煤矸石破碎工艺的选择与优化

破碎机是煤矸石进行加工处理的关键设备，破碎机及其工艺的选择对煤矸石整个选矿流程很重要，而且选择合理的煤矸石破碎机，能够有效降低煤矸石的破碎机能耗，实现节能环保的生产目标。

一、破碎流程和破碎机的选择

1、破碎流程的选择

目前井下开采的煤和矸石块度为200-600mm，充填材料要求煤矸石的粒度为5-25mm。根据破碎阶段的划分，煤矸石破碎可分为3个阶段，即粗碎、中碎和细碎。随着破碎机的改进，破碎比逐渐增大，为了简化流程，一般可以将中碎和细碎合并成一个阶段。

2、破碎机的选择

目前常用的破碎机有颚式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机和辊式破碎机等。

第1段是粗碎过程，粗碎设备主要有颚式破碎机，2种破碎机均适合大型破碎厂。对于中小型破碎厂，通常采用颚式破碎机，结合不同破碎机的特点，选择颚式破碎机粗碎煤矸石。第2阶段破碎是中、细碎过程，将物料破碎到5mm以下的破碎机有锤式破碎机和反击式破碎机，比较2种破碎机发现，锤式破碎机破碎比达40，生产能力大，适合破碎中硬物料如煤矸石、石灰石，而且排料均匀稳定，因此选取锤式破碎机对煤矸石中细碎。

二、颚式破碎机参数设计

颚式破碎机有2种形式：简摆式和复摆式，由于复摆式结构简单、生产能力高、破碎的物料均匀，目前复摆式已基本替代了简摆式。

1、进、排料口尺寸

煤矿井下开采的煤矸石块度一般为200-600mm，为保证原料颗粒能顺利进入破碎腔中，则进料口宽度B和长度L1应满足

B=（1.1-1.25）Dmax①

L1=（1.25-1.6）B②

式中Dmax———原料颗粒尺寸，mm。国内颚式破碎机的尺寸已经标准化，根据破碎机进料口宽度B和长度L1，进行破碎机规格尺寸的选择。

2、动颚行程与啮角

颚式破碎机的动颚板与定颚板之间的夹角称为啮角。啮角在一定的范围内才能使破碎机运行。物料被夹在破碎机内不被挤出的条件是tanα≤2f1-f2，式中f——石块与破碎机颚板间的摩擦系数，一般f＝0.3-0.4。

3、偏心轮的转速与生产能力

偏心轴的转速决定动颚的摆动次数，相应的可以控制破碎机的生产能力。偏心轮转速在一定范围内增加，才能有效提高破碎机的生产能力。

三、锤式破碎机参数设计

锤式破碎机主要依靠锤子的冲击作用和物料本身以高速度向衬板冲击而使物料破碎。锤式破碎机生产能力大、破碎比大，能耗低，适合破碎煤矸石、石灰石等中硬物质。转子结构参数主要有转子直径D和长度L。其直径一般根据物料的尺寸来确定。通常转子直径与给料尺寸之比为1.2-5。大型破碎机取较小的比值，中小型取大值。转子的长度值视破碎机的生产能力而定。

四、工程实例

山东能源岱庄煤矿采用膏体充填开采，以煤矸石作为充填骨料，煤矸石的粒径为460mm，主要成分是石英砂岩，含泥量低，堆积密度ρ=1.54×103kg/m³。根据膏体充填材料配比实验和生产实际表明，矸石破碎加工要求：

（1）矸石粒径小于25mm；

（2）小于5mm比例占40%左右；

（3）按照小于5mm、5-25mm的2种规格分别储存，按设计比例配合使用。

原岱庄煤矿第2段原来使用高细破碎机进行细碎，能耗大，使用寿命短，适应性较弱，下面的优化设计在满足充填要求的情况下克服以上缺点。矸石从460mm破碎到25mm以下破碎比达到18.4，考虑到5mm和25mm两种规格的要求，破碎比达到92，因此岱庄矿采用二级破碎。一级破碎采用颚式破碎机进行粗碎，排料粒径控制在140mm内；二级破碎采用锤式式破碎机。颚式破碎机的参数计算，根据式①、式②得，Dmax=460mm，B=506-575mm，L1=632-920mm；根据颚式破碎机国家标准选取型号为PE-600×900，即B=600mm，L1=900mm，bmin=75mm，bmax=140mm。

破碎比i=460/100=4.6，s=24.8mm；对于煤矸石取f=0.3，啮角α≤33°，在实际生产过程中，啮角一般取理论计算值的65%，即α=21°。n1=258r/min，b=140mm，中型破碎机取u=0.72，Q1=99.4m³/h；根据规范查K1=0.93，K2=1，q=0.9t/（mm·h），b=140mm，计算得Q1′=73m³/h，实际生产能力是理论计算的73%，符合实际统计规律，实际生产时按73m³/h计算。

煤矸石破碎筛分后，由破碎机性能曲线图知，当b=75mm或105mm时，煤矸石粒径120mm以下的比例达到 ，能够保证二段破碎煤矸石140mm的要求。

锤式破碎机的参数：bmax=140mm，D=168-700mm，L=118-1260mm。由于PCH型细碎机适合于破碎砂岩、煤矸石，结合相关数据选取型号为PCH0808环锤式破碎机，关键技术参数对于岱庄煤矸石，σ=3.9×107Pa，E=5×1010Pa，线速度v=45m/s，n=117r/min；K3=0.5，K4=10，Q2=117m³/h，Q2=1.6Q1，由于岱庄矿膏体充填量为150m³/h，其中煤矸石用量约为70m³/h，岱庄矿充填系统设有矸石破碎储存仓，破碎机设计生产能力满足实际生产需求。

经过两段破碎后的煤矸石，小于5mm的比例占44.5%，5-25mm比例为54.5%，粒径较大的煤矸石（20-25mm）只占2.7%，煤矸石粒径在5-220mm内均匀分布，在0-5mm内比较富集，能够充分满足膏体充填配比要求，说明设计的煤矸石二段破碎比较合理。

通过以上设计研究，能够选择出非常合理的煤矸石破碎机及破碎工艺，将其加以实际应用，能够为煤矸石企业带来非常可观的经济效益。