安全型煤質檢測技術在上灣采樣系統的應用

馬 平，趙俊達，石 鵬

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

灰分是煤炭質量的重要指標。在煤礦生產中，煤炭賦存地質條件的變化會對原煤煤質產生較大影響，在裝車配煤時將直接影響煤質的合格率。早期的人工煤質灰分檢測方法弊端較多，主要體現在：化驗結果滯后，化驗報告未出結果，產品或已裝車運走，導致無法精準檢測，甚至影響下一次配煤；需收集樣品送去檢驗，不能實時進行煤質檢測，無法適應煤質的波動變化；由于無法實時掌握煤質的波動變化，使得煤炭裝車時質量誤差較大，極易造成熱值浪費或不達指標要求，由此帶來較大經濟損失。

為規避上述弊端，多年來人們積極研究煤質灰分的在線檢測裝置，以降低損失，提高效益[1-4]。

目前常用的灰分儀在線檢測方法如下：

(1)雙能量γ射線透射法：利用放射源射出射線，如Am241、Cs137等。因煤中無機質灰分的原子序數比可燃有機質的原子序數高，其減弱倍數大，通過檢測γ射線的減弱程度換算出煤炭灰分含量?，F灰分儀大都采用此類方法，應用較為普遍。

(2)β射線和低能γ射線反散射法：能夠實現在線檢測煤質，受外界因素影響較大，對煤質穩定性的要求較高。

(3)高能γ射線湮沒輻射法：使用的γ射線能量高，穿透力更強，會產生大量輻射，管理過程中對射線屏蔽管理要求較高，加大了管理成本和難度。

(4)天然γ放射性測量法：在測量煤質時，依靠煤天然放射性，不使用放射源進行測量。煤的天然放射性能夠使得γ計數率發生變化，由此確定煤的灰分。但天然放射性僅有百萬分之幾，含量極低，且極易受到外界環境影響，造成誤差，需測量的礦物質含量與天然放射性含量的關系不能準確確定，影響測量的準確性。

(5)紅外光譜分析法：在測量含水煤樣時誤差較大，主要是由于水中的羥基峰的影響，測定結果準確度下降。定量分析時，會產生較大誤差，靈敏度下降，進行圖譜解析時需要人工解析，靠經驗進行分析確定結果，影響了準確度，推廣應用有一定的局限性[5-8]。

考慮測量精度、技術經濟性、技術成熟度及環境因素，現普遍采用的雙能量γ射線透射法灰分儀基本能夠滿足要求。但該灰分儀因為有源放射，管理難度較大，管理成本較高，存在安全隱患。特別是在硫、鐵含量較高的煤質中，為減少誤差，需增加射線能量，由此加大了屏蔽工作的難度，加大了安全管理成本與難度[9-11]。

針對目前煤質在線檢測中所存在問題，提出采用一種新型安全型煤質在線無源檢測技術。其特點在于采用無源人工射線吸收法及非接觸式測量，可實現對原煤灰分、硫分以及發熱量的實時檢測。

1 新型安全型煤質在線無源檢測灰分儀與雙能量γ射線透射法灰分儀性能分析比對

(1)新型安全型煤質在線無源檢測灰分儀采用多能X射線吸收法，通過背電場加速的電子轟擊金屬靶產生人工射線，利用探測器檢測通過煤后衰減的射線能譜，得出煤灰分、硫分與發熱量，且能夠增加能量區間，從而達到縮小誤差的目的。采用射線裝置發射X射線，不使用放射源，斷電后不會輸出射線[12]。

(2)雙能量γ射線透射法灰分儀采用γ射線，具有非常強的穿透力，γ射線源每時每刻都在輻射，對設備的可靠性和防護要求都比較高，且γ射線不可調節，無法根據檢測材料的厚度來采用適當的γ能量大小[5]。

由上述性能比對，雖與傳統方法相比都需要發射射線，但新型安全型煤質在線無源檢測灰分儀所采用的X射線為無源射線，X射線能量與γ射線相比要低得多，布置3～4 mm的鋼板即可屏蔽射線[1]，較為安全可靠，管理維護方便，系統數據更加穩定。

2 新型安全型煤質在線無源檢測技術在快速裝車自動采樣系統中的應用

神東上灣快速裝車自動采樣系統采用了新型安全型煤質在線無源檢測技術——人工射線吸收法煤質在線灰分儀。如圖1所示，將煤質在線灰分儀安裝在膠帶中部采樣機的次級給料機與三級采樣器之間。由膠帶上取得的樣品經過初級采樣器將煤落在初級給料機，再由二級采樣器到破碎機進行破碎，落至次級給料機，由灰分儀檢測后三級采樣器將煤樣給到樣品桶，斗提機收集棄料并運回主膠帶[13-14]。

圖1 安全型煤質在線灰分儀安裝位置示意

新型安全型煤質在線灰分儀于2020年8月安裝，2021年1月完成初步調試，具備檢測條件，開始進行數據比對。在此過程中由于煤礦工作面接續和礦井原煤煤質變化較大，導致裝車煤質灰分變化異常，超出調試標定的參數范圍。后經1個月的比對和校準，將高灰分煤質數據添加到數據庫中，積累了大量的煤質數據，根據運行實際情況及時修正了煤質特性曲線圖，完善了煤質數據庫，于3月中旬正式調試完成，經1個月的數據監控，測試結果達到預期。4月中旬正式將監控軟件安裝到質檢計量中心由專人進行數據統計，累計200多組數據。

煤質監測數據對比如表1所示。由于篇幅所限，表1中所列23組數據為在實測200多組數據中選取的具有代表性的參數。

表1 神東上灣煤質數據對比

前期誤差產生的原因為：

(1)煤樣的檢測時間較短。膠帶上輸煤量并不大，所以采樣量偏小，其經過檢測設備的時間大約只有10 s。

(2)采樣次數受限，導致結果出現偏差。

(3)剩余煤樣與采樣煤樣存在差距。

新型安全型煤質在線無源檢測灰分儀經過前期大量的數據收集、標定，測量結果已趨于穩定[15]。

3 應用結果、存在問題及建議

3.1 應用結果

本次應用是在煤炭粒度小于13 mm，煤流厚度30～35 mm，給料機膠帶寬度約100 mm，煤流穩定且連續的特定條件下，在上灣一區自動采制樣系統中進行，試驗近3個月。

根據GB/T 18666—2014《商品煤質量抽查和驗收方法》規定，商品煤灰分、熱值指標標準如表2所示。

表2 商品煤灰分、熱值指標標準(GB/T18666—2014)

神東上灣煤質數據中，平均灰分誤差為：

平均發熱量(Qgr.d)誤差為：

符合上述商品煤灰分、熱值允許差的規定。

3.2 存在問題

本次應用在線灰分儀未安裝在線水分測定儀，默認全水分為17%，因人工檢測全水分與儀器默認值不同，對該儀器的熱值測定造成一定影響。如能與在線水分儀配合使用，可提高發熱量檢測的準確性。

3.3 建議

(1)通過射線檢測時有其適宜厚度，需保持上煤厚度不超過限度，否則影響結果；

(2)在線檢測煤質時需要借助發射源及檢測器，分別布置于膠帶上下兩側，但是膠帶運行速度較快，煤量大，且會發生震動，所以儀器在安裝時需注意其牢固性，減少膠帶的震動，提高結果的準確度；

(3)儀器的測量點需應有代表性，盡量布置于膠帶上煤量均勻的地方，在支撐托輥時減少膠帶的下垂度，使物料在膠帶上分布均勻，提高測量精度。

4 結 語

(1)新型安全型煤質在線無源檢測灰分儀采用X射線吸收法，由射線發生裝置產生無源X射線，斷電后不會輸出射線，有效減少了傳統方法需要對周圍環境中射線發射劑量的監控力度，減少了管理成本及難度，規避了有源射線的安全隱患；

(2)能夠實現在線實時檢測，避免了由于檢測結果滯后導致的誤差，且安裝便利，運行可靠性更高；

(3)灰分測量數據滿足行業標準中的均方根誤差范圍，設備間接測定收到基低位發熱量基本滿足生產過程在線煤質監測的要求；

(4)在線安裝方便，不使用放射源。