轉子式煤矸破碎分選裝置試驗研究

趙紅斌

內蒙古利民煤焦有限責任公司 內蒙古鄂爾多斯 016064

原 煤中通常摻雜矸石等非煤物質，嚴重影響原煤質量和選煤效率，增加分選成本。同時，矸石山危害生態環境，破壞自然景觀，遭受雨淋或浸漬后，對水環境和土壤環境造成二次污染，長期堆放還會引起自燃，對礦區居民的生活和健康造成不利影響[1-2]。在煤炭開采過程中直接進行煤矸分選，不僅節省輸送運力與成本，還能夠為采空區提供充填原料，有效解決矸石地面排放問題[3-4]。

煤矸分選工作原理大多基于比重[5]、射線衰減[6]等物理性質，目前主要分選技術包括圖像識別[7]、微控制器式[8]、液壓式[9]、沖擊式[10]等，然而多數對煤礦井下作業條件有嚴格要求，或仍需先輸煤再破碎，阻礙輸送效率進一步提高。基于此，提出一種轉子式煤矸破碎分選裝置，該裝置安裝于掘錨機機身，且入料口與轉載機相連接，利用煤炭和矸石之間的硬度差異，對煤矸進行沖擊破碎分選，煤塊落入輸送帶繼續輸送，而矸石則直接被排出，為井下煤矸分選提供一種新的途徑[11]。同時借助分形維數對破碎進行評價，有助于提高分選效果。

1 結構特點及工作原理

轉子式煤矸破碎分選裝置如圖1 所示，其結構組成及工作原理如圖2 所示。該裝置主要包括入料口、沖擊轉子、沖擊板、彈性桿篩[12]、撥料盤以及卸矸口等。入料口與轉載機相接，煤矸混合物料通過入料口進入破碎分選裝置，高速轉動的沖擊轉子對物料進行一次破碎，隨后物料被轉子拋出，并在慣性力及離心力的作用下，與沖擊板發生碰撞，完成二次破碎。沖擊轉子的轉速通過變頻器調節，用于控制轉子對物料的沖擊力度，調速范圍為 50～ 1 000 r/min。煤的硬度較低，經沖擊后破碎為小塊，而硬度較高的矸石基本保持原來的塊度。隨后煤矸混合物料落入彈性桿篩，彈性桿篩由多根彈性桿組成，篩網尺寸可根據具體工況選擇，其激振力由破碎后煤矸物料的沖擊力提供，桿篩振動使煤炭下落至輸送帶進行輸送，而矸石保留在篩網之上，通過撥料盤從卸矸口排出，從而實現井下煤矸分離。

圖1 轉子式煤矸破碎分選裝置Fig.1 Rotor-type coal and gangue crushing and separation device

圖2 結構組成及工作原理Fig.2 Structure and working principle

2 試驗材料與方法

選取河南登封金嶺煤礦、山東新汶良莊煤礦、江蘇徐州大劉煤礦以及山西臨汾郭家山煤礦的煤和矸石作為試驗材料，不同礦區典型煤矸普氏硬度及硬度差如表1 所列。對煤矸樣品進行篩分，并劃分為 3 組相同的試料，每組試料塊度與質量構成如表2 所列。

表1 不同礦區典型煤矸硬度Tab.1 Hardness of typical coal and gangue

表2 試料塊度與質量構成Tab.2 Composition of fragment-size and mass of experimental material

根據工程經驗，對 3 組煤矸試料分別進行初速度為 6、8、10 m/s 的沖擊破碎試驗，統計不同塊度的試料質量，并通過計算得到破碎率。

3 結果與分析

3.1 試驗結果

一次破碎后不同塊度試料質量分布如表3 所列。可以看出，破碎后的煤矸塊度集中于 70 mm 以下。當初速度為 6～ 8 m/s 時，塊度為 50～ 70 mm 的煤矸分布最多；當初速度為 10 m/s 時，35 mm 以下的煤矸質量最大。不難發現，初速度越大，小塊度占比越高，破碎越充分，分選效果越好。

表3 一次破碎試料質量分布Tab.3 Mass distribution of primary crushing experimental material

一次破碎后 50 mm 以下的煤矸比重如圖3 所示。對試驗結果進行線性擬合，得到一次破碎中 0～50 mm 的煤矸占比y關于初速度x的關系式y=4.425x+20.333 3，相關系數R=0.984 3。

圖3 一次破碎后 50 mm 以下的煤矸比重Fig.3 Proportion of coal and gangue below 50 mm after primary crushing

由圖3 可知，在第一次沖擊破碎后，50 mm 以下的煤矸破碎率近似服從線性分布，破碎效果有待進一步提高。基于此，取出上述每組試驗后塊度范圍為 0～ 35 mm 的試料后，將剩余 4 種塊度的試料再次平均分為 3 份，按照不同的沖擊速度，進行二次沖擊破碎試驗，試驗結果如表4 所列。

表4 二次破碎試料質量分布Tab.4 Mass distribution of secondary crushing experimental material

將初速度為 6、8 和 10 m/s 的煤矸二次破碎后的煤矸占比分別記為y1、y2及y3，二次破碎速度記為x1、x2及x3，二次破碎后 50 mm 以下的煤矸占比如圖4 所示。可以得出關系式：y1=4.625x1+24.433 3，y2=1.025-9.3x2+71.3，y3=-1.95+35.6x3-83.2。

圖4 二次破碎后 50 mm 以下的煤矸比重Fig.4 Proportion of coal and gangue below 50 mm after secondary crushing

由圖4 可知，不同初速度的二次破碎率存在明顯區別。初速度為 6 m/s 的二次破碎率近似線性函數；隨著初速度的提高，二次破碎率展現出非線性特征；初速度為 8、10 m/s 的二次破碎率均可擬合為二次函數。由于尺度效應的存在，煤塊破碎率會趨向于某一極限值而發生鈍化。此時可考慮降低速度，以保證矸石不被大量破壞。

3.2 分布特征分析

煤作為巖石的一種，從微觀損傷發展到宏觀破碎，其結構演化的幾何特征、力學性質及物理性質均表現出一定的自相似性，導致其破碎后的塊度分布也具有自相似的特征[13]。在描述塊度分布規律的函數中，應用較為廣泛的有 Rosin-Rammler (R-R) 與Gaudin-Schuhmann (G-S) 分布函數[14]。

R-R 分布函數

式中：y為煤塊破碎后小于r的相對累積量；r為煤塊破碎后的尺寸，即篩網尺寸；r0為塊度特性系數；n為均勻性系數，n值越小，代表塊度分布范圍越廣。

G-S 分布函數

式中：r1為塊度分布直線與y=100% 線段交點上的r值，其他符號含義與式 (1) 相同。

3.2.1 分形理論

分形理論是現代非線性科學的主要分支之一，在化學、地質、礦物等諸多領域廣泛應用。分形維數是分形理論的重要原則，用于定量描述分形自相似程度。陳雪梅等人[15]發現煤的分形維數大于矸石，有望根據這一差異識別煤矸。李旭[16]研究了煤的變質程度與分形維數之間的變化關系。Zhang 等人[17]發現分形維數隨著小顆粒含量的增加而增加，并趨于一個確定的數值。Ding 等人[18]建立了與分形維數相關的破碎能量公式模型。

采用孔徑為r的篩分裝置篩選破碎后的煤塊，直徑小于r的煤塊落于篩下，記煤塊質量為mr；而直徑大于r的煤塊則留在篩上，記塊度總數為nr；煤塊總質量為m，則直徑小于r的煤塊比重

式中：r0為平均尺寸，mm；b為mr/m在雙對數坐標下的斜率值，mm。

當r/r01 時，對式 (3) 按級數展開舍去第二項，式 (3) 可變為

比較式 (3) 和 (4) 可知，當r較小時，兩式結果相同；當r較大時，兩式存在較大區別。通常認為R-R 分布函數適用于粗粒端，而 G-S 分布函數適用于細粒端[19-20]。

對式 (4) 求導，有

由分形的定義可知nr∝r-D，則

式中：D為分形維數，數值越大代表破碎程度越高。又有 dm∝r3dn，則

由式 (7) 可得

可見，使用塊度分形維數作為特定載荷方式下的破碎特性指標，具有一定可行性[21-22]。

3.2.2 分形維數

對表3 和表4 中的數據進行線性回歸得到斜率b，并獲得一次破碎和二次破碎的分形維數，如表5、6 所列。同時得到煤塊沖擊破碎后的塊度分布規律，分別如圖5～ 8 所示。

表5 一次破碎分形維數Tab.5 Fractal dimensions of primary crushing

表6 二次破碎分形維數Tab.6 Fractal dimensions of secondary crushing

圖5 一次破碎塊度分布Fig.5 Fragment-size distribution of primary crushing

圖6 初速度為 6 m/s 的二次破碎塊度分布Fig.6 Fragment-size distribution of secondary crushing with initial velocity of 6 m/s

圖7 初速度為 8 m/s 的二次破碎塊度分布Fig.7 Fragment-size distribution of secondary crushing with initial velocity of 8 m/s

圖8 初速度為 10 m/s 的二次破碎塊度分布Fig.8 Fragment-size distribution of secondary crushing with initial velocity of 10 m/s

不難發現，隨著沖擊速度和次數的增加，破碎后煤塊的分形維數近似呈線性增長。因此，在入料煤塊的分形維數一定時，建立破碎后的分形維數與沖擊速度的關系，可以指導分選工作參數的優化，在破碎前對分選效果進行預測。

對不同的入料分形維數D0，以沖擊速度v和破碎后煤塊的分形維數D為變量，通過線性回歸建立v和D的關系，如表7 所列。

表7 分形維數與沖擊速度線性關系Tab.7 Linear relationship between fractal dimension and impact velocity

4 結論

(1) 轉子式煤矸破碎分選裝置能夠進行井下煤矸篩分，且煤矸硬度差越大，分選效率越高。

(2) 通過該裝置進行煤矸分選，煤塊破碎率與沖擊速度存在函數關系，不同沖擊順序對破碎效果的影響不存在顯著差異。

(3) 結合分形理論及試驗所得回歸方程，可用于評價井下煤矸分選效果。

(4) 隨著沖擊速度和次數的增加，破碎后煤塊的分形維數近似呈線性增長。