基于 X 射線的高含矸煤一體化干法選煤技術研究

權春鋒，馬利云

1陜西國防工業職業技術學院 陜西西安 710300

2呂梁學院礦業工程系 山西呂梁 033001

我國煤炭資源十分豐富，儲量居世界第三，產量居世界第一，是世界上最大的煤炭消費國[1-3]。煤矸石是煤炭開采與加工過程中含碳量低、灰分高的固態廢棄物，隨著采煤機械化程度的提高，煤炭中含矸量也隨著增長，煤矸石分選已成為煤礦生產的重要環節[4]。為降低原煤中的各種雜質，以滿足不同用戶的要求，減少煤炭對大氣的污染，需要對煤炭進行加工[5-6]。

在當前煤炭行業產能過剩、供大于求、用戶對產品質量要求更加苛刻的情況下，人工揀矸分選系統配置嚴重制約著企業經濟效益的提高[7]。針對桑樹坪二號井原煤篩上物塊狀物料的粒度特征，煤、矸占比以及煤、矸各自的物理特性等特征，探索研究一項以技術先進、工藝簡單、分選精度好、效率高而且投資省、見效快、能夠保證產品質量，同時還不污染環境為總體方案要求的選煤新方法，具有重大的現實意義和經濟價值。

1 桑樹坪二號井選煤工況分析

韓城礦業桑樹坪二號井隸屬于陜西陜煤韓城礦業有限公司，2015 年上半年完成了生產系統的擴能改造工作，礦井主運輸系統全面實現帶式輸送機運輸，南北采區的煤炭首先進入井底煤倉，然后通過斜井主運輸送帶及上倉輸送帶進入篩分車間進行篩分，分為+60 mm 篩上物塊煤、矸石及-60 mm 的篩下物混煤。由于篩上物矸石含量達 60%，矸石粒度為 30～300 mm，塊煤粒度為 25～100 mm，為提升產品質量，現有生產系統在篩下設置第一次人工揀選大矸，在塊煤倉上設置第二次人工揀矸，然后將塊煤用汽車倒運至現有儲煤場(混雜煤)進行第三次人工揀矸，最終塊煤產品經過汽車外運銷售，矸石通過汽車排棄。-60 mm 混煤直接由帶式輸送機運至儲煤場存儲后由汽車外運銷售。

桑樹坪二號井人工揀矸場景如圖 1 所示。

圖1 儲煤場人工揀矸

該選矸系統存在的問題：

(1)選矸員工配置較多，人工成本較高；

(2)工況復雜，安全管理壓力大；

(3)工作環境差，粉塵多，噪聲大，員工容易患職業病；

(4)員工勞動強度大，工作時間長，易疲勞，造成漏選或錯選，分選效率低；

(5)員工的熟練程度和技能高低影響分選效果；

(6)經過 3 次人工揀矸，部分塊煤在轉載、轉運、推土機盤煤過程中成為末煤(損失高達 65%)，總體經濟效益低。

2 智能煤矸分選系統

2.1 系統結構組成

基于 X 射線識別的煤矸石智能分選系統其主要目標是實現對煤和矸石的識別和分選，提高煤的質量。其基本原理是利用 X 射線對不同密度的物質衰減程度不同，衰減后的 X 射線強度存在明顯區別[8]。通過接收衰減后的 X 射線信號，將其轉化為電信號，從而形成不同強度的 X 射線圖像，再對所獲得的X射線圖像進行分析處理，提取出煤和矸石的識別閾值，進而實現分選。該分選系統主要由 3 部分組成：檢測部分、識別部分和分選部分，如圖 2 所示。

圖2 煤和矸石智能分選系統結構

檢測部分包括排隊機構、帶式輸送機、X 射線源、探測器卡 X-card、數據采集卡 X-DAQ、X 射線源供電電源和數據采集卡供電電源。識別部分通過上位機對整個系統進行控制，是整個系統的核心部分。主要功能包括：X 射線源電壓和電流的控制，獲取衰減 X 射線信號，煤和矸石的識別以及通過 PLC 對氣閥進行控制打擊煤或矸石。

2.2 識別機理

基于現代傳感理論，引入雙能 X 射線發生系統，由一個射線源發出穩定射線并由高低能兩組傳感器接收，對任意點同步產生兩組成像數據，以此反映被照射物質對射線的吸收結果，從而對不同粒級、不同形狀的煤和矸石進行精確成像和分組識別。X 射線對物質的衰減程度[9]

式中：I0為射線束透射物體前的強度；μ為衰減系數，與被照射物質的物理狀態和化學成分有關。

基于灰度值識別原理及式(1)可知，煤和矸石對 X 射線的衰減程度不同，與物體的高度和密度也有關系。相比于煤炭，矸石中含有大量的 Al2O3、SiO2，另外還含有數量不等的 Fe2O3、CaO、MgO 等物質。同碳元素相比，Al、Si、Fe 等元素對射線的吸收系數大，故在雙能 X 射線照射下，煤炭和矸石由于對射線的吸收不同從而形成成像差異。

在煤和矸石的智能識別過程中，首先需要對煤和矸石的圖像進行處理，通過近似計算煤和矸石圖像的面積S，得到煤或者矸石的高度hc和hg，同時采用直方圖[10]得到每塊煤和矸石的像素峰值灰度級fc和fg。因此，X 射線透過煤或者矸石之后的強度Ic和Ig分別為

式中：k1、k2分別為煤和矸石峰值灰度級與透射過的X 射線強度比例關系。

選取一系列煤和矸石進行試驗，擬合得到煤和矸石對 X 射線的衰減曲線[11]，如式(4)、(5)所示，進而得出峰值灰度級f和物體高度h的關系。

式中：μc、μg分別為煤和矸石對 X 射線的衰減系數。

由此筆者提出對煤和矸石識別的判斷式T=f h，并確定煤和矸石的識別閾值T0。

該研究以灰度級的頻率數和灰度值作為特征點，確定煤和矸石的識別閾值T0。選取桑樹坪二號井的具有代表性的煤塊和矸石，進行單物料分選調試，由分選控制程序記錄每個對象。通過計算機對大量煤和矸石透射后產生的灰度信息數據統計分析，建立煤和矸石分界的數學模型，如圖 3 所示。其中，分界線代表煤矸分選界限，可以根據物料特性的不同，調整分選界限，進而調整分選精度。

圖3 雙能 X 射線透射煤和矸識別數學模型

2.3 系統設計

采用高精度雙能 X 射線傳感器對照射煤和矸石后的 X 射線進行接收，接收到的 X 射線能量以一維數組的形式傳輸給控制上位機，由于采用雙能射線探測器，使同時獲取任意點的高低能能量信息成為可能，保證了數據同步、穩定，相對于雙源射線更加具有可操作性。計算機通過 MATLAB 技術對數字信號進行預處理，得到反映射線能量的色彩信息，從而得出對物料組分屬性R的判斷，同時獲知物料的形狀、大小、位置、速度等信息。最終將符合設定擊打特征的對象信息通過計算機接口發送給執行控制器。

識別機構與執行機構如圖 4 所示，二者縱向排列，在自由落體過程中，對正處于自然下落的煤或者矸石施加一個法向外力，使之改變原拋落跡線完成整個識別與分選過程。識別-擊打一體化系統包括：給料系統、布料裝置、識別-執行一體化機構 3 大主要系統，以及除塵、供風、電控 3 大輔助系統。工藝流程為：物料直接經布料器均勻單層給入智能一體化干選機；物料在自由拋落過程中被雙能 X 射線透射，分選控制系統對射線數據進行采集、分析、處理，識別煤塊和矸石；確定待擊打目標，將執行命令傳輸給氣動執行機構，氣動執行機構根據計算機傳輸的指令執行氣動擊打煤或矸石，被擊打者脫離原運動軌跡分離至遠方溜槽中，而未擊打者沿原正常軌跡進入近方溜槽中，從而實現選煤或矸石的高效、精確分離。

圖4 識別-擊打一體化模式系統示意

圖5 高頻臥式氣動噴射機構

3 試驗及結果分析

結合現場實際情況，根據干選車間工藝，布置一體化智能干選機、篩分機、布料器等，如圖 6 所示，完成安裝并對設備進行調試。

圖6 干選車間實景

調試分選粒級為 50～150 mm，分別測算選出產品煤中的含矸量以及矸中的帶煤量，結果發現篩下30～50 mm 的小塊煤含量較多，干法分離回收小塊煤時應將篩板孔下調為 30～150 mm。現場對塊煤組成分析發現，大于 100 mm 的塊煤中基本全是矸石，這部分物料參與分選意義不大，試驗決定將分選上限調整為 100 mm 繼續測試，最終確定分選粒級為 30～100 mm。

確定好分選粒徑和雙能 X 射線透射煤矸分離數學模型后，根據制定的工藝流程進行工業試驗。試驗結果表明：單條一體化智能干法選煤系統的處理量為 50 t/h，人工揀選系統處理量為 20 t/h，干法系統可完全替代人工揀選系統(原系統為 2 條生產線)；煤中含矸小于 5.0%，最低時達到 1.4%，矸中帶煤小于5.0%，最低時達到 1.1%，煤的分選效率大于 90%，指標良好，超過了預期目標。通過智能干法選煤，不僅降低了工人患職業病的概率，而且降低了工人的勞動強度，有利于安全管理。

4 結論

(1)提出了利用雙能 X 射線識別煤與矸石的方法，建立了基于煤矸透射后生產的灰度值數學模型，該模型可根據物料特性的不同，調整分選界限來調整分選精度；

(2)在桑樹坪二號井儲煤場開展試驗，生產指標良好，超過了預期目標。該技術有效節省了噸煤人工加工費用 7 元左右，改善了作業環境，降低了勞動強度，提升了安全管理效率。