块煤防破碎装置在南梁选煤厂的应用

张 磊，王兴友,仲跻虎

(1.中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北 邯郸 056031；2. 中国煤炭进出口公司,北京 100024；3. 陕西南梁矿业有限公司,陕西 榆林 719400)

块煤防破碎装置在南梁选煤厂的应用

张 磊1，王兴友2,仲跻虎3

(1.中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北 邯郸 056031；2. 中国煤炭进出口公司,北京 100024；3. 陕西南梁矿业有限公司,陕西 榆林 719400)

为了解决块煤入仓前转载过程中存在破碎严重的问题，南梁煤矿选煤厂从碰撞接触力学角度分析了块煤的破碎机理，利用离散元动态仿真技术，对主厂房和压滤车间两处高度差较大的块煤转载环节实施了改造，将原有垂直溜槽改造为采用高位接料式螺旋溜槽。改造结果表明：块煤防破碎效果显著，转载点的噪音明显降低，企业经济效益相当可观。

块煤防破碎；高位接料；螺旋溜槽；转载环节；离散元动态仿真技术

南梁煤矿选煤厂隶属于陕西南梁矿业有限公司，是一座生产能力为3.0 Mt/a的矿井型选煤厂，于2011年4月开始建设，2012年6月正式投产。在实际生产中，主厂房块精煤需要经过两个高差在10 m以上的转载点才能运至块煤仓，期间块煤损失严重，严重影响企业经济效益。

煤炭供给侧结构调整的关键是清洁高效，而分质利用、分级利用、多级联产等措施是具有中国特色的洁净能源技术之路，在当前煤炭市场大形势下，市场对块煤的需求不断提升，促使块煤价格急剧攀升，块煤产品比末煤产品价格普遍高出100元/t以上。因此，提高块煤产量，减少块煤破损率，已经成为提高煤炭企业经济效益的重要途径之一。南梁煤矿选煤厂块煤入仓前转载过程存在破碎严重的问题，这不仅是影响选煤厂产值的主要因素，也是多年来亟待解决的问题，因此有必要对选煤厂块煤转载环节进行优化改造。

1 生产现状及存在问题

南梁煤矿选煤厂地面设有主厂房和压滤车间，主厂房精煤脱介筛筛出>30 mm块煤转载至压滤车间，再通过压滤车间的块煤分级筛把转载过程中破碎部分筛出，最终把>30 mm块煤通过带式输送机运至块煤仓。虽然块煤仓在建设期间已安装螺旋溜槽，有效降低了块煤在入仓环节的破碎率，但从主厂房出来的块煤经压滤车间转载的过程中已经造成部分块煤破碎。

鉴于以上情况，南梁煤矿选煤厂块煤转载环节亟待改造和完善，以提高选煤厂块煤产量，提高企业经济效益。

2 改造方案与实施

2.1 防破碎改造点

通过对南梁煤矿选煤厂块煤入仓前破碎情况的分析可知，块煤发生破碎的环节主要有两个，即从主厂房精煤脱介筛转载至上压滤车间带式输送机的过程，高差为10.5 m左右；从上压滤车间带式输送机经块煤分级筛转载至上块煤仓带式输送机的过程，总高差为11 m左右。这两个点高差均超过10 m，且没有采取有效的块煤防破碎措施，导致从主厂房出来的>30 mm块煤经过这两个点转载后损失严重。因此，此次改造选取这两个转载点来设计块煤防破碎装置[1-3]。

2.2 防破碎技术原理及力学分析

针对块煤在转载环节发生破碎的实际情况，从碰撞接触力学角度分析了块煤的破碎机理，块煤碰撞时产生的瞬时冲击力是导致其破碎的最主要原因。

块煤转载时，卸载方式是以一定的初速度做平抛运动。煤流与下一部设备第一时间接触的点称为落煤点。依据动量定理Ft=△p和动量守恒定律mgt1-F0t2-Ft3=0进行分析，块煤在竖直下落的时间t1内，受到重力向下的冲量为mgt1；块煤在接触到物体并与物体发生相对运动，摩擦力F0对块煤产生的阻力冲量为F0t2；块煤在接触到物体(落煤点)并同时发生形变时，阻力F对块煤的冲量是Ft3，块煤所受挤压应力越大，即单位面积受到接触力F越大，块煤形变越大，当挤压应力达到一定值(δjy)时，则会发生破碎。因此块煤不破碎需满足以下条件：

由于

mgt1-F0t2-Ft3=0，

故有

再加上位置修正参数mv0sinθ，得出块煤防破碎数学模型：

(1)

式中：g为重力加速度，m/s2；δjy为块煤最小挤压破碎应力，为固定值；δ煤为块煤所受挤压应力；m为块煤质量，kg；h为转载点两设备之间的落差，m；t1为块煤下落的总时间，s；t2为块煤与物体接触并发生相对运动的时间，s；t3为块煤开始碰撞瞬时和脱离瞬时的时间差，s；A为块煤与被撞物体的接触面积，m2。

由式1可知：块煤在转载过程中所受的挤压应力与块煤转载的高差h成正比，与块煤下落过程中所受的摩擦力F0和作用时间t2成反比，同时与块煤质量m、接触面积A等参数有关。式1是对于块煤从抛离设备到落入下一设备整个过程运用动量定理做出的块煤防破碎数学模型。对于块煤碰撞瞬间(包括块煤与块煤、块煤与设备之间的碰撞)进行了动量定理分析，接触单元之间碰撞产生的挤压应力可表示为：

(2)

式中：m1、m2为接触单元1、2的质量，kg；e为恢复系数；v为开始碰撞瞬时接触单元的速度，m/s；

由式2可知：块煤在碰撞时产生的挤压应力与碰撞瞬时相对运动速度v成正比，与接触时间t3成反比，同时还与恢复系数e有关。相对运动速度v越大、接触时间t3越短，碰撞产生的挤压应力越大，反之，碰撞产生的挤压应力越小，块煤越不容易破碎[4-6]。

对于单质点间的碰撞，我们可以运用以上公式计算，而对于属于散体物料的块煤来说，其运行过程中各质点间都存在相互作用，虽然以上方法同样适用，但由于运算量太大无法采用普通方法进行求解。针对散体物料国内外有很多理论进行计算，具有代表性的是离散单元法(DEM)。离散单元法是求解与分析复杂离散系统的运动规律与力学特性的数值方法，其认为系统是由离散个体所组成，个体之间存在接触与脱离、相互作用以及接触力与能量的联系，可借助计算机强大的计算能力，对物料的运动规律进行模拟仿真研究。

2.3 防破碎装置的设计

采取高位接料和螺旋溜槽这两个措施对改造点进行改造设计，因两处防破碎装置结构相似，下面以筛分车间的改造为例来说明防破碎装置的设计。

2.3.1 高位接料

输送块煤的带式输送机与其它设备搭接时，在带式输送机机头部位采用高位接料型式，结构型式如图1所示，带式输送机来料沿机头滚筒滑落到溜槽内。该结构型式的优点是块煤下落到溜槽内高度落差非常小，块煤和溜槽底板间几乎不会产生冲击力，块煤的防破碎效果十分明显。

图1 高位接料结构型式

2.3.2 螺旋溜槽

因转载高差较大，为减少物料下落过程中对溜槽底板或侧板的冲击，根据物料走向设计了螺旋曲面结构，其中压滤车间块煤防破碎装置如图2所示。改造项目中，厂房内每层的设备布置都很紧凑，所设计的螺旋溜槽需要满足3个条件，即精准的穿过两层楼板而不能与现有设备发生干涉；留出设备检修的空间；楼层土建主梁不能破坏。除了满足上述条件以外，还要满足块煤在溜槽内的平滑运行。通过安装关系图可以得到其与设备及土建结构间的关系，但从设计图看不出块煤能否在溜槽内平滑运行，如果螺旋角度过小，则会发生堵煤现象；如果螺旋角度过大，则块煤在溜槽内会不断加速，达不到理想的防破碎效果[7]。

为此，我们引入了离散元动态仿真技术。将图2所示防破碎装置的三维模型导入离散元动态仿真软件，然后建立散装物料模型(块煤)，并设置其属性参数，同时设置物料与设备之间的属性参数，如摩擦系数等；在所有参数设定完成后，开始仿真计算，最后以动画图形的方式输出计算结果。经过多次螺旋角度的调整及仿真分析，最终仿真方案结果如图3所示。图左侧色带不同颜色对应不同速度的物料。

图2 压滤车间块煤防破碎装置

图3 螺旋角度仿真模拟图

从图3中可以看出：块煤在防破碎装置中运行的速度始终保持2～4 m/s之间，且没有较大的速度冲击，出料速度约为2.5 m/s，与下部带式输送机带速相当，因此落料时也不会产生较大的冲击，从而达到良好的块煤防破碎效果[8-10]。

3 改造效果与经济效益

3.1 改造效果

防破碎装置安装完成后，并对相同地点噪声进行测试，主厂房噪声由改造前的98分贝降低到78分贝，压滤车间噪声由改造前的88分贝降低至72分贝。改造前，主厂房块煤运至块煤仓时，块煤损失在7%左右，改造后，块煤损失仅为3%～4%，块煤率可提高至少3个百分点。经过一段时间的使用测算，块煤防破碎效果十分明显。

3.2 经济效益

南梁矿选煤厂目前块煤(30～200 mm)产量约为0.37 Mt/a，经过改造后，块煤产率提高了3个百分点，每年可多回收块煤1.11万吨，若块煤与末煤差价按100元/t计算，每年可增加销售收入111万元，经济效益相当可观。

4 结语

在当前煤炭市场的大形势下，块煤价格保持高位运行态势成为煤炭市场的一大亮点。最大限度地提高块煤产率，减少块煤在生产和转运过程中的破损率，降低块煤限下率，成为煤炭行业提高企业经济效益，增强企业竞争力的重要手段之一。南梁选煤厂对主厂房和压滤车间块煤转载环节进行改造后，降低了压滤车间噪声，提高了块煤率至少3个百分点，块煤防破碎效果十分明显，每年可增加收入111万元，经济效益相当可观。

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Application of the lump coal breaking prevention unit at Nanliang Coal Preparation Plant

ZHANG Lei1, WANG Xing-you2, ZHONG Ji-hu3

(1. China Coal Handan Design Engineering Co., Ltd., Handan, Hebei 056031, China; 2. China Coal Import & Export Co., Ltd., Beijing 100024, China; 3. Shaanxi Nanliang Mining Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719400, China)

Formerly, the breaking of lump coal was very serious during the process of its transfer into coal bunker. Analytical study is hence made of the breaking mechanism of lump coal from the angles of impact and collision mechanics. Based on the result of study, work is made on the renovation of the 2 lump coal transfer points with a larger height difference (one in the main workshop and the other in filter press shop) using discrete element dynamic simulation technique. The work involves the conversion of vertical chute into a high material receiving spiral chute. Practice shows that the renovation work has led to effective control of breaking of lump coal and noticeable reduction of noise level at coal transfer points, this bringing about, therefore, considerably favourable economic benefit for the plant.

lump coal breaking control; elevated transfer point; transfer link; spiral chute; discrete-element dynamic simulation

1001-3571(2016)06-0033-04

TD948.7

B

2016-06-07

10.16447/j.cnki.cpt.2016.06.009

张 磊(1982—)，男，河南省汤阴县人，工程师，硕士，从事块煤防破碎装置的研究工作。

E-mail：16235729@qq.com Tel：18903200103

张 磊，王兴友,仲跻虎.块煤防破碎装置在南梁选煤厂的应用[J]. 选煤技术，2016(6)：33-36.