矸石井下分离方法与装置 技术领域

本发明涉及一种矸石井下分离方法与装置， 特别是在煤矿井下直接分离煤与矸石的矸 石井下分离方法与装置。 背景技术

随着采煤机械化程度的不断提高， 特别是放顶煤开采技术的广泛应用， 使采煤过程中 由工作面断层、 顶底板及夹矸等产生的大量矸石混入煤流。 据不完全统计， 从井下提升进 入地面选煤厂的毛煤（采出后未经任何处理的 煤， 主要是煤与矸石） 中含矸率平均在 16% 左右。

在煤炭行业传统作业中， 均将采煤与选煤分成两个独立的系统。 煤矿在井下对混入煤 中的矸石不作处理， 而是一起直接运输、 提升至地面， 再由选煤厂通过洗选排除。 其不足 之处有： 矸石的运输和提升浪费大量能源； 增加地面选煤厂的机电设备损耗和能耗； 选煤 厂分离出的矸石占用大量土地； 矸石污染周边地区的土壤和水源； 矿区沉陷等。

因此， 研制煤矿井下选煤技术与装备， 在井下就地排除矸石， 尤其是排除大块矸石， 可以产生显著的经济效益和社会效益， 具体表现为：

(1) 可避免大量的无效运输， 提高矿井的实际产能， 实现 "节能减排"。 将混入毛煤中 的矸石由井下运输、 提升至地面选煤厂再做处理， 属无效运输； 若能在井下就地排除， 则 可将原来用于运输、 提升矸石的运能转化为运煤， 不仅可提高矿井运输的实际能力， 同时 还起到了 "节能减排" 的作用。

(2) 降低地面选煤厂的机电设备损耗和能耗。 大量矸石的分离操作， 尤其是大块矸石 的处理， 会对选煤厂的机电设备造成较大的机械损耗， 同时也增加了机电设备的能耗。 井 下矸石的就地分离， 可显著降低地面选煤厂的机电设备损耗和能耗 。

(3) 节约用地， 保护生态环境。地面选煤厂排除的矸石需占用 大量场地进行堆积存放， 矸石风化后， 遇风则尘土飞扬， 遇雨则污水横流， 而且矸石中的硫分和可燃物极易形成自 燃， 更加重了对生态环境的损害。 在井下通过分选就地排除矸石， 则可消除这些弊端。

(4) 井下分离的矸石可以就地回填。 将井下就地排除的矸石 （尤其是大块矸石） 作为 采空的回填材料， 可有效避免矿区地面的塌陷； 经技术处理后， 可置换传统技术不能回收 的保安煤柱中的煤炭， 实现提高煤炭采收率、 延长矿井服务年限的目的。 发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种矸 石井下分离的方法， 其简单实用并易于 井下实施。 为此， 本发明采用以下技术方案： 使毛煤从高处落下， 在毛煤下落路径上， 通 过撞击的方式向毛煤提供侧向冲击力， 根据落下物受所述冲击力而弹出的距离不同， 区分 毛煤中的煤与矸石。 在采用上述技术方案的基础上， 本发明还可同时采用以下进一步的技术方案： 它提供毛煤输送装置， 使毛煤从所述毛煤输送装置的物料出口落下； 在毛煤中的矸石 受所述撞击后落下的位置提供有矸石收集装置 ； 在毛煤中的煤受所述撞击后落下的位置提 供有煤输送装置。

在所述矸石收集装置的上方提供有可转动的挡 煤板， 使矸石能够依靠自身动能撞开所 述挡煤板而落入所述矸石收集装置， 使依靠自身动能不能撞开所述挡煤板的落下物 被导入 所述煤输送装置。

本发明所提供的方法利用煤与矸石在硬度等物 理性质方面的差异进行区分， 使大部分 矸石 （尤其是大块矸石） 在井下即被分离出去。

由于煤 （尤其是块状煤） 质地疏松， 易于破碎， 所以弹性较小， 煤在受到撞击后容易 在撞击点出现粉末状破坏或整体破碎成多个小 块。 在此破坏过程中， 撞击产生的大部分能 量被吸收， 所以受到撞击后的煤通常不具有太大的动能， 表现为运动速度较小。 而矸石则不同。 矸石 （尤其是块状矸石） 质地致密坚硬， 难以破碎， 所以在受到撞击 时产生的能量不能及时释放， 受到撞击后的矸石通常具有较大的动能， 从而使矸石往往具 有比煤更大的运动速度。

本发明基于上述原理提出了矸石井下分离方法 ： 通过撞击从上方落下的毛煤， 使煤与 矸石在接近水平的方向上产生不同的速度， 进而根据弹出的距离不同进行有效分离。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种 应用上述方法的矸石井下分离装置。 为 此， 本发明采用以下技术方案： 它包括第一输送装置与第二输送装置， 两套输送装置优选 带式输送机； 第一带式输送机输送毛煤， 第二带式输送机输送从毛煤中排除大部分矸石 后 的煤； 所述第一带式输送机的物料出口在垂直方向上 高于所述第二带式输送机的输送带； 在所述第一带式输送机的物料出口与所述第二 带式输送机的输送带之间还设有旋转的毛 煤撞击体， 所述毛煤撞击体的旋转轴水平且垂直于第一带 式输送机的输送方向。

在采用上述技术方案的基础上， 本发明还可同时采用以下进一步的技术方案： 在矸石被毛煤撞击体撞击的弹出方向的斜下方 设有矸石收集容器； 在煤被毛煤撞击体 撞击而落下的方向设有将物料导入第二带式输 送机的输送带的导煤板。

所述矸石收集容器的上方设有面向毛煤撞击体 的、 可转动的挡煤板， 所述挡煤板由多 条可围绕转动轴独立转动的挡板条构成； 所述挡煤板的上方设有喷淋水管； 所述挡煤板处 于所述导煤板的上方， 所述挡煤板与所述导煤板有物料导入配合关系 。

所述挡板条面向毛煤撞击体的一面， 具有含铬或含铍或同时含有铬与铍的表面层。 所述毛煤撞击体的主体为圆柱体， 其表面具有轴向的撞击条， 所述毛煤撞击体的上方 设有喷淋水管。

所述撞击条的表面具有含铬或含铍或同时含有 铬与铍的表面层。

由于采用本发明的技术方案， 能够利用上述方法与装置， 通过旋转的毛煤撞击体撞击 从上方落下的毛煤， 使得煤与矸石获得不同的水平速度分量， 进而根据落点的不同将煤与 大部分矸石加以分离； 进一步地， 还能在分离过程中直接将煤转运输送， 将矸石在分离过 程中自动收集。 更进一步地， 矸石收集容器配有的挡煤板只有在所受外力大 于临界值时才 能开启； 当矸石以较大的动能和速度撞击挡煤板时，挡 煤板因所受外力大于临界值而开启， 矸石掉入矸石收集容器； 对于少量弹至矸石收集容器上方的煤， 由于其动能和速度偏小， 对挡煤板的撞击力小于临界值， 不足以将挡煤板撞开， 从而使其沿着导煤板滑落至第二输 送机的输送带上， 进一步提高分离效果， 减少煤炭资源的流失。 附图说明

图 1为本发明的矸石井下分离装置实施例的示意� �；

图 2为挡煤板的结构示意图。

图中标号分别表示如下： 1、 毛煤撞击体， 2、 毛煤撞击体表面的撞击条， 3、 毛煤撞 击体的旋转轴， 4、 挡煤板， 5、 矸石收集容器， 6、 导煤板， 7、 毛煤撞击体上方的喷淋水 管， 8、 挡煤板上方的喷淋水管， 9、 第一带式输送机的输送带， 10、 第一带式输送机的物 料出口， 11、 第二带式输送机的输送带， 12、 挡板条， 13、 弹簧， 14、 配备回弹阻尼器的 转动轴， 100、 毛煤， 101、 煤， 102、 矸石。 具体实施方式 如图 1所示， 本发明包括第一输送装置与第二输送装置， 两套输送装置优选带式输送 机； 第一带式输送机的输送带 9输送毛煤 100， 第二带式输送机的输送带 11输送从毛煤 中排除大部分矸石后的煤 101， 第一带式输送机的物料出口 10在垂直方向上高于第二带 式输送机的输送带 11， 在第一带式输送机的物料出口 10与第二带式输送机的输送带 11 之间还设有旋转的毛煤撞击体 1， 所述毛煤撞击体的旋转轴 3水平且垂直于第一带式输送 机的输送带 9的输送方向。

在矸石 102被毛煤撞击体 1撞击的弹出方向的斜下方设有矸石收集容器 5; 在煤 101 被毛煤撞击体 1撞击而落下的方向， 设有将物料导入第二带式输送机的输送带 9的导煤板 6。

矸石收集容器 5的上方设有面向毛煤撞击体 1的、 倾斜的、 有弹簧支撑的挡煤板 4; 挡煤板 4处于导煤板 6的斜上方， 挡煤板 4与导煤板 6有物料导入配合关系。 如图 2所示， 挡煤板 4由可围绕配备回弹阻尼器的转动轴 14独立转动的多条挡板条 12构成； 每条挡板条 12分别由各自的弹簧 13给予支撑。

主要由煤 101与矸石 102组成的毛煤 100， 经第一带式输送机的输送带 9的输送， 到 达第一带式输送机的物料出口 10处， 在毛煤撞击体 1的上方落下， 并受到毛煤撞击体 1 的撞击， 毛煤中的煤 101与矸石 102获得不同的水平速度分量， 如前所述， 矸石 102往 往比煤 101飞得更远。矸石收集容器 5设置在比大多数煤 101的落点更远的位置； 矸石收 集容器 5配有挡煤板 4， 挡煤板 4在所受外力大于由弹簧 13决定的临界值时才能开启； 当矸石 102以较大的动能和速度撞击挡煤板 4时，挡煤板 4因所受外力大于临界值而开启， 矸石 102掉入矸石收集容器 5; 对于少量弹至矸石收集容器 5上方的煤 101， 由于其动能 和速度偏小，对挡煤板 4的撞击力小于临界值，不足以将挡煤板 4撞开，从而使上述煤 101 沿着挡煤板 4滑落。上述煤 101与其他大多数没有弹至矸石收集容器 5上方的煤 101—起， 经导煤板 6滑落到第二带式输送机的输送带 11上。

为了更充分地阐释上述实施方式， 下面就矸石井下分离装置的两个主要设备： 毛煤撞 击体 1与挡煤板 4， 作进一步说明。

1、 毛煤撞击体

如图 1所示， 毛煤撞击体 1的主体结构可以采用实心圆柱体型钢结构， 使毛煤撞击体 1具有较大的质量， 进而增大毛煤撞击体 1旋转时的动能和惯性。 由于煤 101和矸石 102 连续落下， 为尽可能使所有的煤 101或矸石 102都能与毛煤撞击体 1发生有效撞击，在毛 煤撞击体 1的外表面具有轴向的撞击条 2。 上述撞击条 2可以用实心钢材或强度更大的合 金钢材（如锰钢）制作， 在毛煤撞击体 1的外表面固定时， 与毛煤撞击体 1的旋转轴 3保 持平行。 上述外表面固定有撞击条 2、 截面类似莲花形的毛煤撞击体 1， 以适当转速旋转， 可使绝大多数的煤 101或矸石 102与毛煤撞击体 1发生有效撞击，并在接近水平的方向上 获得不同的运动速度。 毛煤撞击体 1的转速可以调节， 针对不同工况可以通过试验确定最 佳转速， 使煤 101、 矸石 102与毛煤撞击体 1有效撞击后弹射距离的差异最大化。 为避免毛煤 100与毛煤撞击体 1撞击时产生火花引发事故，本发明中采取了� �下措施：

( 1)在毛煤撞击体上方设置喷淋水管 7，毛煤撞击体 1及其附近的毛煤均在喷淋范围之内， 这样既可抑制并熄灭火花， 又可有效降低撞击后产生的粉尘， 在消除事故隐患的同时改善 井下生产环境。 （2)对毛煤撞击体表面的撞击条 2进行表面处理， 使其具有含铬或含铍或 同时含有铬与铍的表面层； 铬与铍属于活性较小的金属， 可以有效减少火花的产生并降低 火花的点燃性； 上述措施不影响所述撞击条 2的强度， 同时可确保矸石井下分离过程的生 产安全。

2、 挡煤板

挡煤板 4的结构示意图如图 2所示。挡煤板 4由多条挡板条 12构成，挡板条 12可以 用钢板制作， 每个挡板条 12可围绕配备回弹阻尼器的转动轴 14独立转动， 并各自配有支 撑弹簧 13。 在不受其他外力作用时， 在弹簧 13的弹力作用下， 每块挡板条都静止在如图 1中的位置。 选择弹簧 13的合适强度， 使得弹射至矸石收集容器 5上方的矸石 102能够 撞开相应的挡板条 12而进入矸石收集容器 5， 同时通过转动轴 14所配备的回弹阻尼器， 使该挡板条 12以合适速度返回初始的静止位置，避免由于� ��簧 13的快速反弹而又将矸石 102弹回到矸石收集容器 5的外侧。 在矸石 102撞开某条挡板条 12的同一时刻， 可能也 会有少量煤 101撞击其他相邻挡板条，由于动能和速度偏小 而不能撞开挡板条，上述煤 101 沿着挡板条滑落至导煤板 6， 并最终落到第二带式输送机的输送带 11上。上述结构的挡煤 板 4虽然可能导致部分动能偏小的小块矸石不能� �入矸石收集容器 5， 但可确保大部分矸 石 102 (尤其是大块矸石） 顺利进入矸石收集容器 5， 并有效阻挡煤 101误入矸石收集容 器 5， 从而在排除矸石 102的过程中最大限度地减少煤炭资源的流失。 同时为确保矸石分离过程的生产安全，避免矸 石 102或煤 101在撞击挡煤板 4时产生 火花的危险， 本发明采取了与毛煤撞击体 1相似的安全措施： （1)在挡煤板 4的上方设置 喷淋水管 8， 对所有挡板条 12进行喷射， 抑制并及时熄灭火花， 降低撞击后产生的粉尘；

(2) 对所有挡板条 12进行表面处理， 使各挡板条 12面向毛煤撞击体 1的一面， 具有含 铬或含铍或同时含有铬与铍的表面层。

上述挡煤板 4的设计方案仅为优选实施例， 具体实施时也可采取如下方案： 挡煤板 4 无需配备弹簧 13或回弹阻尼器等， 在初始的静止状态时处于竖直方向， 通过增加挡板条 12的质量到一个合适的临界值，使挡板条 12能被飞来的矸石 102撞开而不能被煤 101撞 开， 被撞开的挡板条 12随后依赖其自身重力围绕转动轴转动并回到� ��始的竖直状态。

此外， 本发明上述具体实施方式中所涉及的第一输送 装置与第二输送装置均为带式输 送机， 仅为优选实施例， 具体实施时也可采用车斗、 煤仓漏斗等非连续式的、 批次的输送 装置。

同时， 本发明上述具体实施方式中所涉及的矸石收集 装置采用矸石收集容器， 也仅为 优选实施例， 具体实施时也可采用带式输送机等连续式输送 装置对分离出来的矸石进行连 续收集并直接转运输送。

上述具体实施方式用来解释说明本发明， 仅为本发明的优选实施例而已， 而不是对本 发明进行限制， 在本发明的精神和权利要求的保护范围内， 对本发明作出的任何修改、 等 同替换、 改进等， 都落入本发明的保护范围。