井下巷道选煤工艺技术探讨

王 娜，李佰云

(北京圆之翰工程技术有限公司，北京 100015)

井下巷道选煤工艺技术探讨

王 娜，李佰云

(北京圆之翰工程技术有限公司，北京 100015)

阐述了井下选煤工艺技术发展现状，比较分析了三种选煤工艺技术在井下巷道中的应用特点，详细介绍了井下重介质旋流器选煤工艺设计实例，并结合井下巷道选煤技术特点，提出了井下选煤技术发展的方向和建议。

井下选煤；跳汰排矸；浅槽排矸；重介排矸；工艺布置

我国科学转型发展要求煤矿生产模式的改革创新迫在眉睫。近年来，煤炭生产所带来环境污染、矸石和煤泥废弃物占地以及地面塌陷、粉尘污染、无效的运输浪费等深层经济及社会问题引发了社会的广泛关注。

井下巷道选煤技术是破解传统煤炭生产环境问题的关键技术之一，是我国选煤工业的一个科学发展方向[1]。其特点是：将选煤系统建设在井下硐室和巷道中，在井下完成煤矸分离，矸石作为井下充填式开采的原料，或者直接充填采空区，仅需要将精煤产品升井至地面仓储。近年来，固体充填开采技术的迅速发展为井下巷道选煤工艺提供了技术支撑[2,3]。通过采煤、选煤、充填技术的集成和耦合，可实现采选充一体化[4]，既充分处理了矸石废弃物，减小了采动影响，又能够提高煤炭资源回收率，实现低碳、循环、绿色发展。

1 井下选煤工艺技术发展现状

近年来，煤矿企业已经进行了一些井下选煤的实践，分别采用了井下选择性破碎、动筛跳汰和重介浅槽分选实现了井下块煤排矸，虽然规模较小，但积累了宝贵的工程经验。下面将对国内几种常用的井下分选工艺进行比较分析。

1.1 井下跳汰排矸工艺

山东新汶矿业集团协庄煤矿和开滦集团唐山矿分别于2009年和2013年先后建成了井下机械动筛跳汰机块煤排矸系统。井下跳汰排矸工艺与地面选煤厂动筛排矸工艺类似：原煤经50 mm分级，筛上300～50 mm粒级由块原煤机械动筛跳汰分选，块精煤、末原煤、高频筛筛上物、压滤煤泥运输至井上，块矸石充填。2013年，冀中能源邢东矿井下空气室跳汰机排矸工艺投入使用，其工艺流程也与动筛跳汰机类似，入选粒度范围为200～25 mm。

井下跳汰排矸，以水为介质进行分选，优点是工艺简单，用水量少，生产成本低。缺点是：入料粒度范围不能太大，有效分选深度和精度都不如重介分选；设备体积大，需要巷道和硐室尺寸大，受巷道地质条件限制，支护费用高；跳汰机结构复杂，维护量较大。

1.2 井下重介浅槽排矸工艺

部分煤矿将成熟的重介浅槽技术依据井下条件对其进行改进并已成功应用。2010年，新汶矿业集团济阳煤矿、翟镇煤矿井下浅槽排矸系统先后建成使用[5]。井下重介浅槽排矸工艺为：原煤经25 mm(或50 mm)分级，筛上块煤进入浅槽分选，末原煤及脱介脱水后的精煤运至地面再处理或出售；分选后的矸石进行脱介脱水、破碎作业后运至填充面填充。

井下采用重介浅槽排矸的主要优点是：分选精度高，分选粒度范围宽，单台设备通过能力大，产品回收率高，对原煤入选量及粒度组成波动适应性强；有效分选时间短，次生煤泥量低；结构简单，易于操作和维护。但也存在缺点，该工艺需要介质回收系统，工艺复杂，占用巷道总面积大，配套设备多。

1.3 大直径两产品重介旋流器排矸

随着重介质密度控制系统、生产集控系统、脱介设备、介质回收设备的发展和完善，以及近年来耐磨管、耐磨设备和生产自动化技术的成熟发展，解决了以往重介系统存在的系统维护工作量大的缺点，使重介生产成本大幅降低，系统可靠性大大提高。目前，重介旋流器已在地面选煤厂得到了广泛应用，已成为煤炭洗选加工首选方法，将之用于井下巷道也是未来的一个发展方向。

井下采用大直径重介旋流器分选的优点是：可全粒级入选，无需预先分级或脱泥，并且分选粒度范围宽，原煤入选粒度范围可达200～0 mm，分选下限低，有效分选下限在1.0 mm左右；设备体积小，易于布置和操作，占用巷道较少；煤质波动适应能力强，分选精度高，处理能力大。

2 井下重介质旋流器选煤工艺设计

下面以内蒙古一矿井井下重介质旋流器选煤工艺设计为例，来对井下重介质旋流器选煤工艺进行详细介绍。该矿井目前年产量约240万t，主采本矿区5号、9号和16号煤层，其中：5号煤层采用刨煤机综合机械化采煤工艺；9号煤层采用综合机械化一次采全高采煤工艺；16号煤层二采区南翼采用综合机械化一次采全高采煤工艺(大采高)，二采区北翼采用综合机械化放顶煤采煤工艺。矿井现有主立井担负全矿井煤炭的提升任务，井筒净直径4.5 m，提升高度约350 m，安装JKM-3.25×4(Ⅲ)E型塔式多绳摩擦提升机，装备1对12 t箕斗，钢丝绳采用31ZBB6V×30+FC-1670型首绳4根、139×23ZAB-P8×4×9-1370型尾绳2根。井下设有两座原煤仓，1号原煤仓直径为6 m，容积约480 t；2号原煤仓直径为8 m，容积约854 t。矿井地面有两座年处理能力为300万t的选煤厂，采用无压给料三产品重介旋流器+煤泥重介+浮选+煤泥压滤的选煤工艺。

2.1 井下重介排矸的提出

矿井要求原煤产能增加到5.0 Mt/a，但主井提升能力远远不够，目前最大提升能力仅约3.0 Mt/a。根据矿井的煤质资料，原煤中矸石含量约20%，煤泥含量约10%。若建设5.0 Mt/a井下选煤厂，可以将井下洗选矸石充填在工作面，主井只提升粗精煤。粗精煤提升量约为3.5 Mt/a，矸石充填量1.0 Mt/a，通过泵排煤泥量为0.5 Mt/a。因此，井下选煤厂建设后，只需要对现有矿井提升系统进行简单改造，将现有的12 t箕斗更换为13 t箕斗，同时更换相应的设备。改造后，主井的最大提升能力为612 t/h，满足粗精煤提升能力要求，不用再建新井，既节约了投资，又缩短了工期。

2.2 井下重介旋流器排矸工艺流程

各煤层原煤直接进入各自的原煤仓，在煤仓下口，通过原煤巷胶带机进入井下选煤厂；井下选煤厂采用一套大直径两产品重介旋流器排矸，原煤入选粒度为150～0 mm，采用φ2 000 mm无压给料两产品重介旋流器脱泥分选；精煤脱介脱水采用B=2 500 mm静态链式脱介脱水筛，筛孔为1.0 mm，脱介段长度为50 m，脱介脱水后的粗精煤通过精煤巷胶带机进入精煤仓，利用主井提升运出；矸石脱介脱水采用B=2 000 mm静态链式脱介脱水筛，筛孔为1.0 mm，脱介段长度为50 m，脱水后的矸石去充填；合格介质和磁选精矿回合格介质桶，磁选尾矿作为脱泥的喷水；煤泥水通过管路由回风立井排至地面选煤厂处理；粗精煤再进入地面选煤厂分选，出精煤和中煤。

矸石充填流程为：井下选煤厂洗选出的矸石通过胶带输送机运至工作面，经过回风顺槽，由转载机提升到悬挂在支架上的充填开采输送机内，通过卸料孔将充填物料充填入采空区内，将充填物料压实并接顶。考虑工作面回采的不均衡性，增加一容量约350 t的矸石缓冲仓。

2.3 井下重介排矸工艺布置

井下巷道选煤厂总平面布置如图1所示。巷道布置图如图2—4所示。为满足9号煤层、16号煤层煤的分采分运要求，井下共布置四座煤仓，分别为9号煤原煤仓、16号煤原煤仓、9号煤精煤仓、16号煤精煤仓。因原有两个原煤仓容积较小，主井能力提升后不能满足新的提升缓冲需要，设计将1号原煤仓改为9号煤精煤仓，2号原煤仓改为16号煤精煤仓。新施工两座煤仓，其中新施工的9号煤原煤仓净直径为 7 m，高度为40 m，仓容量为1 100t；新施工的16号煤原煤仓净直径为 10 m，高度为40 m，容量为2 200 t。

图1 井下巷道选煤厂总平面布置

图2 井下巷道选煤厂巷道布置图一

图3 井下巷道选煤厂巷道布置图二

图4 井下巷道选煤厂巷道布置图三

设计将充填工作面布置在9号煤层处。一采区9号煤层平均厚度为2.54 m，煤层倾角1°～3°，地质构造简单，目前生产采用综采一次采全高回采工艺，工作面年生产能力为180万t，有利于改造为充填回采。9号煤层煤容重为1.51 t/m3，回填矸石的松散容重按1.7 t/m3计算，则当充填率达到50%时，即能消耗掉井下选煤厂洗选矸石。

井下重介排矸方案投资估算见表1。

表1 井下重介排矸方案投资估算

3 井下巷道选煤技术特点

与地面选煤厂相比，井下巷道选煤厂具有以下新特点：

(1)井下选煤作业应符合井下安全规范，因此井下选煤厂的通风、除尘可利用矿井系统；选煤厂的安全防护系统、排水系统、监控系统、通信系统完全可依托矿井系统建设；仅需单独设置硐室变电所、检修联络巷、通风联络巷、洗选硐室和短的转载巷道。

(2)改变地面层叠式布置理念。受矿井建设和地质条件的限制，井下选煤设计原则为最大限度地减少机械转载运输环节。结合井下巷道及硐室截面尺寸及长度的特点，将主要工艺设备布置在不同高度的硐室内，在保证自流高度差要求的前提下最大限度地利用巷道高度差进行阶梯式布置。

(3)可采用“井下排矸+地面洗选”双结合的形式建设选煤厂，即简化现有地面选煤厂生产工艺，将矸石用于采空区和巷道的充填，释放地面矸石堆弃场地，节约土地。

(4)作为选煤厂的神经系统，选煤生产控制系统应有很高的可靠性和准确性。井下选煤控制系统可分别设置于地面和井下现场，如主控制室设置在地面，集中控制室设置在主洗车间；井下生产现场设置分控制室，并建立对工艺关键点的远程监控。

(5)矿井选煤生产与矿井生产安全同等重要，因此，所有选煤设备均按矿井生产要求进行防爆设计。选煤厂的主要设备如刮板、胶带、泵都是井下常见设备，日常检修维护与矿井相同，而旋流器和磁选机检修维护与地面选煤厂相同。

(6)井下选煤厂采用硐室(巷道)式结构建设。硐室建设具有以下特点：硐室(巷道)断面尺寸大于常规硐室；各硐室(巷道)间距小、数量多；变形控制要求高且硐室(巷道)能承受一定的振动，稳定性要求高。硐室(巷道)的支护方式根据矿井的具体条件选择高强度、高预紧力锚杆锚索强力支护系统或者二次联合支护等。

综上所述认为，井下选煤技术尤其适用于以下几种情况：

(1) 矿井深部开采，提升高度和能耗较高的矿井。据统计，运输提升耗能约占矿井能耗30%以上，井下洗选矸石全部充填采空区，只需将产品煤升井运至地面直接装仓储存，从而能够大大降低运输能耗。

(2)开采毛煤含矸量较高，地面选煤厂入洗矸石量大的矿井。通过井下选煤厂分选后，矸石直接回填采空区，为矿井扩产创造了有利条件。

(3)矿井开采煤质变差，矸石和煤泥含量均增加，原有选煤厂矸石系统、煤泥水系统能力严重不足，地面选煤厂改扩建成本较高。通过井下选煤排矸以改善地面选煤厂生产指标，或者仅针对特定高含矸煤层建立井下选煤系统，洗选后与其他煤层分别提升，实现分采分运。

(4)地面目前已无排矸场地，矸石处理费用高的矿井。将选煤厂建设在井下，洗选矸石在井下处理利用，地面无污染物排放，可实现节能减排、绿色矿山的目标。

4 结论与建议

井下巷道选煤工艺技术更新了传统的洗选工艺和选煤工程建设模式，形成了一种全新的煤炭洗选理念，对煤矿环境将是一个革命性的改善。发展煤炭绿色生产模式，需要政府主管部门、各大矿务局、科研院校的足够关注和重视，相关部门要积极配合，共同推进新项目的建设和实施。鉴于目前井下排矸工艺技术发展较为缓慢，因此结合实际，对发展井下选煤技术提出几点建议：

(1)优化采、选、充一体化系统，做到协调、统一。对于生产矿井来说，要结合生产矿井的实际情况，如井底煤仓的存储能力和位置、主井提升方式和提升能力，进行必要的支架改造及适当增加运输转载等。对于新建矿井，应在新井建设初期，综合考虑采、选、充一体化建设、一体化生产，既节省投资，又能够优化布局实现能效最大化。

(2)对选煤设备进行改造，以达到国家煤矿安全强制性标准的要求，提高选煤设备在井下环境中的适用性、可靠性，实现专业化、系列化。考虑到巷道尺寸、围岩的稳定性和支护费用，应研究和开发轻型组装筛分、脱水脱介设备以及高效小型化的浓缩设备、压滤设备。

[1] 杨俊利. 发展煤矿井下选煤技术与装备的思考[J]. 选煤技术, 2010 (1): 53-44，78.

[2] 马立强, 李永升. 煤矿井下矸石置换煤炭清洁生产技术[J]. 煤炭学报, 2010 (5): 816-819.

[3] 缪协兴, 张吉雄. 井下煤矸分离与综合机械化固体充填采煤技术[J]. 煤炭学报, 2014 (8): 1424-1433.

[4] 刘 峰, 王 娜. 煤炭采选一体化绿色生产关键技术[J]. 有色金属(选矿部分), 2013(Sup): 35-40.

[5] 邢成国, 许建宁, 李 宝. 煤矿井下重介浅槽排矸系统设计与应用[J]. 选煤技术, 2011(5): 51-54.

Discussion on coal preparation technology in underground roadway

WANG Na, Li Bai-yun

(Beijing YZH Engineering Technology Co., Ltd. , Beijing 100015, China)

Development situation on underground coal preparation technologies is introduced, which includes application analysis of three kinds of coal preparation technologies in underground roadway as well as detailed project of underground dense medium cyclone coal dressing technology. What' more, based on technical features of coal dressing technology in underground roadway, suggestion on the development of this technology is proposed.

underground coal preparation; reject removal by jigging; reject removal by heavy medium vessel; process arrangement

1001-3571(2015)06-0062-04

TD942

B

2015-08-25

10.16447/j.cnki.cpt.2015.06.017

北京市优秀人才资助项目

王 娜(1984—)，女，安徽省蚌埠市人，博士，从事选煤工艺设计及技术研究工作。

E-mail:wangna@bj-yzh.com Tel：15901175605