霍志飛

(中煤集團(tuán)西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

母杜柴登井田承壓水含水層主要有白堊系下統(tǒng)志丹群、侏羅系中統(tǒng)直羅組、中下統(tǒng)延安組及三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組等地層，承壓水含水層分布廣泛。礦井設(shè)計(jì)初期正常涌水量為1 460 m3/h，后期最大涌水量預(yù)計(jì)為3 000 m3/h。2017年6月礦井試生產(chǎn)以來，由于工作面涌水量不斷增加，多次發(fā)生帶有明水的煤埋壓機(jī)尾及井下煤倉(cāng)竄倉(cāng)等事故，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法生產(chǎn)。隨著工作面逐步推進(jìn)且受沖擊地壓影響，回風(fēng)順槽和機(jī)尾超前段發(fā)生底鼓、片幫、漏頂，使巷道斷面變小，需采取密集支護(hù)，且支護(hù)長(zhǎng)度超過200 m，導(dǎo)致工作面積水無(wú)法從機(jī)尾排出，只能通過煤流將水帶出，煤流中可見的明水高達(dá)40%左右，給運(yùn)輸、儲(chǔ)存、地面加工和銷售帶來諸多隱患和困難。同時(shí)，由于毛煤水分高，產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證。礦井在排水方面做出了諸多嘗試，但都沒有明顯效果。

1 建設(shè)毛煤脫水系統(tǒng)的必要性

(1)由于礦井工作面涌水量較大，為俯采，而且受沖擊地壓的影響，回風(fēng)巷時(shí)常發(fā)生變形、底鼓，積淤積水嚴(yán)重，且嚴(yán)禁人員進(jìn)入，導(dǎo)致工作面的水無(wú)法從刮板機(jī)機(jī)尾經(jīng)回風(fēng)巷排出，全部由刮板機(jī)帶入煤流中。

(2)工作面及采空區(qū)的水大量進(jìn)入煤流中，使得毛煤中可見明水較大，入倉(cāng)后造成竄倉(cāng)事故，嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行和人身安全。

(3)箕斗進(jìn)行提煤時(shí)，如果箕斗中煤的水分過高，則會(huì)影響箕斗的穩(wěn)定性，形成安全隱患。

(4)帶有明水的煤經(jīng)箕斗提升至地面，在帶有傾角的膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸過程中，明水會(huì)帶著煤發(fā)生倒滑，特別是當(dāng)事故停機(jī)后，膠帶上帶有明水的煤會(huì)一瞬間滑到機(jī)尾，將機(jī)尾埋壓。

(5)毛煤水分大時(shí)，較小粒度的煤泥會(huì)粘在膠帶運(yùn)輸機(jī)帶面上，造成清掃器、帶面、托輥嚴(yán)重磨損，材料成本增加，檢修工作量增大。

(6)帶有明水的毛煤進(jìn)入選煤廠后，造成原煤系統(tǒng)篩分困難，堵塞篩板，需定期清理，嚴(yán)重時(shí)每2 h就把整個(gè)篩面糊滿，影響篩分效率。

(7)帶有明水的煤篩分效率低，導(dǎo)致大部分煤泥進(jìn)入塊煤系統(tǒng)，影響分選效果，而且煤泥量增加。

井下毛煤水分過大形成重大安全隱患，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)，因此，在井下增設(shè)毛煤脫水系統(tǒng)十分必要。

2 毛煤脫水工藝及設(shè)備布置

2.1 毛煤脫水工藝

井下西翼區(qū)域毛煤經(jīng)25 mm(可調(diào))分級(jí)脫水篩進(jìn)行一級(jí)脫水，篩出明水含量高的小于25 mm物料，減少進(jìn)入脫水系統(tǒng)的煤量。大于25 mm物料進(jìn)入破碎機(jī)，破碎至小于300 mm后進(jìn)入主運(yùn)煤門膠帶運(yùn)輸機(jī)，進(jìn)入井底煤倉(cāng)；小于25 mm篩下物料再經(jīng)1 mm(可調(diào)1～1.5 mm)脫水篩進(jìn)行二級(jí)脫水，篩上物直接進(jìn)入主運(yùn)煤門膠帶運(yùn)輸機(jī)，進(jìn)入進(jìn)底煤倉(cāng)；篩下煤泥水經(jīng)0.35 mm弧形篩預(yù)脫水后，再進(jìn)入篩縫為0.5 mm高頻篩進(jìn)行三級(jí)脫水，篩上物經(jīng)轉(zhuǎn)載進(jìn)入主運(yùn)煤門膠帶運(yùn)輸機(jī)，篩下物進(jìn)入深錐斜板濃縮機(jī)進(jìn)行濃縮沉淀，底流進(jìn)入壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾，壓濾后的煤泥經(jīng)轉(zhuǎn)載進(jìn)入主運(yùn)煤門膠帶運(yùn)輸機(jī)，壓濾機(jī)的濾液和深錐斜板濃縮機(jī)的溢流經(jīng)泵送至水倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)煤與水徹底分離且分別回收利用。

圖1 毛煤脫水系統(tǒng)原則工藝流程

2.2 工藝布置

毛煤脫水系統(tǒng)的一、二級(jí)脫水設(shè)備主要布置于主運(yùn)輸大巷帶式輸送機(jī)機(jī)頭破碎硐室處，在主運(yùn)煤門和回風(fēng)煤門之間新掘壓濾硐室，布置三級(jí)脫水和煤泥脫水、煤泥水沉淀和壓濾系統(tǒng)。壓濾后的煤泥與粗煤泥返回到主運(yùn)煤門膠帶，濾液水返回井下水倉(cāng)。毛煤脫水系統(tǒng)設(shè)備流程見圖2，毛煤脫水壓濾系統(tǒng)設(shè)備布置見圖3。

圖2 毛煤脫水系統(tǒng)設(shè)備流程

圖3 毛煤脫水壓濾系統(tǒng)設(shè)備布置

2.3 工藝參數(shù)選擇

根據(jù)井下實(shí)際情況，經(jīng)研究分析，主要參數(shù)選取如下。

(1)主煤流通過能力：以3-1煤西翼大巷帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸峰值計(jì)算，Q=3 400 t/h；

(2)生產(chǎn)毛煤全水分Mt不小于26%；

(3)煤泥水系統(tǒng)處理能力：Q=1 200 t/h；

(4)分級(jí)篩篩孔φ25 mm，分級(jí)效率70%；

(5)脫水篩篩孔φ1.0 m，脫泥效65%；

(6)高頻篩篩孔φ0.5 mm，篩上回收率80%；

(7)壓濾機(jī)濾餅水分Mt為24%。

2.4 主要工藝設(shè)備

2.4.1 設(shè)備選型原則

根據(jù)井下條件，設(shè)備選型的原則如下：

(1)設(shè)備拆裝部件尺寸滿足井下運(yùn)輸條件；

(2)設(shè)備扁平化設(shè)計(jì)以降低硐室高度，最大高度不得超過6 m，寬度不超過4 mm；

(3)振動(dòng)脫水篩在滿足井下毛煤通過量的前提下，盡可能提高脫水效果；

(4)所有設(shè)備必須滿足井下使用條件，沒有取得“MA”認(rèn)證的成套設(shè)備，其配電必須使用“MA”認(rèn)證的產(chǎn)品；

(5)由于井下條件導(dǎo)致煤量的不穩(wěn)定，所以設(shè)備能力在條件允許的前提下，盡可能偏大，不均衡系數(shù)為1.2。

2.4.2 主要工藝設(shè)備選型

井下毛煤脫水系統(tǒng)的主要工藝設(shè)備選型見表1。

表1 井下毛煤脫水系統(tǒng)主要工藝設(shè)備選型

2.5 運(yùn)輸系統(tǒng)改造和壓濾硐室

根據(jù)毛煤脫水系統(tǒng)的布置情況，需對(duì)原有主運(yùn)輸系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行改造。一是將西翼大巷帶式輸送機(jī)機(jī)頭抬高1 500 mm，原混凝土基礎(chǔ)加長(zhǎng)1.5 m，重新制作膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭架；膠帶運(yùn)輸機(jī)滾筒向前延伸800 mm；原有的破碎機(jī)需下放500 mm，同時(shí)向機(jī)尾方向移動(dòng)3 900 mm，重新制作支撐平臺(tái)，包括支撐平臺(tái)梁窩改造、增加鋼立柱、增大型鋼型號(hào)等。將原主運(yùn)輸煤門帶式輸送機(jī)機(jī)尾同時(shí)向后移動(dòng)4 000 mm。

在主運(yùn)煤門膠帶運(yùn)輸機(jī)中部建設(shè)壓濾硐室，壓濾硐室采用錨網(wǎng)噴+鋼筋混凝土砌碹復(fù)合支護(hù)，內(nèi)部主要布置弧形篩、高頻篩、濃縮機(jī)、壓濾機(jī)及相關(guān)配套的泵、桶篩設(shè)備。

井下毛煤脫水系統(tǒng)用電設(shè)備總計(jì)安裝容量342.20 kW，高壓電源10 kV，低壓電源660 V，照明及控制電源127 V，建設(shè)工期為2個(gè)月，與主運(yùn)系統(tǒng)銜接的設(shè)備安裝和改造工期15 d，利用礦井搬家期間進(jìn)行改造，2018年2月20日開始建設(shè)，全系統(tǒng)于2018年4月19日正式投入使用。

3 井下毛煤脫水系統(tǒng)使用情況

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行情況

母杜柴登礦井井下毛煤脫水系統(tǒng)于2018年4月19日正式投入使用，在使用過程中，主運(yùn)輸大巷膠輸送機(jī)帶機(jī)能力達(dá)到或超過3 400 t/h時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。經(jīng)取樣化驗(yàn)分析，當(dāng)毛煤入篩前水分在15%以下時(shí)，脫水后毛煤水分在13.5%以下，脫掉近1.5個(gè)百分點(diǎn)的水分。當(dāng)毛煤入篩前水分大于15%時(shí)，脫水后，毛煤的水分可以控制在15.0%以內(nèi)。也就是說不管來煤水分多高，通過毛煤脫水系統(tǒng)后，毛煤的水分(全水分)基本可以控制在15%以內(nèi)。脫水前后檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 脫水前后檢測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

3.2.1 實(shí)現(xiàn)煤閉路、水分離

毛煤脫水系統(tǒng)完全嵌入原有井下運(yùn)輸系統(tǒng)中，其中一、二級(jí)脫水設(shè)備成為原有運(yùn)輸系統(tǒng)的一部分；同時(shí)一、二級(jí)脫水設(shè)備的控制嵌入原有控制系統(tǒng)中，與原有設(shè)備形成相互閉鎖關(guān)系，三級(jí)脫水及煤泥水處理后的煤全部返回到原有運(yùn)輸系統(tǒng)，煤泥水返回到井下水倉(cāng)。

3.2.2 采用多級(jí)振動(dòng)脫水

采用三級(jí)脫水，一級(jí)為25 mm(可調(diào))分級(jí)脫水，二級(jí)為1 mm(可調(diào))分級(jí)脫水，三級(jí)為0.5 mm分級(jí)脫水，煤泥水采用沉降壓濾處理。一、二級(jí)分級(jí)脫水篩的振源采用激振器傳動(dòng)，其激振加速度接近5g，這樣可以使煤流經(jīng)過篩機(jī)時(shí)，被強(qiáng)制向上拋射，在上升和下降過程中，物料松散度不斷地發(fā)生變化，使煤水分層，如此往復(fù)，煤流中的水就會(huì)被強(qiáng)制從煤中分離，并通過篩板，從篩下分離出來。如果沒有強(qiáng)制振動(dòng)分離，則只有煤流下層的水分被脫離，中上層的水就不會(huì)被脫離，脫水的效果較差。

3.2.3 增大篩面傾角

受井下空間的限制，篩機(jī)的最大尺寸為2600mm×4800mm，來料的速度為4 m/s。經(jīng)計(jì)算，動(dòng)篩的篩面傾角至少為30°時(shí)，可以保證正常處理能力在2 500～3 400 t/h，且簡(jiǎn)單、順暢，自動(dòng)化程度高。

3.2.4 提高三級(jí)脫水效果

毛煤中的水分受工作面地質(zhì)條件影響，含水量變化較大，經(jīng)一、二級(jí)脫水后的水分不穩(wěn)定，所以三級(jí)脫水采用振動(dòng)弧形篩+高頻篩，而不采用旋流器+高頻篩，從而保證弧形篩的預(yù)脫水濃縮效果，也充分發(fā)揮高頻篩的脫水作用，保證了1.0(1.5)～0.5 mm粒級(jí)粗煤泥水分穩(wěn)定。

3.2.5 煤泥水采用不加藥沉降

由于煤泥為原生煤泥，同時(shí)考慮到處理后的煤泥又要摻回到毛煤系統(tǒng)，為了減少對(duì)原煤倉(cāng)儲(chǔ)和洗選系統(tǒng)的影響，煤泥水沉降不采取加藥工藝，而是選用高效傾斜板深錐沉淀濃縮機(jī)，運(yùn)行效果較好，在保證沉降效果的同時(shí)也滿足壓濾機(jī)的入料濃度要求，減少了對(duì)后序環(huán)節(jié)的影響。

3.2.6 充分利用脫水工藝系統(tǒng)

當(dāng)毛煤水分較低，不需要脫水時(shí)，則可將中央水倉(cāng)的煤泥水通過泵輸送到煤泥水系統(tǒng)進(jìn)行處理，一是可以減少清理水倉(cāng)的處理成本，二是可以延長(zhǎng)水倉(cāng)的使用周期，三是可以降低用傳統(tǒng)方式處理水倉(cāng)時(shí)煤泥的水分，同時(shí)也提高了煤泥水系統(tǒng)的利用率。

3.2.7 設(shè)備布置合理

西翼大巷膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭破碎機(jī)原設(shè)計(jì)不僅要處理西翼3-1煤，同時(shí)也要處理東翼3-1煤，本次改造時(shí)，破碎機(jī)兼顧東、西翼的功能沒有改變，也不影響后期東翼膠帶運(yùn)輸機(jī)的布置。

3.2.8 穩(wěn)定了毛煤水分

系統(tǒng)投入生產(chǎn)以來，毛煤脫水系統(tǒng)可以有效穩(wěn)定原煤水分，不管來煤水分多大，系統(tǒng)都可以將毛煤的水分控制在15%以內(nèi)。

4 應(yīng)用效果

毛煤脫水系統(tǒng)投用后，礦井涌水量逐漸增加，最高達(dá)3 200 m3/h，但沒有發(fā)生一起因毛煤水分較大引起的事故。在系統(tǒng)投用前，礦井涌水量為1 500 m3/h左右，多次發(fā)生井下煤倉(cāng)竄倉(cāng)事故，101帶式輸送機(jī)煤流倒流埋機(jī)尾事故，為此，還在101機(jī)棧橋機(jī)尾段將棧橋底板開口放煤。

如果以不造成人員傷亡和機(jī)電設(shè)備損壞為前提，每發(fā)生1次事故將影響至少1 h，以生產(chǎn)量2 000 t/h、每月5次事故計(jì)算，每月少出煤1萬(wàn)t，則從投運(yùn)到2019年10月，共計(jì)少出煤17萬(wàn)t，按每噸售價(jià)150元計(jì)算，則可挽回?fù)p失2 500萬(wàn)元。以全年混煤水分降低1.5個(gè)百分點(diǎn)計(jì)算，1個(gè)百分點(diǎn)的水分影響發(fā)熱量為70 kcal/kg(292.6 kJ/kg)，每100 kcal/kg(418 kJ/kg)煤炭的平均價(jià)格以6元計(jì)算，全年生產(chǎn)原煤600萬(wàn)t，混煤產(chǎn)率為49%，則每年增加的效益為600×0.49×1.5×70×6/100=1852.2(萬(wàn)元)。

5 結(jié) 語(yǔ)

母杜柴登煤礦井下建設(shè)了主要包括三級(jí)脫水和后續(xù)煤泥水處理的毛煤脫水系統(tǒng)，該系統(tǒng)生產(chǎn)以來，不僅完全脫去煤流中的明水，還將原煤水分控制在15%以內(nèi)，解決了毛煤運(yùn)輸、存儲(chǔ)的竄倉(cāng)、倒流等安全隱患，同時(shí)也降低了對(duì)原煤洗選加工系統(tǒng)的影響，提高了礦井經(jīng)濟(jì)效益。