井下煤矸分離系統(tǒng)技術(shù)研究與應用

文/孫艷軍

冀中能源峰峰集團孫莊礦主要以山青薄煤層開采為主，在掘進半煤巖巷道時，會產(chǎn)生大量的矸石。原煤運輸過程中，通常連同矸石一同運輸?shù)骄希粌H降低了原煤質(zhì)量，而且增加了井上選矸的負擔。為此，孫莊礦通過對井下原煤運輸系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)了煤矸在井下自動分選，有效解決了掘進半煤巖巷道時的煤矸分離難題，提高了煤質(zhì)，減輕了井上職工選矸的勞動強度。

一、系統(tǒng)現(xiàn)狀

孫莊礦井下原煤運輸系統(tǒng)通過三條皮帶將原煤運送到主煤倉。南翼出煤運輸系統(tǒng)由南翼一部皮帶通過南翼一部刮板輸送機直接進入主煤倉；北翼出煤運輸系統(tǒng)由北山青一部皮帶直接進入主煤倉；北山青出煤系統(tǒng)由北翼一部皮帶直接進入主煤倉。三條出煤系統(tǒng)均沒有煤矸分離功能，加之回采、掘進工作面出煤時常有大砟伴隨，造成煤倉內(nèi)煤炭灰分大、原煤煤質(zhì)不高，且時有棚倉現(xiàn)象發(fā)生。此外，南翼一部皮帶及一部刮板輸送機各需安排一名專職皮帶司機，北山青一部皮帶需安排一名專職司機。在井下限員的影響下，為實現(xiàn)減人提效，提高煤質(zhì)，亟須對運輸系統(tǒng)進行改造。

二、煤矸分離系統(tǒng)技術(shù)研究

1.技術(shù)分析

通過對井下原煤皮帶運輸系統(tǒng)進行分析，提出在井下對原煤運輸系統(tǒng)進行改造，采用動篩技術(shù)在井下直接將原煤中的矸石分離后就地處理的設計改造方案。對原來的原煤皮帶運輸系統(tǒng)進行改造，在北山青一部皮帶東北方向新建造一個儲矸倉；將南翼皮帶機頭延長與北山青一部皮帶搭接；通過對巷道進行改造，將北翼一部皮帶直接與北山青一部皮帶搭接。這樣，南翼、北翼和北山青三個地區(qū)的原煤通過三部皮帶最終都匯集到北山青一部皮帶上。

為了將煤與矸石進行有效分離，在北山青一部皮帶機頭安裝一臺高效率的9軸滾動篩及砟皮帶、煤皮帶，南翼、北翼和北山青三個地區(qū)的原煤通過北山青一部皮帶進入滾動篩進行煤矸分選后，原煤進入主煤倉，矸石進入儲矸倉，最終實現(xiàn)煤矸分離。煤矸分離系統(tǒng)運行示意圖如圖1所示。

圖1 煤矸分離系統(tǒng)運行示意圖

2.電動滾動篩設備選型設計

根據(jù)孫莊礦巷道的限制條件，主要設備滾動篩要求體積相對較小、整體結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)使用過的其他滾動篩的經(jīng)驗，選擇獨特的9軸單軸式驅(qū)動滾動篩，其寬度為1500mm，長度為2400mm，允許最大進口粒度為500mm，單機裝機功率為7.5kW，總裝機功率為9×7.5kW。

滾動篩處理量的計算采用經(jīng)驗公式：

×0.75=371t/h ＞300t/h（該出煤系統(tǒng)最大運量為300t/h），處理能力滿足該出煤系統(tǒng)生產(chǎn)要求。式中：q—滾動篩的處理量，t/h；

φ—有效篩分面積系數(shù)（單層或多層篩的上層篩面，φ=0.8～0.9），此處取0.8；

A—滾動篩面有效面積，m2；經(jīng)計算為3.6m2；

q0—單位篩分面積容積處理量，m3/（m2·h）；取值為76；

ρs— 煤矸石松散密度；取值為1.3t/m3；

K1～K8—滾動篩9軸間影響因素修正系數(shù)，計算中分別取值為：1.7、0.96、1、1.5、0.89、1、0.8、0.75。

三、北翼改造巷皮帶輸送機選型設計

北翼改造巷皮帶輸送機負責將北翼一部皮帶的原煤轉(zhuǎn)運至北山青一部主運皮帶上，因此，滿足北翼一部主運皮帶的運輸量Q=300t/h即可。該皮帶輸送機的運輸長度L=230m，傾角β＝5°，初選運行速度V=2m/s，帶寬B=800mm。

1.傳動滾筒圓周力計算

式中：F—傳動滾筒圓周力，N；

CN—附加阻力系數(shù)，CN=1.17；

f—運行阻力系數(shù)，f=0.03；

qt—承載、回空托輥組轉(zhuǎn)動部分單位長度質(zhì)量，qt=11.98kg/m；

q0—輸送帶單位長度的質(zhì)量，q0=12.32kg/m；

g—重力加速度，g=9.81m/s2；

q—每米輸送帶上的物料重量，q=Q/3.6V=300/（3.6×2）＝41.66kg/m；

H—皮帶提升垂直高度，

2.傳動滾筒運行功率計算

式中：P—傳動滾筒運行功率，kW；

F —傳動滾筒的圓周力，14318.77N；

V—運行速度，2m/s。

3.驅(qū)動電動機功率計算

式中：PM—驅(qū)動電動機功率，kW；

P—傳動滾筒運行功率，28.63kW；

η—驅(qū)動系統(tǒng)機械效率，取1；

ζ—驅(qū)動系統(tǒng)正功率運行時的傳動效率，取0.9；

ζ1—驅(qū)動系統(tǒng)負功率運行時的傳動效率，取0.95。

根據(jù)計算，選用2臺額定功率為40kW的永磁滾筒電動機。通過輸送帶張力和皮帶懸垂度與強度校核，證明在所給條件下可以使用SD-80型吊掛式皮帶輸送機，用兩臺40kW永磁滾筒電動機拖動可滿足使用要求。

四、運煤和運砟皮帶輸送機選型

根據(jù)現(xiàn)場需要及卸煤和卸矸高度要求，兩部皮帶輸送機選擇帶速V=0.8m/s，帶寬B=800mm，運輸量分別為Q=200t/h（運量滿足需要）。

運煤皮帶長度L=25m，經(jīng)過計算，選用1臺額定功率為18.5kW的永磁滾筒電動機可滿足運輸要求。

運砟皮帶長度L=12m，經(jīng)過計算，選用1臺額定功率為11kW的永磁滾筒電動機可滿足運輸要求。

五、具體實施

在井下北山青一部皮帶東北方向新建造一處儲矸倉，專門收集分選出來的矸石，矸石通過砟皮帶輸送到砟倉后再進行處理。將南翼皮帶機頭進行延長，改變原來的原煤輸送路線，把南翼一部刮板輸送機拆除，直接將南翼皮帶與北山青一部皮帶搭接，將原煤輸送到北三青一部皮帶后，再送入煤倉。在北翼一部皮帶東北側(cè)方向新掘進一條長230米的巷道，鋪設一條北翼改造巷皮帶，也與北山青一部皮帶搭接，改變原來的北翼原煤運輸路線，將原煤轉(zhuǎn)運到北山青一部皮帶后，再送入煤倉。

為了將南翼、北翼及北山青三條運輸系統(tǒng)的原煤進行煤矸分離，對原煤匯集到一起的北山青一部皮帶進行改造，將北山青一部皮帶機頭縮短，與主煤倉之間留出空間，安裝一臺電機獨立驅(qū)動的9軸可變傾角結(jié)構(gòu)滾動篩，北山青一部皮帶上的原煤進入滾動篩進行自動分選，分選出的原煤通過安裝在滾動篩下方的煤皮帶送入主煤倉，大塊矸石通過滾動篩機頭的砟皮帶，被運輸?shù)巾膫}進行處理。

通過對三個地區(qū)的主運皮帶改造，安裝滾動篩及砟皮帶、煤皮帶，對煤矸進行機械化自動分離，最終實現(xiàn)煤矸無人化分選。

六、應用效果

孫莊礦通過對井下原煤運輸系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)了煤矸在井下自動分選，分離后的矸石直接在井下回填，解決了煤矸分離難題。通過該分離系統(tǒng)，把粒度為150mm以上的矸石篩出，使半煤巖巷掘進生產(chǎn)的原煤灰分降低了15%以上，原煤總灰分降低了4%以上，噸煤售價提高了60元～120元，同時減輕了井上選矸的負擔和職工勞動強度，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。