綠色礦山固體廢物減量化理念探討

馮冠學(xué)，郭大林，衛(wèi)中寬

(中煤邯鄲設(shè)計工程有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056031)

2015年3月24日中央政治局會議上首次提出了“綠色化”，并且將其定性為“政治任務(wù)”，與新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化“四化”并提，形成“新五化”。國家“十三五”規(guī)劃也將“加強生態(tài)文明建設(shè)”列入十個任務(wù)目標(biāo)當(dāng)中[1]。黨的“十九大報告”再次明確提出推進綠色發(fā)展、著力解決突出環(huán)境問題、加大生態(tài)系統(tǒng)保護力度、改革生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體制的決策部署[2]。

“綠色發(fā)展”涵蓋了我國經(jīng)濟發(fā)展的各個領(lǐng)域，而煤炭是其中不可或缺的一部分。中國工程院研究數(shù)據(jù)表明：煤炭對中國GDP貢獻率超過15%。雖然我國風(fēng)電、光伏裝機容量已躍居全球首位，煤炭作為主體能源和重要工業(yè)原料的地位仍無可改變。預(yù)計到2030年，中國煤炭消費量仍占一次能源消費總量的55%左右，并將長期維持在50%左右。這就意味著，煤炭是我國綠色發(fā)展的重要的參與者。

1 減量化理念

2018年10月1日頒布實施的《煤炭行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》提出了“綠色礦山”概念：“在礦產(chǎn)資源開發(fā)利用全過程中，實施科學(xué)有序開采，對礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境擾動控制在可控范圍內(nèi)，實現(xiàn)礦區(qū)環(huán)境生態(tài)化、開采方式科學(xué)化、資源利用高效化、管理信息數(shù)字化和礦區(qū)社區(qū)和諧化的礦山。”[3]

煤炭在開發(fā)和利用過程中所產(chǎn)生的主要固廢染物是煤矸石和煤泥。目前，我國煤矸石利用率不足50%，堆積量以1.5億t/a的速度增長[4]。年產(chǎn)煤泥量超過3億t，除部分摻配銷售或坑口電廠直接燃燒外，大部分煤泥采用堆積存放、造成非常嚴(yán)重的資源浪費和環(huán)境污染[5]。

要實現(xiàn)建設(shè)煤炭行業(yè)綠色礦山的目標(biāo)，減少煤矸石和煤泥對環(huán)境的污染，除提高資源的高效利用外，還應(yīng)從根本上實現(xiàn)煤矸石和煤泥等污染物的“減量化”，并貫穿于煤炭生產(chǎn)的全過程。

2 矸石減量化

2.1 井下開拓開采

井下開拓開采是煤炭生產(chǎn)的第一環(huán)節(jié)，是煤矸石產(chǎn)生的直接源頭。煤炭開采過程中矸石產(chǎn)生的途徑主要有：巷道(硐室)掘進，工作面頂、底板冒落，采掘工作面斷層、火成巖侵入、煤層變薄等地質(zhì)條件變化，巷道清理、維護等。通過采用適宜的系統(tǒng)布置、采煤方法和頂、底板控制技術(shù)，可有效降低井下開采過程中矸石量的產(chǎn)生。

1)盡量采用全煤巷開拓布置，減少巷道總量，這樣不僅能夠減少矸石采出量，而且減少了初期工程量，縮短投產(chǎn)工期。該技術(shù)在兗礦濟寧二號煤礦、濟三號煤礦、新汶龍固煤礦等國內(nèi)大型現(xiàn)代化礦井成功應(yīng)用。

2)針對不同的地質(zhì)構(gòu)造及煤層賦存條件，選用相適宜的采煤方法，在保證煤炭回采率的前提下，減少開采過程中頂、底板的混入量。同時，加快新型智能化開采設(shè)備的研發(fā)，與超前勘探技術(shù)相結(jié)合，依據(jù)煤層變化快速、自動調(diào)整開采參數(shù)，實現(xiàn)煤炭安全智能精準(zhǔn)開采。

3)生產(chǎn)中控制工作面的端面距，采取及時有效的護頂措施，減少矸石冒落。陜西延安禾草溝煤業(yè)有限公司進行了有益的嘗試，對井下原煤開采過程中頂、底板的剝離量給出了具體的規(guī)定，矸石含量一致保持在非常低的水平，穩(wěn)定了出井原煤質(zhì)量。

4)通過加強掘進巷道工程質(zhì)量和采用合理的巷道支護手段，提高支護效果，降低巷道變形量，減少巷道維修量和維修次數(shù)，從而減少產(chǎn)生矸石量。

2.2 井下排矸與充填

煤炭開采過程中即使采用了諸多有效措施，受地質(zhì)條件和技術(shù)因素的限制，仍有無法避免的矸石混入原煤。如果在井下進行矸石分選，將其前置排出，同時完成矸石井下充填，可部分減少升井的矸石量。

目前，用于井下的主要是塊矸分選工藝，包括柔性空氣室跳汰分選、重介淺槽分選、動篩跳汰分選和智能干選等，并分別在冀中能源邢東礦、開灤集團唐山礦、新汶?yún)f(xié)庒礦和濟陽礦、新礦集團翟鎮(zhèn)礦、臨沂王樓煤礦等應(yīng)用。

井下采、選、充、留一體化，每年可減少8億t升井煤矸石，減少堆存占地和采煤塌陷土地，置換 “三下”壓煤。尤其是煤炭資源枯竭、村莊人口密集、土地緊張的東部地區(qū)，一體化技術(shù)推廣意義重大。

3 煤泥減量化

相較于通過井下開拓開采、井下排矸與充填實現(xiàn)矸石的主動減量。煤泥的減量化貫穿于煤炭生產(chǎn)的全過程，既主動減少原生煤泥量，又減少次生煤泥量和入洗煤泥量。主要涉及全過程防破碎技術(shù)、選煤方法選擇和煤泥回收等方面。

3.1 全過程防破碎技術(shù)研究

受國家能源集團委托，中煤邯鄲設(shè)計公司承擔(dān)的《塊煤防破碎理論分析研究及應(yīng)用》課題，歷時三年于2018年5月結(jié)題。 課題完成了破碎理論的研究、不同礦區(qū)物料參數(shù)試驗、數(shù)學(xué)模型的建立、離散元動態(tài)仿真、三維參數(shù)化設(shè)計等成果。實現(xiàn)了煤炭開采、儲裝運、洗選等多個環(huán)節(jié)的塊煤防破碎技術(shù)突破。

3.1.1 井下生產(chǎn)環(huán)節(jié)

1)合理選擇采煤機牽引速度、滾筒截齒布置型式、滾筒轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向、截割深度。

2)選擇中部槽高度較高的刮板輸送機。

3)優(yōu)化系統(tǒng)布局，減少轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)。

3.1.2 設(shè)備轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)

1)溜槽內(nèi)設(shè)置焊接的擋煤板或設(shè)置緩沖斗，使物料實現(xiàn)軟著陸。

2)采用“高位接料”設(shè)計，使物料由“撞擊”變?yōu)椤盎瑒印薄?/p>

3)落差較大時采用螺旋溜槽或曲面溜槽。

4)溜槽內(nèi)設(shè)網(wǎng)格板，緩沖物料與溜槽底板的碰撞。

5)改善溜槽出料端結(jié)構(gòu)，控制溜槽內(nèi)物料出料速度。

6)“智能”溜槽技術(shù)。

3.1.3 入倉環(huán)節(jié)

采用離散元動態(tài)仿真、三維參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)物料以螺旋軌跡滑動入倉，該項技術(shù)具有無能耗、免維護、可靠性高、布置靈活等優(yōu)勢，兼有降噪、降塵等功能。

3.2 選煤方法選擇

在滿足效益最大化的原則下，優(yōu)先選擇能減少次生和入選煤泥量的分選方法。

3.2.1 脫粉入洗

采用高效的干法深度篩分設(shè)備將動力煤選煤廠的分選下限降低至6(3)mm，既保證了原煤的入洗量，又減少了粉煤與水接觸而產(chǎn)生的煤泥量，實現(xiàn)脫粉入洗。關(guān)于動力煤脫粉入洗，已有學(xué)者進行了論證，共同的結(jié)論是，動力末煤脫粉入洗比全部入洗的產(chǎn)品產(chǎn)率高、加工成本低、經(jīng)濟效益好[7]。

目前常用的高效細粒干法篩分設(shè)備主要包括弛張篩、交叉篩和高幅篩等。

3.2.2 重介淺槽與脫粉入洗

重介淺槽與其他重介或水介分選設(shè)備相比，物料自流進入分選設(shè)備，分選過程相對靜止，產(chǎn)生的次生煤泥量要遠低于旋流器、跳汰機等分選設(shè)備。其與動力煤脫粉入洗相結(jié)合，在確保產(chǎn)品煤質(zhì)量的同時，能有效降低煤泥量，產(chǎn)生的少量煤泥，脫水后直接摻入混煤銷售，實現(xiàn)了選煤廠無煤泥產(chǎn)品生產(chǎn)。

3.2.3 重介旋流無壓入料

盡量采用無壓入料作為重介旋流分選的入料方式，相較于有壓入料，無壓入料避免了物料在混料桶中的浸泡以及混料泵的輸送，更短的系統(tǒng)停留時間和更少的破碎率減少了其煤泥產(chǎn)生量。

兩淮地區(qū)有壓、無壓工藝的洗選研究發(fā)現(xiàn)，有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流主再洗比無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流工藝煤泥量增加3%～6%[8。

3.2.4 干法分選

干法分選從根本上避免了煤和矸石遇水后發(fā)生泥化的現(xiàn)象，尤其適用遇水易于泥化及西北缺水寒冷地區(qū)煤炭的分選。目前，比較成熟的干法分選技術(shù)包括復(fù)合式干選機和智能干選機。

復(fù)合式干選機可以實現(xiàn)全粒級洗選，對易泥化煤的提質(zhì)有積極作用。智能干選采用射線和圖像識別技術(shù)，借助傳感器和大數(shù)據(jù)，對每一塊原煤進行數(shù)字化分析，識別出煤與矸石[6]。

3.3 煤泥回收

在煤炭濕法分選工藝中所產(chǎn)生的煤泥，可采用分級脫水和干燥脫水的方式加以回收利用，以減少煤泥產(chǎn)品的數(shù)量。

3.3.1 煤泥分級回收

目前我國煤泥回收工藝可分為兩種，一種是單段回收工藝，即“濃縮+壓濾”；另一種為兩段回收工藝，即一段“濃縮+沉降過濾式離心脫水”、二段“濃縮+壓濾”回收。由于兩段工藝能夠回收部分煤泥中的粗顆粒，由于其水分低、呈分散狀可直接摻入混煤產(chǎn)品，剩余的細煤泥作為單獨的煤泥產(chǎn)品，有效減少了最終產(chǎn)生的煤泥量。

3.3.2 煤泥干燥

結(jié)合煤泥特性，通過采用相適宜的干燥方法，選擇合適的熱源，可有效降低煤泥產(chǎn)品水分、提高發(fā)熱量、改善性態(tài)，最終實現(xiàn)摻入混煤作為動力煤銷售的目的。

國內(nèi)煤泥干燥設(shè)備種類較多，包括滾筒干燥、旋翼干燥和電力低溫干燥等，其中，尤以旋翼干燥工藝使用的最為普遍。

需要指出的是，煤泥干燥工藝需首先落實熱源問題，最佳的熱源是電廠余熱、蒸汽和瓦斯。天然氣和電力也可作為干燥熱源，但費用過高，經(jīng)濟性較差。燃煤作為熱源已經(jīng)不符合我國大部分地區(qū)的環(huán)保要求。

4 建 議

1)轉(zhuǎn)變觀念。變革現(xiàn)有考核制度，礦井產(chǎn)量應(yīng)以原煤升井質(zhì)量為前提。既要保證合格煤炭的供應(yīng)量，又要從源頭減少升井矸石對生態(tài)環(huán)境的影響。

2)科學(xué)謀劃。采取差異的減量化政策，避免為干燥煤泥而購買天然氣，避免盲目建設(shè)大鍋爐，避免為實現(xiàn)井下排矸而追求原煤全粒級分選等等現(xiàn)象的滋生。

3)采選隊伍專業(yè)化。專業(yè)的采選隊伍具有經(jīng)驗豐富的專業(yè)人員和成熟的專業(yè)管理模式，能夠更加從容的解決生產(chǎn)中遇到的問題?？稍趨^(qū)域內(nèi)形成集約效應(yīng)，實現(xiàn)技術(shù)、人才、設(shè)備、材料、信息等多種資源共享，將資源消耗和生產(chǎn)成本降至最低，這也是減量化的一種體現(xiàn)。

4)智能化采選。通過智能化采選，實現(xiàn)煤炭安全精準(zhǔn)開采、高效利用。