適用于井下排矸的幾種分選方法簡介

張舒潔

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，陜西 西安710075）

從我國能源發展趨勢看，煤炭仍是我國的主體能源，是保障能源安全的基石，煤炭工業發展面臨諸多機遇。根據加快建設綠色礦山的實施意見，要“區別情況、分類指導，對于新建礦山，要求按照綠色礦山標準要求進行規劃、設計、建設和運營管理；對于生產礦山，要求結合實際，區別情況，積極推動升級改造，逐步達標”。“綠色”思維要貫穿于整個煤礦開采及生產全過程，隨著綠色開采、以煤換矸思維的創新與延伸，以及潔凈煤技術的創新發展，井下選煤也就應運而生。

井下選煤嚴格意義上講應該叫做井下排矸，受井下硐室大小、井工作業條件限制，目前還只能做到簡單意義上的排矸，并沒有達到真正意義上的洗選。隨著機械化采煤技術和放頂煤開采技術的應用，原煤矸石含量高，為后續地面洗選帶來不便。井下排矸避免了矸石提升，有效減少了原煤中的含矸率，減少了提升能耗和無效的地面運輸，井下矸石井下填充，復合綠色開采政策導向，可以有效控制采空區地面沉陷，減少耕地損毀，節約企業成本[1]。

1 井下排矸特點

由于井下環境惡劣，空氣濕度大，空氣中雜質和CO2、NO、NO2、SO2等氣體含量高，使得井下排矸具有以下特點：（1）井下工作空間有限，設備大小及布置方式局限性大。（2）井下工作環境惡劣，要求更高的自動化和智能化，以便減少人的參與。（3）井工環境潮濕陰暗，會對設備產生腐蝕等損壞，對設備材質和強度要求高。（4）井下煤泥水處理和粉塵處理難度大。（5）采煤和排矸需要統一協調，保證開采、排矸和回填各環節協調運行。比如排矸量大，回填工作未協調好，導致矸石無處堆放；排矸量小，導致回填工作無法繼續進行。因此，需要三個環節的協同工作。

2 井下排矸方法

隨著我國綜合國力的提升，國家政策的支持，如增加煤炭入洗率，加快供給側改革，實現綠色煤炭資源，推進綠色、安全、高效煤炭進程等，選煤技術大力發展，分選設備也日益成熟，部分裝備已達到國際先進水平。但地面生產系統現有的選煤方法并不完全能夠適應井下的工作條件，需要“因地制宜， 因材施教”。

2.1 人工手選

人利用肉眼辨別矸石，從皮帶兩側將矸石及廢物揀出，手選是靠人持續、機械式的勞動，受人為因素影響，經常會出現疲憊和疏忽，且井下工作環境惡劣，分選效率和精度低，生產成本高，不合適大型礦井的生產要求。

2.2 選擇性破碎

根據煤和矸石硬度差別，利用相同沖擊破碎環境下煤易碎而矸石不易破碎的原理，過篩后實現煤和矸石分離，選擇性破碎工藝簡單，但設備體積龐大，代表設備有滾筒碎選機、選擇性破碎機、彈性附在破碎機等，其分選精度低，處理能力小，矸石帶煤率高，僅適用于對塊度要求低的小型礦井。

2.3 射線分選

目前市場上的射線智能分選設備分為γ 射線智能分選設備和X 射線智能分選設備兩種，其原理都是由于煤和矸石所含元素和分子結構的不同，對射線吸收量不同，剩余能量也截然不同，同時利用圖像識別技術，進而將煤和矸石區分開來[2]。兩種射線分選識別原理相似，但射線的產生原理不同。γ 射線是原子核裂變形成的天然射線源，其半衰期長達432 年，其輻射劑量大，對人體健康危害性大；而X 射線是由高速運動的電子撞擊靶面形成的，受電源控制，電源關閉，X 射線也隨之消失。

射線分選的共同特點就是不用水，大大簡化了分選工藝流程，系統簡潔所需的布置空間小，占地面積小，智能化程度高，建設工期短，適用的煤種范圍廣，易于調整預設參數，對原煤水分沒有要求。γ 射線智能分選設備適合分選粒度范圍為30～200mm，分揀后矸石中純煤含量約1%，一次性選凈率約90%以上。X 射線智能分選設備分選粒度范圍為25～300mm，矸石帶煤率和煤帶矸石率均在1-3%。目前，X 射線智能分選設備有用于井下排矸的案例，宣傳力度較大，如山東東山王樓煤礦應用TDS 智能分選設備實現+50mm 塊煤預排矸。

2.4 跳汰分選

跳汰分選是是指物料在垂直上升的變速介質流中，按密度差異進行分選的過程。物料在粒度和形狀上的差異，對分選結果有一定的影響。常用的設備有動篩跳汰機和空氣脈動跳汰機。動篩跳汰機中水流不脈動，動篩上升時，顆粒相對于篩板沒有相對運動；而水介質相對于顆粒是向下運動的，動篩下降時由于水介質的阻力作用，形成性對于動篩的上升流，顆粒在水介質中做干涉沉降，按密度實現分層，動篩跳汰機的分選粒度范圍一般是300～25mm，循環水用量為10～20m3/（m2·h），用水量小，對原煤適應性強，生產成本低。動篩跳汰機按照動動裝置可分為機械驅動和液壓驅動兩種，由于井下工作環境限制，宜選擇機械驅動式動篩跳汰機。如內蒙古李家塔礦井采用動篩跳汰機實現+50mm 塊煤井下排矸。

定篩跳汰機篩板是固定的，水流是有周期性的脈動的，目前常用的是空氣脈動跳汰機。空氣脈動跳汰機則是利用壓縮空氣使水介質形成垂直脈動水流，進而輕重物料分離。分選粒度范圍一般是0～120mm/25～200mm，處理量大，用水量為2～3.5m3/t，用水量較大，產品結構靈活。分選效率和分選精度易受煤質、循環水煤泥含量和橫向流特性的影響，通常適用于分選易選煤，分選精度較重介質分選精度低[1]。定篩跳汰機目前也有專門針對井下條件開發的井下排矸跳汰系統和成套設備，為井下排矸提供了極大的便利。楊康等使用空氣跳汰機在冀中能源邢東礦井成功對30～200mm 塊煤進行了井下排矸[3]。

2.5 重介淺槽分選

重介淺槽分選原理是利用精確配置密度的重介質懸浮液來實現輕重產物的分離，煤的密度小上浮并隨流動介質越過溢流堰，成為精煤；矸石的密度大下沉成為重產物，由分選槽底部的鏈刮板運出成為矸石[2]。通常淺槽的有效分選粒度范圍為13-200mm，個別情況下粒度下限可低至6mm，分選上限可達300mm，其分選精度高，處理能力大，但需要配套煤泥水系統及介質回收系統，系統復雜，投資成本較高。由于高密度懸浮液難以配置，故難以實現高密度排矸。目前，有應用于井下排矸的案例，如濟陽煤礦和翟鎮煤礦井下采用重介淺槽實現25～～300mm塊煤排矸，先后建成并投入使用[5]。

2.6 干法分選

干選是以空氣為分選介質，在氣流作用下使固體廢物顆粒按密度和粒度差異進行分選的一種方法。分選粒度為6-100mm，不需要用水，適宜于高寒缺水地方，適宜于易泥化煤、易選煤，投資成本低。我國獨創的復合式干法選煤設備在分選精度、自動化水平及環保效果等方面已取得了很大的進步。處理能力10～1000t/h，能夠滿足不同規模需求，也陸續建設了一大批示范項目[5]，為井下排矸擴大了選擇范圍。

3 結論

井下排矸目前還處于發展探索階段，分選方法各有利弊，但主要局限于塊煤排矸，針對末煤分選還沒有合適的方法。選擇哪種分選方法，需要結合井下條件、煤質情況、生產規模和工藝需求綜合選取。選擇適合礦井煤質，滿足工藝需求，選擇能夠協調開采、排矸和回填三個環節的工藝，力求布置簡潔，工藝可靠，能夠保證在井下安全分選，可靠高效運行，此即為合適的方法。井下排矸對企業的經濟效益、煤炭行業乃至社會的發展有著重要意義，適宜井下選煤設備的自動化、智能化，無人值守化，以及對井工條件的適應性將是不懈追求的方向。