倉時煤泥的水分，同時也提高了煤泥水系統的利用率。

3.2.7 設備布置合理

西翼大巷膠帶運輸機機頭破碎機原設計不僅要處理西翼3-1煤，同時也要處理東翼3-1煤，本次改造時，破碎機兼顧東、西翼的功能沒有改變，也不影響后期東翼膠帶運輸機的布置。

3.2.8 穩定了毛煤水分

系統投入生產以來，毛煤脫水系統可以有效穩定原煤水分，不管來煤水分多大，系統都可以將毛煤的水分控制在15%以內。

4 應用效果

毛煤脫水系統投用后，礦井涌水量逐漸增加，最高達3 200 m3/h，但沒有發生一起因毛煤水分較大引起的事故。在系統投用前，礦井涌水量為1 500 m3/h左右，多次發生井下煤倉竄倉事故，101帶式輸送機煤流倒流埋機尾事故，為此，還在101機棧橋機尾段將棧橋底板開口放煤。

如果以不造成人員傷亡和機電設備損壞為前提，每發生1次事故將影響至少1 h，以生產量2 000 t/h、每月5次事故計算，每月少出煤1萬t，則從投運到2019年10月，共計少出煤17萬t，按每噸售價150元計算，則可挽回損失2 500萬元。以全年混煤水分降低1.5個百分點計算，1個百分點的水分影響發熱量為70 kcal/kg(292.6 kJ/kg)，每100 kcal/kg(418 kJ/kg)煤炭的平均價格以6元計算，全年生產原煤600萬t，混煤產率為49%，則每年增加的效益為600×0.49×1.5×70×6/100=1852.2(萬元)。

5 結 語

母杜柴登煤礦井下建設了主要包括三級脫水和后續煤泥水處理的毛煤脫水系統，該系統生產以來，不僅完全脫去煤流中的明水，還將原煤水分控制在15%以內，解決了毛煤運輸、存儲的竄倉、倒流等安全隱患，同時也降低了對原煤洗選加工系統的影響，提高了礦井經濟效益。