KGX智能选矸机器人及随掘随采随填充工艺

宋 博，李 伟

(1.陕西中环机械有限责任公司 陕西 铜川 727000；2.西安重工装备制造集团 陕西 西安 710000)

0 引言

煤炭作为我国主要的一次能源，在国民经济和现代化工业发展中占有极大的比重[1]。但是在煤矿开采过程中矸石外排、地表塌陷严重制约了绿色矿山的开发与建设[2-4]。张吉雄等[5]提出了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采方法，可以有效解决矸石回收利用和控制地表塌陷问题。选煤是煤炭加工的一个关键工序，将原煤中的矸石等杂质剔除。当前主要的选煤工艺为水洗法，基于煤和矸石的密度不同、表面亲疏水性不同等物理属性差异，实现煤和矸石分选，但该技术无法在严重缺水的西北地区大规模开展[6]。因此，研制以智能干选系统为核心，达到随采随分随充填变得极其重要。

1 开采技术及选煤方法概述

1.1 充填开采技术

目前，我国煤矿应用的充填开采方式包括固体工作面、固体巷道、膏体工作面、覆岩离层注浆、高水以及近年来提出的煤矿矸石井下分选协同原位充填开采方法(即就近分选+原位充填)[7-9]。主流的充填开采技术中，一些设备占用体积大难以满足井下分选充填使用，充填与开采工艺不相匹配，降低了开采效率，处理成本高，前期建设投资大。

固体充填：固体充填开采技术，是将井下采煤、掘进及地面洗选过程中产生的矸石，通过机械破碎，配以粉煤灰、黄土等辅料，利用连续输送系统将充填材料输送至工作面进行采后直接充填，并用推压密实装置对充填物料进行推压密实，实现采空区密实充填。固体充填具有系统设备简单、投资较少、压缩率大等特点。矸石不出井和压煤技术相结合，既节省了费用，又提高了资源的利用率。为了使减沉的效果更加明显，可通过利用支架后部压实系统进行矸石充填。

膏体充填开采技术：膏体充填开采技术是将煤矿生产过程中产生的煤矸石、电厂产生的粉煤灰、炉渣等固体废弃物，在地面加工制成膏状，通过专用泵加压，利用管道将物料输送至井下工作面。其成本较高，但减沉效果好[10-11]。

高水充填开采技术：高水充填所使用的材料相对比较简单，并且在填充的过程中采用自流的方式。目前国内所使用的高水充填材料，不仅具有良好的流动性和渗透性，而且能密实采空区冒落带，可渗透到裂隙带岩层的大小裂隙中，提高岩体的强度。

煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术：煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术，是以井下分选为核心围绕充填开采方法而建立的一种煤炭开发模式，实现了煤炭开采、井下分选和矸石处理全过程高度集约化的井下生产技术。

1.2 选煤方法

国内外采用的选煤方法主要为重介、跳汰、浮选以及干法选煤等[12]。我国地域广阔，煤炭资源丰富，煤种齐全，煤质变化大，因而以上选煤方法均有应用。

重介质旋流器：重介质旋流器是近年来发展起来的一项新技术，是一种结构简单，无运动部件且分选效率高的选煤设备。在分选过程中，物料和悬浮液以一定压力沿切线方向给入旋流器，形成强有力的旋涡流；液流从入料口开始沿旋流器内壁形成一个下降的外螺旋流；在旋流器轴心附近形成一股上升的内螺旋流；由于内螺旋流具有负压而吸入空气，在旋流器轴心形成空气柱；入料中的精煤随内螺旋流向上，从溢流口排出，矸石随外螺旋流向下，从底流口排出。

重介质分选机：重介质分选机是根据阿基米德原理，将被分选原煤在一定密度的悬浮液中按密度差异进行分层和分离的设备。重介质分选机的应用范围较广，特别是对难选煤有较好的分选效果。

跳汰机：跳汰机选煤法工艺流程简单、生产能力大、维护管理方便、生产成本低、分选效率高，一般在90%以上，在处理中等可选性煤时，也能达到较好的工艺指标，因此在选煤厂设计中被较为广泛地采用。

干选机：在吸取了美国无风干式摇床和俄罗斯风选机的优点后，我国研制出了复合式干法分选机，对于缺水地区、揭煤及遇水易泥化的煤种具有实际应用意义，在我国东北、西北等严寒和干旱地区的一些小型选煤厂得以应用。

浮选机(柱)：①浮选机。浮选机大多是机械搅拌式的。煤炭科学研究总院唐山研究院研发了XJM-S型机械搅拌式浮选机系列产品，“十五”国家科技攻关课题研发的“带有矿浆预矿化器的20 m3机械搅拌式浮选机”已大面积推广应用；②浮选柱。自20世纪80年代以来，浮选柱分选技术取得了重大突破，一批新型浮选柱脱颖而出。近年来又出现几种结构新颖的浮选柱，如全泡沫浮选柱、美国Deister选矿有限公司的Flotair浮选柱等。

2 KGX智能选矸机器人研制

2.1 KGX智能选矸机器人介绍

主体部分及工作原理：KGX智能选矸机主体部分如图1所示，该系统是一种基于先进成像和人工智能技术的干法选煤设备，可利用X射线成像系统获取物料特征。通过振动布料装置、传送装置、双能X射线与可见光全光谱成像系统、气选执行机构、除尘系统等组合应用，高效分离煤矸石等杂质，工作原理示意如图2所示。

图1 KGX智能选矸机主体部分

图2 干选机分选原理示意

主要功能：自动分析识别出煤和矸石，控制高压风对目标进行喷吹，实现全自动原煤分选。处理粒级为25～150 mm、50～300 mm、100～500 mm；处理能力根据煤质不同为180～280 t/h；排矸率可达95%，矸中带煤率小于2%。主机与控制系统功率20 kW，配套设备包括振动筛、空压机、冷干机(根据现场物料处理需要配置)，入料出料传送装置(根据现场环境需要配置)。

2.2 技术关键

智能干选系统包括给料系统、布料装置、识别装置、分选执行机构4大主要系统。

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给料系统：为了控制智能干选机入料粒度上限，≤500 mm原煤通过式筛分破碎至50～300 mm。破碎后的300～50 mm粒级首先经过分级环节，回收限下末煤，块煤进入智能干选系统，分选后得到块煤及矸石产品。

布料系统：布料系统是将原煤均匀分布于输送传送带上的布料装置，由入料槽、振动筛、输送带缓冲段组成，将煤块均匀摊开，杜绝叠加，以便X射线对物料扫描成像。

识别装置：①可见光全光谱成像系统。系统将物块的X射线双能特征和表面细致纹理进行信息融合处理，采用人工智能图像识别技术逐块识别煤与矸，快速生成执行动作命令，传输到高压风执行系统进行喷吹分选，可靠、高效。②深度学习的图像识别系统。通过深度学习图像识别技术对双能X射线传感器/可见光全光谱成像系统获取的物块射线特征信息进行分析，识别出煤和矸石，识别结果输出给执行子系统。

分选执行系统：分选执行系统接收深度学习图像识别系统输出的分选信号，通过电磁阀和分选气缸、喷嘴构成的执行机构控制高压风，在目标物料飞行过程中对物料进行喷吹，实现物料的有效分选。

2.3 优势对比

KGX智能选矸机器人具有X射线探测装置、深度学习图像识别系统、电磁阀控制技术等优势，其中基于深度学习的AI图像识别算法是保证高精度分选关键技术。

双能X射线探测装置:采用进口高性能闪烁体-硅光管双能X射线探测器以及单一射源利用滤片吸收的方式实现双能探测，灵敏度、信噪比更高，图像质量更好，且无几何畸变。

图像识别系统:图像识别是对图像进行处理、特征提取、分类与识别的过程。基于深度学习的识别算法，采用成像系统获取到多通道图像数据，进行标注建立图像数据集。

电磁阀控制技术:通过控制电磁线圈的发热量来延长阀体使用寿命，减少更换频次，增加分选精度、提升工作效率。

3 井下填充的几种方法对比

3.1 综合机械化固体充填

综合机械化固体充填，可实现在同一液压支架掩护下采煤与充填并行作业，其工艺包括采煤及充填工艺，设备布置如图3所示。其中，采煤、运煤系统布置与普通综采完全相同，不同的是增加了一套充填材料运输系统及夯实系统。此项技术中，矸石等固体材料通过运矸系统输送至悬挂在充填支架后顶梁的刮板式充填输送机上，再由卸料孔将矸石充填入采空区，最后经充填支架后部的夯实机进行夯实。该项充填技术已在我国发展多年，目前已在我国十余个矿井二十余个工作面应用成功，在充填采煤一体化液压支架、多孔底卸式输送机及自移式转载输送机等关键设备的保证下，该技术已经形成了一套完整流畅的工艺。充填材料取自本矿及附近煤矿矸石粉煤灰等固体废弃物，价格便宜，成本低。矸石等固体废弃物处理能力可达60万t/a以上。

图3 综合机械化固体充填工作面设备布置

3.2 膏体充填技术

膏体充填采煤是将煤矿附近的煤矸石、粉煤灰等固体废物，辅以水泥和水，在地面或井下加工成无临界流速、不需脱水的高浓度浆体，利用行业大型充填工业泵，通过管道输送到井下采空区，适时进行置换采煤的新型采煤方法，如图4所示。膏体充填采煤如今已经成了“三下”采煤的重要组成部分，在各大矿区均有着广泛地应用。

图4 膏体充填采煤示意

3.3 浆体充填技术

浆体充填技术主要针对蒙陕矿区矸石量大、矿井水大等问题，在采空区黄泥灌浆防灭火和管道输送技术研究的基础上，将矸石破碎、研磨成微小颗粒，以水为载体，管路为通道，泵为动力，将固废颗粒迁移至井下开采垮落后的残余空间，如图5所示。利用“水-砂”混合物在开放空间的沉淀特性及采空区的过滤能力，使得固废颗粒滞留于井下废弃空间，根据需要将水在特定时间从低位进行回收，达到对矸石的处理和对水资源分区调配和重复利用。

图5 浆体充填技术示意

4 随掘随采随填充工艺

4.1 浆体填充的优点

立体充填系统包括地面注浆、井下邻位注浆和井下低位灌浆充填系统，当3种系统进行充填作业时，与工作面的采煤工序相对独立，不存在相互干扰，可实现充填处理矸石的同时达到不影响煤矿正常生产的效果。与膏体和固体充填相比,浆体充填材料运输工艺简单，有利于提高系统可靠性，减少管道堵塞现象。浆体充填的处理能力、效率及成本可以满足现代化大型矿井的矸石处理需求。

4.2 技术难点

浆体充填技术已经可以实现远程操控，且具备故障自诊、风险预警和一键启停功能，为实现智慧充填奠定了基础。但是研磨过程需要时间较长，一定程度上降低了充填效率；且注浆钻孔的施工以及灌浆管道的切换主要依靠人工进行，智能化程度有所降低。

4.3 工艺流程研究

工艺流程大致为井底煤仓上口→筛分装置→智能分选系统→制浆系统→辅运大巷→工作面采空区。将地面洗选矸石或井下矸石经破碎系统破碎至特定粒级，通过制浆系统按一定比例与水混合制成浆体，利用泵送系统将制备好的浆体通过输浆管道直接送至充填区域，以达到处理矸石的目的。通过研究，最终形成完善的井下煤矸分选及就地充填一体化生产模式，为井下煤矸分选及就地充填关键技术的实施与发展提供工艺包。

4.4 试验验证

为了利于研究，建设了绿色智能选矸充填实验室，并规划了固废充填料浆环管试验系统。由固废充填材料破碎筛分系统、除尘系统、给配料系统、泵送系统、监测系统、管路运行系统、自动控制系统7个子系统组成。可测试不同配比、流量、管径(模拟)、管道布置方式、停泵时间下的直管及弯管压力损失试验。试验过程中，能够可视化监测输送过程管道内部流动状态，监测管壁压力和电阻率等物理参量的变化，实时采集、存储、处理、显示试验数据，并绘制试验曲线，打印试验报告。

5 结语

基于KGX智能选矸系统的“采-选-充”一体化的工艺研究为矸石处理提供了一个全面的、可行的方法，可以将智能分选出的矸石用于井下采空区充填,实现固体废弃物的规模化处理，快速地消耗矸石，减少其对土地的侵占、对空气的影响、对水资源的破坏等，避免掘进矸石堆放造成的环境污染。该系统可以从根本上解决煤矿开采伴随着矸石等固废排放和采场矿压与地表沉陷控制问题，从源头上保护矿区生态环境,推进煤矿绿色开发，实现固废的规模化处理，安全、绿色、高效地解决矿山固废排放问题，减少地面堆放造成的环境污染和破坏。