趙紅斌

內(nèi)蒙古利民煤焦有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 016064

原 煤中通常摻雜矸石等非煤物質(zhì)，嚴(yán)重影響原煤質(zhì)量和選煤效率，增加分選成本。同時(shí)，矸石山危害生態(tài)環(huán)境，破壞自然景觀，遭受雨淋或浸漬后，對(duì)水環(huán)境和土壤環(huán)境造成二次污染，長(zhǎng)期堆放還會(huì)引起自燃，對(duì)礦區(qū)居民的生活和健康造成不利影響[1-2]。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中直接進(jìn)行煤矸分選，不僅節(jié)省輸送運(yùn)力與成本，還能夠?yàn)椴煽諈^(qū)提供充填原料，有效解決矸石地面排放問(wèn)題[3-4]。

煤矸分選工作原理大多基于比重[5]、射線衰減[6]等物理性質(zhì)，目前主要分選技術(shù)包括圖像識(shí)別[7]、微控制器式[8]、液壓式[9]、沖擊式[10]等，然而多數(shù)對(duì)煤礦井下作業(yè)條件有嚴(yán)格要求，或仍需先輸煤再破碎，阻礙輸送效率進(jìn)一步提高?；诖?，提出一種轉(zhuǎn)子式煤矸破碎分選裝置，該裝置安裝于掘錨機(jī)機(jī)身，且入料口與轉(zhuǎn)載機(jī)相連接，利用煤炭和矸石之間的硬度差異，對(duì)煤矸進(jìn)行沖擊破碎分選，煤塊落入輸送帶繼續(xù)輸送，而矸石則直接被排出，為井下煤矸分選提供一種新的途徑[11]。同時(shí)借助分形維數(shù)對(duì)破碎進(jìn)行評(píng)價(jià)，有助于提高分選效果。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

轉(zhuǎn)子式煤矸破碎分選裝置如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)組成及工作原理如圖2 所示。該裝置主要包括入料口、沖擊轉(zhuǎn)子、沖擊板、彈性桿篩[12]、撥料盤以及卸矸口等。入料口與轉(zhuǎn)載機(jī)相接，煤矸混合物料通過(guò)入料口進(jìn)入破碎分選裝置，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的沖擊轉(zhuǎn)子對(duì)物料進(jìn)行一次破碎，隨后物料被轉(zhuǎn)子拋出，并在慣性力及離心力的作用下，與沖擊板發(fā)生碰撞，完成二次破碎。沖擊轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)，用于控制轉(zhuǎn)子對(duì)物料的沖擊力度，調(diào)速范圍為 50～ 1 000 r/min。煤的硬度較低，經(jīng)沖擊后破碎為小塊，而硬度較高的矸石基本保持原來(lái)的塊度。隨后煤矸混合物料落入彈性桿篩，彈性桿篩由多根彈性桿組成，篩網(wǎng)尺寸可根據(jù)具體工況選擇，其激振力由破碎后煤矸物料的沖擊力提供，桿篩振動(dòng)使煤炭下落至輸送帶進(jìn)行輸送，而矸石保留在篩網(wǎng)之上，通過(guò)撥料盤從卸矸口排出，從而實(shí)現(xiàn)井下煤矸分離。

圖1 轉(zhuǎn)子式煤矸破碎分選裝置Fig.1 Rotor-type coal and gangue crushing and separation device

圖2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理Fig.2 Structure and working principle

2 試驗(yàn)材料與方法

選取河南登封金嶺煤礦、山東新汶良莊煤礦、江蘇徐州大劉煤礦以及山西臨汾郭家山煤礦的煤和矸石作為試驗(yàn)材料，不同礦區(qū)典型煤矸普氏硬度及硬度差如表1 所列。對(duì)煤矸樣品進(jìn)行篩分，并劃分為 3 組相同的試料，每組試料塊度與質(zhì)量構(gòu)成如表2 所列。

表1 不同礦區(qū)典型煤矸硬度Tab.1 Hardness of typical coal and gangue

表2 試料塊度與質(zhì)量構(gòu)成Tab.2 Composition of fragment-size and mass of experimental material

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì) 3 組煤矸試料分別進(jìn)行初速度為 6、8、10 m/s 的沖擊破碎試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)不同塊度的試料質(zhì)量，并通過(guò)計(jì)算得到破碎率。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

一次破碎后不同塊度試料質(zhì)量分布如表3 所列?？梢钥闯觯扑楹蟮拿喉穳K度集中于 70 mm 以下。當(dāng)初速度為 6～ 8 m/s 時(shí)，塊度為 50～ 70 mm 的煤矸分布最多；當(dāng)初速度為 10 m/s 時(shí)，35 mm 以下的煤矸質(zhì)量最大。不難發(fā)現(xiàn)，初速度越大，小塊度占比越高，破碎越充分，分選效果越好。

表3 一次破碎試料質(zhì)量分布Tab.3 Mass distribution of primary crushing experimental material

一次破碎后 50 mm 以下的煤矸比重如圖3 所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到一次破碎中 0～50 mm 的煤矸占比y關(guān)于初速度x的關(guān)系式y(tǒng)=4.425x+20.333 3，相關(guān)系數(shù)R=0.984 3。

圖3 一次破碎后 50 mm 以下的煤矸比重Fig.3 Proportion of coal and gangue below 50 mm after primary crushing

由圖3 可知，在第一次沖擊破碎后，50 mm 以下的煤矸破碎率近似服從線性分布，破碎效果有待進(jìn)一步提高?；诖?，取出上述每組試驗(yàn)后塊度范圍為 0～ 35 mm 的試料后，將剩余 4 種塊度的試料再次平均分為 3 份，按照不同的沖擊速度，進(jìn)行二次沖擊破碎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所列。

表4 二次破碎試料質(zhì)量分布Tab.4 Mass distribution of secondary crushing experimental material

將初速度為 6、8 和 10 m/s 的煤矸二次破碎后的煤矸占比分別記為y1、y2及y3，二次破碎速度記為x1、x2及x3，二次破碎后 50 mm 以下的煤矸占比如圖4 所示?？梢缘贸鲫P(guān)系式：y1=4.625x1+24.433 3，y2=1.025-9.3x2+71.3，y3=-1.95+35.6x3-83.2。

圖4 二次破碎后 50 mm 以下的煤矸比重Fig.4 Proportion of coal and gangue below 50 mm after secondary crushing

由圖4 可知，不同初速度的二次破碎率存在明顯區(qū)別。初速度為 6 m/s 的二次破碎率近似線性函數(shù)；隨著初速度的提高，二次破碎率展現(xiàn)出非線性特征；初速度為 8、10 m/s 的二次破碎率均可擬合為二次函數(shù)。由于尺度效應(yīng)的存在，煤塊破碎率會(huì)趨向于某一極限值而發(fā)生鈍化。此時(shí)可考慮降低速度，以保證矸石不被大量破壞。

3.2 分布特征分析

煤作為巖石的一種，從微觀損傷發(fā)展到宏觀破碎，其結(jié)構(gòu)演化的幾何特征、力學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)均表現(xiàn)出一定的自相似性，導(dǎo)致其破碎后的塊度分布也具有自相似的特征[13]。在描述塊度分布規(guī)律的函數(shù)中，應(yīng)用較為廣泛的有 Rosin-Rammler (R-R) 與Gaudin-Schuhmann (G-S) 分布函數(shù)[14]。

R-R 分布函數(shù)

式中：y為煤塊破碎后小于r的相對(duì)累積量；r為煤塊破碎后的尺寸，即篩網(wǎng)尺寸；r0為塊度特性系數(shù)；n為均勻性系數(shù)，n值越小，代表塊度分布范圍越廣。

G-S 分布函數(shù)

式中：r1為塊度分布直線與y=100% 線段交點(diǎn)上的r值，其他符號(hào)含義與式 (1) 相同。

3.2.1 分形理論

分形理論是現(xiàn)代非線性科學(xué)的主要分支之一，在化學(xué)、地質(zhì)、礦物等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。分形維數(shù)是分形理論的重要原則，用于定量描述分形自相似程度。陳雪梅等人[15]發(fā)現(xiàn)煤的分形維數(shù)大于矸石，有望根據(jù)這一差異識(shí)別煤矸。李旭[16]研究了煤的變質(zhì)程度與分形維數(shù)之間的變化關(guān)系。Zhang 等人[17]發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)隨著小顆粒含量的增加而增加，并趨于一個(gè)確定的數(shù)值。Ding 等人[18]建立了與分形維數(shù)相關(guān)的破碎能量公式模型。

采用孔徑為r的篩分裝置篩選破碎后的煤塊，直徑小于r的煤塊落于篩下，記煤塊質(zhì)量為mr；而直徑大于r的煤塊則留在篩上，記塊度總數(shù)為nr；煤塊總質(zhì)量為m，則直徑小于r的煤塊比重

式中：r0為平均尺寸，mm；b為mr/m在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的斜率值，mm。

當(dāng)r/r01 時(shí)，對(duì)式 (3) 按級(jí)數(shù)展開(kāi)舍去第二項(xiàng)，式 (3) 可變?yōu)?/p>

比較式 (3) 和 (4) 可知，當(dāng)r較小時(shí)，兩式結(jié)果相同；當(dāng)r較大時(shí)，兩式存在較大區(qū)別。通常認(rèn)為R-R 分布函數(shù)適用于粗粒端，而 G-S 分布函數(shù)適用于細(xì)粒端[19-20]。

對(duì)式 (4) 求導(dǎo)，有

由分形的定義可知nr∝r-D，則

式中：D為分形維數(shù)，數(shù)值越大代表破碎程度越高。又有 dm∝r3dn，則

由式 (7) 可得

可見(jiàn)，使用塊度分形維數(shù)作為特定載荷方式下的破碎特性指標(biāo)，具有一定可行性[21-22]。

3.2.2 分形維數(shù)

對(duì)表3 和表4 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得到斜率b，并獲得一次破碎和二次破碎的分形維數(shù)，如表5、6 所列。同時(shí)得到煤塊沖擊破碎后的塊度分布規(guī)律，分別如圖5～ 8 所示。

表5 一次破碎分形維數(shù)Tab.5 Fractal dimensions of primary crushing

表6 二次破碎分形維數(shù)Tab.6 Fractal dimensions of secondary crushing

圖5 一次破碎塊度分布Fig.5 Fragment-size distribution of primary crushing

圖6 初速度為 6 m/s 的二次破碎塊度分布Fig.6 Fragment-size distribution of secondary crushing with initial velocity of 6 m/s

圖7 初速度為 8 m/s 的二次破碎塊度分布Fig.7 Fragment-size distribution of secondary crushing with initial velocity of 8 m/s

圖8 初速度為 10 m/s 的二次破碎塊度分布Fig.8 Fragment-size distribution of secondary crushing with initial velocity of 10 m/s

不難發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊速度和次數(shù)的增加，破碎后煤塊的分形維數(shù)近似呈線性增長(zhǎng)。因此，在入料煤塊的分形維數(shù)一定時(shí)，建立破碎后的分形維數(shù)與沖擊速度的關(guān)系，可以指導(dǎo)分選工作參數(shù)的優(yōu)化，在破碎前對(duì)分選效果進(jìn)行預(yù)測(cè)。

對(duì)不同的入料分形維數(shù)D0，以沖擊速度v和破碎后煤塊的分形維數(shù)D為變量，通過(guò)線性回歸建立v和D的關(guān)系，如表7 所列。

表7 分形維數(shù)與沖擊速度線性關(guān)系Tab.7 Linear relationship between fractal dimension and impact velocity

4 結(jié)論

(1) 轉(zhuǎn)子式煤矸破碎分選裝置能夠進(jìn)行井下煤矸篩分，且煤矸硬度差越大，分選效率越高。

(2) 通過(guò)該裝置進(jìn)行煤矸分選，煤塊破碎率與沖擊速度存在函數(shù)關(guān)系，不同沖擊順序?qū)ζ扑樾Ч挠绊懖淮嬖陲@著差異。

(3) 結(jié)合分形理論及試驗(yàn)所得回歸方程，可用于評(píng)價(jià)井下煤矸分選效果。

(4) 隨著沖擊速度和次數(shù)的增加，破碎后煤塊的分形維數(shù)近似呈線性增長(zhǎng)。