地下选煤知多少？

【荐读】地上选煤我们了解很多了，地下选煤呢？

曹亦俊，刘敏 五六选煤 

 

我国是煤炭能源的生产大国，在国家能源发展战略规划的指导之下，近年来煤炭的生产和消费量才有所下降。煤炭的大量需求以及资源绿色利用的需要，使得煤炭洗选工作十分重要。

煤炭洗选主要为井上分选，在地面修建选煤厂并配备适应煤质的工艺和设备，对矿井来煤进行分选。块煤主选工艺分为跳汰分选、重介分选以及光电分选等，另外还有粗煤泥分选工艺的TBS分选机分选、煤泥重介等，细煤泥分选大多采用浮选工艺，最终产出精煤、中煤、矸石和煤泥。井上分选工艺的优点主要是地上可利用空间较大，可以形成较大高差，以便提供煤炭分选物料流动的动力和为设备提供合适空间。随着放顶采煤技术和机械化采煤技术的不断推广，传统的地面分选工艺体现出来较大的弊端。首先，原煤含矸率较高，部分含矸量甚至高达60%，大量矸石提升至地面带来较高的无用能耗。其次，原煤洗选的矸石产品多采用露天堆放的方式，煤炭的大量采选和矸石利用的不协调逐渐导致矸石山的形成，矸石长期堆放易发生自燃，不仅给选煤厂带来安全隐患，而且粉尘和矸石自燃的尾气也会造成空气污染。煤炭开采也会造成地表沉陷的问题，对地表建筑和生态环境造成危害。

井下选煤技术目的是实现原煤井下精确分选，精煤或洗混煤提升出井进行井上分选或直接作为产品，矸石就地充填。矿井年产能受到矿井提升能力限制，井下选煤技术实现井下排矸，升井煤炭的灰分大幅降低，减少无效运输带来的能耗和设备劳损之外，还可提高矿井实际产能。井下矸石回填和煤矸置换，可以减少地表沉陷幅度，降低采煤对地表建筑和环境的破坏，“三下压煤”能够实现开采利用，提高煤炭资源的回收率，延长矿井服务年限。大量矸石不用升至地表同样可以节约用地，减少选煤厂造成的环境污染。本文对井下选煤技术进行综述，对现有井下煤矸分选设备工艺和设备进行介绍，分析井下选煤技术面临的问题，并对井下选煤技术的发展进行展望。

1、井下干法选煤技术发展现状

井上选煤技术和井下选煤技术的工作原理完全一样，其不同之处即在于井下分选设备需要安放在采煤巷道和硐室中，受到井下空间的限制，由于井上分选设备的尺寸体积较大，结构不够紧凑，不能直接应用于地下，下面介绍几种在井下可行的技术。

1.1   气固流化床分选技术

气固流化床选煤技术，是以磁铁矿粉、石英砂、赤铁矿粉等为加重质，通过均匀地给入空气使加重质分散，形成较为稳定的似流体的流态化床层，该床层的性质通过鼓风和外加能量等方式实现控制。气固流化床分选系统由入料准备系统、供风除尘系统、分选系统、介质回收与净化系统组成，结构示意图如图1所示。煤炭进入气固流化床之后，主要按密度分层，高灰矸石密度较大沉入底部，密度较小的煤分布在上层，通过排料机构将物料排出得到精煤和矸石等产品，如此实现煤矸分离。

图1  空气重介质流化床分选机示意图

经过不断地研究和改善，流化床分选技术分选精度得到很大提升。一般情况下，气固流化床分选下限为6mm左右，分选上限为100mm，对于-6mm细粒煤分选精度很差，特别是-0.5mm部分煤，工业上基本达不到分选效果，故通常配有破碎和筛分作业。流化床选煤技术最大的优点是不以水为分选介质，对于干旱缺水的西部地区比较适用，且主要用于预先排矸之用。流化床技术也存在弊端，该技术对入料要求较高，除入料粒度限制之外，还要求物料外在水分低，这是由于潮湿物料易结团，筛分工艺无法使团块分散，使流化床分选精度降低，同时也会造成加重质大量损失和精煤灰分增高。面对井下复杂的分选环境和来料物性的波动，需要对工艺和设备进行大量改进，流化床分选技术才能具有井下发展的可能。

1.2  选择性破碎分选技术

原煤是煤和矸石的混杂物，要实现煤矸分选要利用其物性差异，选择性破碎分选技术是利用煤和矸石之间的硬度差异来实现煤矸分离。煤和矸石相比，煤的硬度较小，而矸石含有天然硬度大的碳酸盐和硫化矿等矿物，所以硬度较大。在破碎过程中，煤易被破碎成粒度较小的颗粒，而矸石破碎后颗粒较大，基于这种差异，破碎后的煤和矸石经过筛分即可实现选择性分离，研究人员也设计出很多选择性破碎分选设备，如鼠笼式选择性煤矸分离机、液压式自动分选机等。

由于煤必须经过破碎环节，因此该技术只适合产品块度要求低的矿井，并且对细粒煤和末煤没有分选作用，必须配备其他细粒级煤的分选系统，该技术专用于块煤分选。图2为煤矸石液压式自动分选机，排队带式输送机将物料以液压分选辊边缘线速度同等速度输送物料，在液压分选辊下方，其施加的压力使得煤和矸石发生选择性破碎，煤和矸石被破碎到不同的粒径，粒度小的煤经过托板下的孔落到托板下成为精煤，矸石粒度大继续往前运输。

1-排队带式输送机；2-煤块；3-矸石块；4-液压分选辊；5-配油盘；6-运煤带式输送机；7-运矸石带式输送机；8-液压系统

图2  煤矸石液压式自动分选机原理图

1.3   X射线分选技术

煤矸X射线分选技术是利用X射线的强穿透能力，使用X射线照射煤和矸石，由于煤和矸石物理性质不同，造成X射线透射率不同，再结合数字化识别技术对透射的X射线进行分析处理，实现煤矸识别，然后借助风力将已分辨的煤和矸石进行作用完成煤矸分离，X射线煤矸分选原理图如图3所示。X射线分选技术只适合块煤分选，细颗粒物料难以精确分离，其分选粒度范围为25~300mm，产品的矸石带煤率在3%左右，煤带矸率在5%左右，块煤的分精度较高。

图3  基于X射线探测方法的煤矸分选系统的工作原理图

 

2、井下湿法选煤技术发展现状

湿法选煤技术在液相中实现煤矸分离，分选介质为水、加重质和气泡，包括以水为介质的动筛跳汰分选、脉动式跳汰分选等，以加重质为介质的浅槽分选、重介旋流器分选等。湿法分选对入料要求低于干法分选，且处理量较大，基本涵盖所有粒级的煤矸分选，在水量充足的矿井比较适用。由于湿法分选技术优势明显且理论和技术都趋于成熟，现有的井下选煤技术基本上都采用湿法分选。

2.1  跳汰分选技术

2.1.1空气脉动式跳汰机分选技术

空气脉动式跳汰机以水为分选介质，通过调控空气压力输送给分选机槽体内水足够动能，让其产生上下往复扰动，水急速往上流动带动床层分散并按密度分层，下降水流产生吸啜作用调节重产物质量，图4为空气脉动式跳汰机示意图。

图4  空气脉动式跳汰机示意图

随着设备自动化的实现，跳汰机可操控性、分选精度和处理能力都有较大改善。空气脉动式跳汰机分选粒度范围较大，可实现150~0.5mm粒级分选，设备投入较少，分选成本低，且分选密度通过脉动水流控制，不受介质密度限制，动力煤选煤厂和炼焦煤选煤厂均有采用跳汰分选。该技术缺点是循环水量大，一般煤水质量比为1:2.5~1:3.5，大量循环水需要后续分选和澄清循环，煤泥水处理负荷大；其分选效率和精度受到煤质、循环水煤泥含量和跳汰室横向流特性的影响，通常用于易选煤，分选难选煤时分选效率比重介分选技术低；原煤中粉煤含量大，粉煤容易透筛并随着矸石排出，会造成大量的精煤损失；对于分选密度较低时，分选效率不够稳定。

2.1.2动筛跳汰机分选技术

动筛跳汰机由动筛体、驱动机构、排矸机构和提升机构等部分组成，结构简单，对煤泥水中煤泥含量要求不严格，运行成本低，循环水量仅为传统湿法分选技术循环水量的1/10左右，配套工艺为产品脱水和煤泥水处理，管理较为方便。但是分选精度低于重介分选和脉动式跳汰分选，主要用于25~350mm块煤排矸，分选上限甚至可以更高，其示意图见图5。

图5  动筛跳汰机示意图

动筛跳汰机根据驱动装置类型分为2种，分别是液压驱动动筛跳汰机和机械驱动动筛跳汰机。液压驱动动筛跳汰机动力来源于液压，需要配置液压系统以及液压控制的辅助装备，该设备处理量大，液压在筛体急回速比特性方面具有很大优势，振幅、频率可在线调节，有利于自动化控制，分选精度比机械驱动动筛跳汰机高，但是井下粉尘和潮湿环境可能会严重影响液压阀和油缸等液压器件的寿命，不利于设备大型化。机械驱动动筛跳汰机动力源直接来自机械传动，辅助设施少，可靠性强，结构简单，维护方便，由于自动调节性能不足，自动化难度较大。在现有技术基础上分析，井下恶劣分选环境，更适合采用机械驱动动筛跳汰机分选，一方面避免维护频繁带来的工作量增加和安全隐患，另一方面通过后续精煤再选工艺可以弥补洗选精度的缺陷。

2.2    水介质旋流器分选技术

水介质旋流器分选是利用水为介质在旋流器内形成离心力场，并实现煤矸分离，没有重介质旋流器存在的介质浓缩现象，煤矸颗粒根据粒度和密度差异有不同的运动特征。颗粒粒径越大、密度越高，则越靠近旋流器内壁向底流口方向螺旋运动，从底流口排出；粒度越小、密度越小的颗粒沿着旋流器中心向溢流口方向运动，从溢流口排出。水介质旋流器常用于煤泥水浓缩分级或粗煤泥分选，结构如图6所示。

图6  水力旋流器结构图

水介质旋流器成本低，工艺简单，便于控制。单段旋流器分选产生2个产品，粗煤泥井下浓缩分级采用单段即可，由于煤泥水中粒径分布较大，分选过程受粒度效应和螺旋流的影响较大，分选效率和精度较低。为改善分选效果，要采用多段组合式旋流器预先分级之后进行分选，设备结构创新和旋流场分选理论研究也很有必要。在地面选煤厂粗煤泥工艺中，通常采用旋流器分级后TBS分选机分选，但该工艺在井下受设备高度限制，技术改进之后才可适应井下分选的条件。-0.25mm粒级细煤泥在井下没有实现分选，主要是由于浮选设备占用较大空间，并且浮选所用药剂主要是油类和醇类，挥发性较大，有刺激性气味，容易恶化井下生产环境，并可能造成安全隐患，目前细煤泥通常采用井下脱水之后升井售卖或进行井上分选。

2.3  重介质分选技术

2.3.1重介质浅槽分选技术

重介质浅槽分选机以水和磁铁矿粉形成的悬浮液为分选介质，重介质从底部和入料口下部给入，形成比较均匀的分选床层，并承担输送物料的作用，在分选介质中根据阿基米德原理实现煤矸分选，高密度矸石沉到浅槽底部由刮板排出，低密度煤浮于上层随溢流排出。重介质浅槽分选机由分选槽体、导向道部分、传动部分、漏斗部分和集中润滑系统等组成，设备结构简单、紧凑，易于操作和维护,工作原理图如图7所示。

图7  重介浅槽分选机工作原理图

目前，浅槽分选有效分选下限25mm，也有文献认为下限为13mm，分选上限可达300mm，分选粒度范围宽，分选精度高。浅槽分选机耗水量一般为煤水质量比1:1，耗水量远低于脉动跳汰机。但是该技术也存在许多不可避免的弊端，首先，重介质排矸所需密度一般为1.8g/cm³，加重质在水中沉降速度较高，需要一定量煤泥增加悬浮液黏度，维持悬浮液稳定性，但煤泥浓度过高也会导致悬浮液密度降低，形成高效的分选环境必须使煤泥和加重质达到平衡；其次，重介分选工艺需要配备介质回收和净化系统，还需要配备悬浮液再生系统，会增加设备台数和基建投入，重介质回收流程也会造成部分介质损失，损失的介质需要从井上运输到井下储存和补加，增加吨煤加工成本和储运管理难度，分选精度提高的利益空间和介质系统带来的成本负担综合分析，采用重介分选是否比其他设备分选更有价值，需要依据矿井实际情况考虑；再次，浅槽设备分选机和配套设备占地面积大，工艺复杂，井下工艺布置难度加大；最后，浅槽分选机链条及刮板易磨损，并且配套设备的增多也会增大检修工作量。在井下硐室空间较大，检修方便的矿井可以采用浅槽分选技术。

2.3.2重介质旋流器分选

重介质旋流器按筒体结构分为圆筒型、圆锥型及圆筒-圆锥型3种，分选原理是将加压后重介质悬浮液切向给入旋流器机体内部，悬浮液沿着内壁快速旋转产生强旋流力场，提供高于重力场数倍的分选力场，高密度物贴近内壁随外旋流从底流口排出，低密度物随内旋流从溢流口排出，图8，9即为2种重介质旋流器示意图。根据入料方式，重介旋流器分为有压和无压2种，有压给料重介质旋流器分选是将煤与合格介质预先混合后由泵或定压箱给入旋流器，工作压力取决于给料压力；无压给料重介质旋流器的合格介质和煤分开入料，介质通过泵送并以旋流器筒体切向给入，煤靠自重沿轴向给入螺旋流中。由于重介质在离心力场的作用下会沿着旋流器径向浓缩，故悬浮液密度沿径向逐渐增大，灰分高、密度大的矸石越靠近内壁。

图8  圆锥形重介旋流器工作原理示意图

图9  无压三产品重介旋流器示意图

随着悬浮液密度控制技术、管道和设备耐磨技术的逐渐成熟，旋流器分选技术在地上选煤厂已经广泛使用，其分选精度高，对煤质的适应性强，一般分选粒度范围为0~100mm，部分大直径两产品重介旋流器分选粒度上限可达200mm，洗选深度较大。旋流器分选效果受旋流器直径大小、介质循环量、介质密度、悬浮液稳定性和原煤性质的影响，通过悬浮液密度和泵入介质压力调控便可实现较高的分选效率，便于分选设备的自动化。但是旋流器同样包含重介质回收和净化工艺，占地面积大，设备投入多。大部分矿井只需要实现井下排矸，无需极高的分选精度要求，另外考虑井下空间不足和矿建工作量大的问题，占地面积大、管路繁多、工艺系统复杂的重介选煤技术很少被井下生产所采用。

 

3、井下煤矸分选关键技术问题

3.1  设备结构改进

井下空间狭小是井下选煤技术发展的重大难题，现有煤矸分选设备的物料输送机构、分选介质入料方式以及分选驱动机构不够合理，导致设备不够紧凑，体积庞大。需对设备进行结构改进和性能优化，如原有脉动式跳汰机排矸机构采用斗式提升机，为便于物料脱水，提升机高度可达10m左右，采用机械驱动排矸机构可将直线提升部分设计成为“S”形，高度降低一半以上，增加水平运输脱水的长度同样可以达到脱水效果，另外进风机构和布风策略同样存在改进空间；动筛跳汰机排料机构从立式提升轮改成卧式式刮板输送机后，机体高度大大降低。

3.2  生产安全

井下生产安全一直备受关注，一旦发生安全事故将会带来巨大经济损失和负面的社会影响。井下分选设备工作时有振动、发热现象，并有产生电火花的风险，这对井下安全生产是较大的考验。需要对井下分选设备减震性能、散热性能和防电火花性能进行改进，增加防爆结构等，以满足国家煤矿安全强制性标准，确保井下生产安全。

3.3   自动化与智能化

煤矿自动化和智能化是近年来热议的话题，自动化是设备在极少人参与的情况下，通过自动检测、信息处理、分析判断、自动控制来实现设备预期工作效果；智能化是设备、系统或过程通过感知、记忆、思维、机器学习和智能控制方法达到分选的目标，自动化是智能化的工具和支撑。选煤实现智能化可提高精煤回收率，也可减少人员投入，增加经济效益，减少资源损失的同时，有利于井下生产安全和管理。

3.4  使用合理材料

由于井下空间有限，环境潮湿，设备维护和维修难度大。在潮湿阴暗的环境中，普通钢铁材料制成的设备容易发生锈蚀，难以保证长时间维持最佳工况，影响井下煤矸分选效率。为减少设备占用的空间，部件和机构的尺寸便受到一定程度的限制，要求所用材料能够承受更大的作用力。另外，井下设备如动筛跳汰机、破碎机和振动筛等，运动部件主要靠机械传动，传动部位瞬时作用力大，连接部位磨损较快，材料的耐磨强度也要有一定的保证。采用防锈、耐磨、高强度材料可以使分选流程长时间保持较好的分选效果，并且维修工作量得到减小，这有助于井下分选的自动化和智能化工作的开展。

3.5  矿井适应性研究

不同的分选设备和工艺适合分选不同的原煤，干法分选设备对入料要求高，分选下限高，其中流化床分选下限只有6mm，而射线分选达25mm，减少煤泥水处理系统，增加除尘系统；湿法分选精度较高，对入料要求较低，分选下限较低，动筛跳汰机、风力脉动式跳汰机分选精度相对较低，适合易选煤和中等可选煤，既可达到分选精度，工艺简单，也节约成本，重介质浅槽分选和重介质旋流器分选精度高，可分选难选煤、极难选煤，水介质旋流器等细粒煤和粗煤泥分选设备，分选下限更低，可根据矿井需求调整洗选深度，采用不同的洗选工艺。因此，井下选煤设计之初，应该对矿井煤质、地质条件、井下空间、可利用的现有设备和矿井需求进行充分考察，设计出最适合矿井的井下分选工艺，减少后期改造工作量。

3.6  煤泥水处理和粉尘处理

煤泥水中含有微细煤颗粒和难以沉降的黏土颗粒，形成的胶体体系较为稳定，作为湿法分选必要的分选介质，循环水的质量对煤矸分选效果影响很大。煤泥水自然沉降速度慢，要添加凝聚剂和絮凝剂加快沉降速度，并需要较宽的沉降面积，但是井下所提供的沉降空间有限，需要针对煤泥水特性进行研究，提高煤泥水的沉降速度和澄清效率，并采用压滤机处理浓缩煤泥水，确保循环水水质。

干法选煤技术需要除尘系统，风量大、粉尘粒度细，可用旋风除尘器和袋式除尘器，或结合井下采煤过程降尘方法提高除尘效率，湿电除尘器等可能产生电弧的除尘器影响井下安全。井下粉尘处理十分重要，粉尘达到一定浓度存在爆炸风险，危害人员身体健康，高浓度粉尘还会缩短分选设备和电机的使用寿命。

3.7   模块化管理

井下硐室和巷道比较分散，选煤系统需要分成多个子系统分开布置在不同硐室中，给管理带来较多不便，模块化建设将一个硐室中相关设备作为一个子系统，结构紧凑，可以提高选煤自动化的作用，如图10所示即为动筛跳汰分选模块化分布图。不同子系统通过网络统一管理，可以提高生产调度管理、机电设备管理、材料配件管理和成本管理的效率，有利于提高生产效率和安全水平。因此可以将选煤厂模块化思路应用到井下生产，指导井下选煤系统建设。

图10  井下动筛跳汰机分选系统布置

3.8   采选充一体化协调

井下选煤的目的是将煤和矸石在井下分离，矸石作为井下充填原料，但是矸石充填的能力有限，采煤量、含矸率和洗选深度决定分选出矸石的量，矸石产量不足井下充填工作受阻，矸石产量富余则造成多余的矸石无处堆放。因此，要合理设计系统分选能力和洗选深度，保证开采、分选和充填3个环节的协调运行，开采矸石量要在充填系统处理能力之内。

近年来，在前期研发的基础上，井下选煤工艺取得一定进展，并开展工业应用，但是井下设备自动化和分选智能化发展比较迟缓，尚未实现简洁、高效的井下生产和管理体系，需要进一步开展相关研究，为煤炭井下采选充一体化提供更好的技术保障。国内井下选煤技术不断发展，而国外只有部分金属矿井体现井下分选的思路，且只作为矿物的预富集，较少运用到煤炭领域。

 

4、结论与展望

1）目前井下采用的煤矸分选技术主要是动筛跳汰分选、空气脉动式跳汰分选和重介质浅槽分选，且主要用于6mm以上块煤排矸，末煤运输上井分选，洗选深度较低，这主要是均衡考虑洗选深度和生产成本的关系。井下紧凑型设备研发取得一定进展，部分设备如跳汰机、浅槽分选机已经达到井下环境要求，但是设备自动化和分选智能化略显不足，采选充协调的自动化控制技术也亟待开发。井下选煤技术在国内已经逐渐形成趋势，预示我国煤炭洗选技术的一次革新。

2）井下选煤技术具有良好的社会经济效益。从社会层面，开展井下选煤，可以减少地表矸石堆积占用土地，降低矸石堆放造成的污染和安全隐患，减少地表沉陷对地面建筑和生态环境的危害，一定程度上降低社会对煤炭企业的压力。从经济层面，矸石井下充填，避免大量矸石升井造成的能耗，而且减少环境污染造成的环保税，节约地面矸石处理费用，降低选煤厂的设备符合和磨损，最重要的是矸石充填可以置换出大量“三下”压煤，使煤炭资源回收率最大化，产生巨大经济效益。

3）从分选工艺来看，井下选煤技术要求分选工艺适合矿井煤质，满足矿井需求和采选充协调的前提下，力求简单可靠，工艺布局合理，尽量不使用有毒、易挥发、有刺激性气味化学药剂，选用震动强度小和噪音小的设备，确保井下分选安全、高效、可靠。从设备层面，要求设备结构紧凑，设备尺寸适合井下空间，设备质量可靠，故障率低，安全防护措施必须满足国家煤矿安全强制性标准，设备自动化和分选智能化要求较高，设备和工艺布局需要模块化，便于井下生产调度。总之，井下选煤要在安全的前提下，追求井下分选效益最大化。

作者简介

曹亦俊（1969—），男，山东省淄博市人，教授，博士生导师，主要从事微细粒分选及过程强化方面的研究。