无源在线测灰仪在淮北矿区洗选原料煤检测中的应用

1 无源在线测灰仪的原理及结构

(1) 原理。无源在线测灰仪不使用放射源，通过检测煤中自身所含的放射性元素 ( 如钾、钍、铷等) 所发出的天然 γ 射线量，利用其与灰分的相关性，经数据筛选，结合称重量，对实时灰分进行拟合推断。

(2) 结构。无源在线测灰仪由 γ 射线探测器、

环境射线屏蔽体、能谱分析仪表、胶带电子秤等测量探测装置组成，如图 1 所示。

(3) 主要部件作用。γ 射线探测器包括闪烁晶体、光电倍增管等探测元件，其作用是将入射的 γ射线转换为可供测量的电信号后供能谱分析仪使用; 环境射线屏蔽体由多块防辐射合金板组成，其作用为可减少本底环境辐射对探测器的影响; 能谱分析仪对能谱信号进行分析、运算、显示并实现人机交互功能。

2 无源在线测灰仪对淮北煤的适用性

在线测灰仪投入使用前，淮北矿业委托有关机构对拟采用在线测灰仪检测的 15 对矿井原煤逐一进行天然放射性实验室评估，测得淮北矿区煤炭天然放射性在 120 cps ～ 350 cps。且随着灰分增加，cps 数值增大，说明淮北矿区煤炭的天然放射性可被无源在线测灰仪测量。在线测灰仪安装时，应测量灰分仪所安装区域本底环境的 γ 辐射量，为后期剔除环境辐射的影响进行准备。淮北矿区下属各矿井本底环境 γ 辐射量差异较大，详见表 1。

3 无源在线测灰仪标定

无源在线测灰仪安装完毕后应首先对其进行静态标定，以探测同一灰分下不同被测煤量所对应的天然 γ 射线量，为后期实际测量提供参照依据。在实际应用中，根据淮北矿区各矿井煤的放射性特征，各矿井分别建立曲线供检测时匹配。曲线示例如图 2 所示。

静态标定灰分仪时，标定用煤须与待测煤为同一种煤。在实践中发现，多个工作面同时生产的矿井，原煤混合后进厂洗选采用无源灰分仪检测，往往与人工采样化验误差较大，且此种误差难以通过简单修正有关参数值来消除，对于此类矿井，采取按工作面产量比例配制标定用煤后其误差值显著收窄。究其原因，由于相距较远的工作面原煤放射性元素量差异所致，故在矿井更换井田内相距较远的工作面或工作面配采比例变化较大时应重新对原煤采样并静态标定测灰仪。矿井多工作面生产时重新标定前后灰分误差情况见表 2。

为进一步提高测量精度，在静态标定后需进行采样对比，观察灰分仪测量值与化验值的偏差，并适当修订灰分参数。

4 无源在线测灰仪的现场应用效果

无源在线测灰仪于 2015 年在芦岭选煤厂试运行，其测试结果作为矿厂双方内部结算时的参考依据，目前已在淮北所有炼焦煤和动力煤选煤厂的入洗原料煤灰分检测中采用; 尤其在中央选煤厂，每台在线测灰仪均担负着检测多个矿井入洗原煤任务。

为保证无源在线灰分仪的使用效果，淮北矿业不定期组织人工采样对比灰分。以 2018 年 6 月份涡北选煤厂 2115 胶带测灰仪为例，该测灰仪所在胶带宽度 1 400 mm，带速 2. 5 m /s，输煤量 1 200 t /h，抽检涡北矿原煤共 6 批，对比人工采样化验数据见表 3。

由测灰仪测量值与人工采样对比结果可知，测灰仪与人工采样化验值单批次之间偏离幅度较大，且并无明显趋势或规律可循，但对于洗选原料煤，此数值用于指导原煤分仓及粗略掌控质量已足够。从矿厂之间结算考核可知，当跨度时间延长，多批次灰分加权平均值的差值也不大，已可作为矿厂之间灰分结算的一项参考依据使用。经实践探索，以每半个月或 20 批次以上灰分加权值做为矿厂结算参考，差值通常在 1. 5%之内，此数值经选煤厂最终产品加权倒算多次验证，误差也在合理范围内。

5 无源灰分仪常见问题分析

(1) 测量数据异常。被测煤灰分在正常波动时期，单批次测量数据绝对值异常变高，随后又恢复至正常波动区间。如淮北矿业涡北矿逢雷电天气使用测灰仪时，灰分会偶有异常升高现象，推测应与当地土壤中所含的惰性气体有关，因惰性气体在雷电天气环境中逸出浓度增大，导致灰分仪测量值升高。其相应解决的措施包括增加探测仪器以检测异常环境、通过运算时自动调节有关参数、实现实时补偿及自动校正。

(2) 测量值波动幅度变大。在线测灰仪根据煤炭自身放射的 γ 射线强度检测煤的灰分，γ 射线探测器外壳上煤粉等污物堆积是影响检测性能的重要因素，因此需定期对其清理使影响减至最低限度。清理的次数取决于使用场所的条件 ( 如胶带情况、粉尘量等) ，可视情况增减清理次数，严重情况下每班清理 1 次，针对条件较好的场所每月清理 1 次也可，但必须定期检查。此外，称重装置的计量精度以及煤的松散程度、厚度、颗粒度、水分均为直接影响灰分测量精度的因素，应定期校准称重装置，尤其在安装初期需每天检查 1 次称重装置的零点，并每月调整其量程 1 次，妥善调节胶带给煤机的进给料量，尽量保持煤厚均匀。

(3) 计算处理能力差。硬件方面如能谱分析仪损毁、探测器精度差等，软件问题主要为数据丢失，原因包括存储能力不足且不能自动清除过期数据，随着运行时间变长易造成死机从而导致数据丢失，另外遇意外断电的情况也易丢失数据。此外，在线测灰仪联网时，数据采集上传软件不具有断点上传功能，且数据采集软件中断或灰分异常没有警告功能，网络或软件中断恢复后，不能自动上传未上传的数据。所以，灰分仪配套的工控机应根据测量数据量选择合理的配置，建议新安装灰分仪工控机 cpu 型号应不低于 i5，独立显卡 2 G 以上，内存不低于 4 G，硬盘不低于 2 T，各探测装置需提高精度标准，软件功能也应进行设计更改，以满足现场所需。

( 4) 混合煤对测量值的影响。该影响分 2 种情况: ① 测定煤的比例与做静态基准的标校用煤比例不一致，此种情况需要关注矿井配采比，进行静态标定; ② 进厂原煤混卸、混杂造成测量失真，此情况要注意把受煤坑内的底仓存煤返净，避免不同矿别、不同煤种之间相互污染。

( 5) 人为因素的影响。该人为因素主要指涉及矿厂之间结算而出现的利益干扰。为防范数据舞弊行为，在灰分仪管理上可从测灰仪参数调整入手，采取矿、厂和计量站三方共同参与调校，分段掌握密码的方法预防。此外，若 1 台测灰仪测量多个矿井原煤时，测量基准表错选、测量过程不完整也是导致结果失真的重要因素，因而减少人为因素的影响需要相应的管理制度配合。

( 6) 测灰精度问题。近年来，各类测灰技术频出，如有源双 γ 射线、中子活化、X 射线及激光分析等，测灰精度均有待进一步改善。结合现场使用经验，天然射线灰分仪至少还应从以下 3 个方面改进: ① 增强分析速度和能力，充分适应煤厚不匀、粒度频繁变化的情形，保证测量精度。② 当被测量混合煤与静态标定煤样差异过大时，要能及时预警或改进算法自动补偿修正。③ 增强适应性以满足各种现场条件对测量时不同需要。比如针对同一批煤，分多次测量的情况下应能自动辨识及进行加权等数据处理。

6 结 语

(1) 无源在线测灰仪不使用放射源，能够避免放射性污染隐患，无需办理繁琐的环保等审批事项。

(2) 测量特定的煤质煤种。在正确使用无源在线测灰仪的前提下，灰分偏差可达到一定的精度，且杜绝了人为因素干扰，可将该仪器测定结果作为矿厂之间内部结算参考依据。

(3) 提高检测效率。使用无源在线测灰仪实时检测灰分，可避免灰分检测滞后，有利于加强质量过程控制。

(4) 减轻职工劳动强度。适用于进厂原煤量大且集中、采制样工作强度大的情形，只需保证无源在线测灰仪正常运行即可，可减轻职工的劳动强度。

(5) 消解安全隐患。使用无源测灰仪在线测灰后，受场地制约的采样点作业频次大幅下降，可减少安全事故发生的可能性。