權(quán)春鋒，馬利云

1陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西西安 710300

2呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系 山西呂梁 033001

我國煤炭資源十分豐富，儲(chǔ)量居世界第三，產(chǎn)量居世界第一，是世界上最大的煤炭消費(fèi)國[1-3]。煤矸石是煤炭開采與加工過程中含碳量低、灰分高的固態(tài)廢棄物，隨著采煤機(jī)械化程度的提高，煤炭中含矸量也隨著增長，煤矸石分選已成為煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[4]。為降低原煤中的各種雜質(zhì)，以滿足不同用戶的要求，減少煤炭對大氣的污染，需要對煤炭進(jìn)行加工[5-6]。

在當(dāng)前煤炭行業(yè)產(chǎn)能過剩、供大于求、用戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求更加苛刻的情況下，人工揀矸分選系統(tǒng)配置嚴(yán)重制約著企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高[7]。針對桑樹坪二號井原煤篩上物塊狀物料的粒度特征，煤、矸占比以及煤、矸各自的物理特性等特征，探索研究一項(xiàng)以技術(shù)先進(jìn)、工藝簡單、分選精度好、效率高而且投資省、見效快、能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還不污染環(huán)境為總體方案要求的選煤新方法，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 桑樹坪二號井選煤工況分析

韓城礦業(yè)桑樹坪二號井隸屬于陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，2015 年上半年完成了生產(chǎn)系統(tǒng)的擴(kuò)能改造工作，礦井主運(yùn)輸系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸，南北采區(qū)的煤炭首先進(jìn)入井底煤倉，然后通過斜井主運(yùn)輸送帶及上倉輸送帶進(jìn)入篩分車間進(jìn)行篩分，分為+60 mm 篩上物塊煤、矸石及-60 mm 的篩下物混煤。由于篩上物矸石含量達(dá) 60%，矸石粒度為 30～300 mm，塊煤粒度為 25～100 mm，為提升產(chǎn)品質(zhì)量，現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)在篩下設(shè)置第一次人工揀選大矸，在塊煤倉上設(shè)置第二次人工揀矸，然后將塊煤用汽車倒運(yùn)至現(xiàn)有儲(chǔ)煤場(混雜煤)進(jìn)行第三次人工揀矸，最終塊煤產(chǎn)品經(jīng)過汽車外運(yùn)銷售，矸石通過汽車排棄。-60 mm 混煤直接由帶式輸送機(jī)運(yùn)至儲(chǔ)煤場存儲(chǔ)后由汽車外運(yùn)銷售。

桑樹坪二號井人工揀矸場景如圖 1 所示。

圖1 儲(chǔ)煤場人工揀矸

該選矸系統(tǒng)存在的問題：

(1)選矸員工配置較多，人工成本較高；

(2)工況復(fù)雜，安全管理壓力大；

(3)工作環(huán)境差，粉塵多，噪聲大，員工容易患職業(yè)??；

(4)員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作時(shí)間長，易疲勞，造成漏選或錯(cuò)選，分選效率低；

(5)員工的熟練程度和技能高低影響分選效果；

(6)經(jīng)過 3 次人工揀矸，部分塊煤在轉(zhuǎn)載、轉(zhuǎn)運(yùn)、推土機(jī)盤煤過程中成為末煤(損失高達(dá) 65%)，總體經(jīng)濟(jì)效益低。

2 智能煤矸分選系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基于 X 射線識別的煤矸石智能分選系統(tǒng)其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對煤和矸石的識別和分選，提高煤的質(zhì)量。其基本原理是利用 X 射線對不同密度的物質(zhì)衰減程度不同，衰減后的 X 射線強(qiáng)度存在明顯區(qū)別[8]。通過接收衰減后的 X 射線信號，將其轉(zhuǎn)化為電信號，從而形成不同強(qiáng)度的 X 射線圖像，再對所獲得的X射線圖像進(jìn)行分析處理，提取出煤和矸石的識別閾值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分選。該分選系統(tǒng)主要由 3 部分組成：檢測部分、識別部分和分選部分，如圖 2 所示。

圖2 煤和矸石智能分選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

檢測部分包括排隊(duì)機(jī)構(gòu)、帶式輸送機(jī)、X 射線源、探測器卡 X-card、數(shù)據(jù)采集卡 X-DAQ、X 射線源供電電源和數(shù)據(jù)采集卡供電電源。識別部分通過上位機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。主要功能包括：X 射線源電壓和電流的控制，獲取衰減 X 射線信號，煤和矸石的識別以及通過 PLC 對氣閥進(jìn)行控制打擊煤或矸石。

2.2 識別機(jī)理

基于現(xiàn)代傳感理論，引入雙能 X 射線發(fā)生系統(tǒng)，由一個(gè)射線源發(fā)出穩(wěn)定射線并由高低能兩組傳感器接收，對任意點(diǎn)同步產(chǎn)生兩組成像數(shù)據(jù)，以此反映被照射物質(zhì)對射線的吸收結(jié)果，從而對不同粒級、不同形狀的煤和矸石進(jìn)行精確成像和分組識別。X 射線對物質(zhì)的衰減程度[9]

式中：I0為射線束透射物體前的強(qiáng)度；μ為衰減系數(shù)，與被照射物質(zhì)的物理狀態(tài)和化學(xué)成分有關(guān)。

基于灰度值識別原理及式(1)可知，煤和矸石對 X 射線的衰減程度不同，與物體的高度和密度也有關(guān)系。相比于煤炭，矸石中含有大量的 Al2O3、SiO2，另外還含有數(shù)量不等的 Fe2O3、CaO、MgO 等物質(zhì)。同碳元素相比，Al、Si、Fe 等元素對射線的吸收系數(shù)大，故在雙能 X 射線照射下，煤炭和矸石由于對射線的吸收不同從而形成成像差異。

在煤和矸石的智能識別過程中，首先需要對煤和矸石的圖像進(jìn)行處理，通過近似計(jì)算煤和矸石圖像的面積S，得到煤或者矸石的高度hc和hg，同時(shí)采用直方圖[10]得到每塊煤和矸石的像素峰值灰度級fc和fg。因此，X 射線透過煤或者矸石之后的強(qiáng)度Ic和Ig分別為

式中：k1、k2分別為煤和矸石峰值灰度級與透射過的X 射線強(qiáng)度比例關(guān)系。

選取一系列煤和矸石進(jìn)行試驗(yàn)，擬合得到煤和矸石對 X 射線的衰減曲線[11]，如式(4)、(5)所示，進(jìn)而得出峰值灰度級f和物體高度h的關(guān)系。

式中：μc、μg分別為煤和矸石對 X 射線的衰減系數(shù)。

由此筆者提出對煤和矸石識別的判斷式T=f h，并確定煤和矸石的識別閾值T0。

該研究以灰度級的頻率數(shù)和灰度值作為特征點(diǎn)，確定煤和矸石的識別閾值T0。選取桑樹坪二號井的具有代表性的煤塊和矸石，進(jìn)行單物料分選調(diào)試，由分選控制程序記錄每個(gè)對象。通過計(jì)算機(jī)對大量煤和矸石透射后產(chǎn)生的灰度信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，建立煤和矸石分界的數(shù)學(xué)模型，如圖 3 所示。其中，分界線代表煤矸分選界限，可以根據(jù)物料特性的不同，調(diào)整分選界限，進(jìn)而調(diào)整分選精度。

圖3 雙能 X 射線透射煤和矸識別數(shù)學(xué)模型

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用高精度雙能 X 射線傳感器對照射煤和矸石后的 X 射線進(jìn)行接收，接收到的 X 射線能量以一維數(shù)組的形式傳輸給控制上位機(jī)，由于采用雙能射線探測器，使同時(shí)獲取任意點(diǎn)的高低能能量信息成為可能，保證了數(shù)據(jù)同步、穩(wěn)定，相對于雙源射線更加具有可操作性。計(jì)算機(jī)通過 MATLAB 技術(shù)對數(shù)字信號進(jìn)行預(yù)處理，得到反映射線能量的色彩信息，從而得出對物料組分屬性R的判斷，同時(shí)獲知物料的形狀、大小、位置、速度等信息。最終將符合設(shè)定擊打特征的對象信息通過計(jì)算機(jī)接口發(fā)送給執(zhí)行控制器。

識別機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖 4 所示，二者縱向排列，在自由落體過程中，對正處于自然下落的煤或者矸石施加一個(gè)法向外力，使之改變原拋落跡線完成整個(gè)識別與分選過程。識別-擊打一體化系統(tǒng)包括：給料系統(tǒng)、布料裝置、識別-執(zhí)行一體化機(jī)構(gòu) 3 大主要系統(tǒng)，以及除塵、供風(fēng)、電控 3 大輔助系統(tǒng)。工藝流程為：物料直接經(jīng)布料器均勻單層給入智能一體化干選機(jī)；物料在自由拋落過程中被雙能 X 射線透射，分選控制系統(tǒng)對射線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理，識別煤塊和矸石；確定待擊打目標(biāo)，將執(zhí)行命令傳輸給氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)闹噶顖?zhí)行氣動(dòng)擊打煤或矸石，被擊打者脫離原運(yùn)動(dòng)軌跡分離至遠(yuǎn)方溜槽中，而未擊打者沿原正常軌跡進(jìn)入近方溜槽中，從而實(shí)現(xiàn)選煤或矸石的高效、精確分離。

圖4 識別-擊打一體化模式系統(tǒng)示意

圖5 高頻臥式氣動(dòng)噴射機(jī)構(gòu)

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，根據(jù)干選車間工藝，布置一體化智能干選機(jī)、篩分機(jī)、布料器等，如圖 6 所示，完成安裝并對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

圖6 干選車間實(shí)景

調(diào)試分選粒級為 50～150 mm，分別測算選出產(chǎn)品煤中的含矸量以及矸中的帶煤量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)篩下30～50 mm 的小塊煤含量較多，干法分離回收小塊煤時(shí)應(yīng)將篩板孔下調(diào)為 30～150 mm?，F(xiàn)場對塊煤組成分析發(fā)現(xiàn)，大于 100 mm 的塊煤中基本全是矸石，這部分物料參與分選意義不大，試驗(yàn)決定將分選上限調(diào)整為 100 mm 繼續(xù)測試，最終確定分選粒級為 30～100 mm。

確定好分選粒徑和雙能 X 射線透射煤矸分離數(shù)學(xué)模型后，根據(jù)制定的工藝流程進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：單條一體化智能干法選煤系統(tǒng)的處理量為 50 t/h，人工揀選系統(tǒng)處理量為 20 t/h，干法系統(tǒng)可完全替代人工揀選系統(tǒng)(原系統(tǒng)為 2 條生產(chǎn)線)；煤中含矸小于 5.0%，最低時(shí)達(dá)到 1.4%，矸中帶煤小于5.0%，最低時(shí)達(dá)到 1.1%，煤的分選效率大于 90%，指標(biāo)良好，超過了預(yù)期目標(biāo)。通過智能干法選煤，不僅降低了工人患職業(yè)病的概率，而且降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于安全管理。

4 結(jié)論

(1)提出了利用雙能 X 射線識別煤與矸石的方法，建立了基于煤矸透射后生產(chǎn)的灰度值數(shù)學(xué)模型，該模型可根據(jù)物料特性的不同，調(diào)整分選界限來調(diào)整分選精度；

(2)在桑樹坪二號井儲(chǔ)煤場開展試驗(yàn)，生產(chǎn)指標(biāo)良好，超過了預(yù)期目標(biāo)。該技術(shù)有效節(jié)省了噸煤人工加工費(fèi)用 7 元左右，改善了作業(yè)環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了安全管理效率。