礦井矸石零排放綠色開采技術探討

牛寶玉

(中煤天津設計工程有限責任公司，天津市紅橋區(qū)，300120)

全部垮落法頂板管理長壁式開采是最簡單高效的采煤方法，隨著綜合機械化水平的不斷提高，工作面單產(chǎn)水平隨之不斷提高，中厚煤層綜采工作面單產(chǎn)已經(jīng)達到3.0～5.0 Mt/a，一次采全高厚煤層綜采工作面和放頂煤綜采工作面單產(chǎn)更是達到10.0 Mt/a，即使是薄煤層綜采工作面單產(chǎn)也可達到2.0 Mt/a左右。但全部垮落法頂板管理開采一方面容易引起煤層上覆巖層下沉移動變形，并最終造成地表塌陷、地面耕地損毀、地面建構筑物損害、地下水體破壞等地面生態(tài)環(huán)境和水資源環(huán)境問題；另一方面，煤礦采掘和煤炭洗選加工過程中產(chǎn)生的大量矸石，排放堆積形成矸石山，不僅要壓占大量土地，而且矸石山淋溶會對周邊土壤和地下水產(chǎn)生污染，矸石山自燃排出的碳氧化物、氮氧化物和二氧化硫等有害氣體、煙塵會造成大氣環(huán)境污染，嚴重影響了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設。

礦井矸石零排放綠色開采技術是將礦井生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的矸石通過井下矸石充填的方式全部回填到井下采空的空間內(nèi)，徹底解決了地面矸石堆積帶來的一系列環(huán)境生態(tài)問題，同時可以使礦井提升運輸能力得到有效發(fā)揮，節(jié)省大量的提升運輸費用，提高礦井生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。井下矸石充填用于開采置換“三下”壓煤時，能夠大大減少地表的移動變形量，在保證地面建構筑物、道路、水體等正常使用功能的情況下，還能回收大量呆滯煤，提高煤炭資源采出率，延長礦井服務年限，更好地保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和大氣環(huán)境，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[1-3]，實現(xiàn)資源開發(fā)與環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展以及企業(yè)和社會的和諧共存。井下矸石充填采煤工作面受矸石充填循環(huán)作業(yè)時間長的影響，產(chǎn)量相對不高，與礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)的目標是不相適應的，因此針對礦井采用垮落法開采和充填法開采不同的生產(chǎn)方式，對礦井矸石零排放綠色開采技術的研究是十分必要的。

1 煤礦矸石來源

煤礦矸石由井下掘進巖石巷道、硐室產(chǎn)生的掘進矸石和原煤分選加工過程中產(chǎn)生的分選矸石兩部分構成。掘進矸石數(shù)量取決于井下掘進的巖石工程量，分選矸石數(shù)量取決于原煤含矸率和分選深度。原煤含矸率由開采煤層的結(jié)構、采煤方法等因素決定，一般在15%左右，開采復雜結(jié)構煤層和薄煤層保護層開采的礦井原煤含矸率高，放頂煤開采的含矸率一般也比較高；分選深度越大，分選出的矸石也越多。隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模增大，以及厚煤層一次開采高度持續(xù)加大，原煤含矸率持續(xù)增高；開采深度加大，煤層瓦斯含量增高，井下掘進抽采瓦斯巖巷的工程量增多，也會增大井下掘進矸石量。如產(chǎn)能5.0 Mt/a礦井的含矸率按15%計算，礦井將有0.75 Mt/a矸石提升到地面，增加了礦井無效提升費用，擠占了礦井提升運輸系統(tǒng)能力，相應降低了礦井實際產(chǎn)能。如果在井下建設分選系統(tǒng)，使部分煤矸就地分離，充入井下采空區(qū)或巷道內(nèi)，既解決了矸石的排放問題，又可以降低礦井煤矸石的無效提升費用，經(jīng)濟效益會十分顯著。

2 井下煤矸分選

2.1 井下煤矸分選方法

目前我國已經(jīng)使用和正在推廣的井下煤矸分選系統(tǒng)有動篩跳汰[1-4]、重介淺槽[3-6]、旋流器分選[5]和射線/圖像識別干選機[6-7]等，其中射線/圖像識別分選是近年來基于射線/圖像進行煤矸識別分離的一種新的智能煤矸干法分離技術。原煤經(jīng)過分級后進入識別系統(tǒng)，經(jīng)過射線/圖像識別后借助于高壓空氣將煤矸分選排出。該技術分選精度高，矸石帶煤率小于3%，分選粒度范圍寬(300～25 mm)，單臺最大處理能力可達到160 t/h，能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制、故障自檢、無人值守智能化運行，并且系統(tǒng)簡單、寬度窄、無需水等介質(zhì)、無煤泥水處理環(huán)節(jié)，非常適用于井下煤矸分選。井下智能干選設備已于2018年3月28號取得礦用產(chǎn)品安全標志證書，并在山東能源棗礦集團王樓煤礦、濱湖煤礦等煤礦井下得到應用。

分選方法的選擇主要是根據(jù)煤分選的難易程度、含矸率、分選粒徑、投資效益等因素進行選取的。目前井下煤矸石分選粒徑的下限一般采用50、25 mm分級，基本可滿足普通動力煤產(chǎn)品要求，對于煉焦用煤或特殊用途的還需要進行地面選煤廠深度洗選加工，以滿足不同煤炭產(chǎn)品用戶需求。

2.2 分選系統(tǒng)設置

井下煤矸分選系統(tǒng)的設置需要綜合考慮地面生產(chǎn)系統(tǒng)布置、井下采掘運通系統(tǒng)布置、井下采煤和充填區(qū)劃分、過煤量、圍巖巖性等因素，可以集中設置或分區(qū)設置。采用集中設置時，井下煤矸分選系統(tǒng)一般設在井底煤倉附近，分選時小于預定粒徑的煤炭直接進入煤倉，其他的塊煤和塊矸一同進入分選系統(tǒng)進行煤矸分離，分離后的精煤通過轉(zhuǎn)載系統(tǒng)進入煤倉，提升至地面；矸石進入井下充填系統(tǒng)儲矸倉或直接進入充填運輸系統(tǒng)，充填入采空區(qū)或?qū)Ｓ糜诔涮铐肥南锏溃涮攸c是井下煤矸分選系統(tǒng)集中、管理方便。但是，集中設置分選系統(tǒng)的運輸距離一般較長、分選矸石運輸至充填區(qū)的距離也比較長、對分選設備的能力要求較大、對分選硐室的斷面要求也較大；采用分區(qū)設置時，一般就近設置在分(采)區(qū)煤倉附近，其優(yōu)點是煤矸能夠盡早分離出來，降低無效的矸石運輸距離，分選出的矸石就近進入充填區(qū)充填，單套分選設備的能力減小、分選硐室的斷面縮小，其缺點是煤矸分選系統(tǒng)較多、不便于管理，投資相應較大。

3 井下充填

按充填物料形態(tài)、充填物料輸送系統(tǒng)分為固體矸石充填[8-12]和膏體(擬膏體)矸石充填[13-14]2種。固體矸石充填是將井下掘進矸石、井下分選矸石和地面洗選矸石通過帶式輸送機輸送到采煤工作面采空區(qū)充填。地面洗選矸石經(jīng)過破碎機破碎至50 mm以下后，通過地面矸石輸送系統(tǒng)運至垂直投料井[15]投放到井下，與井下破碎至50 mm以下的井下分選矸石、掘進矸石匯集后進入井下充填系統(tǒng)。工作面采空區(qū)充填適用于礦井矸石產(chǎn)生量較多的礦井，充填工作面主要充填設備有充填液壓支架、充填刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機等設備，充填系統(tǒng)復雜、設備多；巷道充填[16]適用于礦井矸石產(chǎn)生量較少的礦井，主要充填設備為拋矸機，充填系統(tǒng)和設備簡單；膏體(擬膏體)矸石充填是以礦井固體矸石為主要材料輔以部分其他固體材料、膠結(jié)材料、水等配制成膏體(擬膏體)充填物料，通過管道輸送方式將充填物料輸送到充填區(qū)域充填，充填料制備復雜，但輸送系統(tǒng)和充填作業(yè)簡單，充填物料的固體粒度在20 mm以下。

按充填目的和充填材料密實度要求不同分為置換“三下”壓煤和單純的矸石零排放2類。置換“三下”壓煤因為要嚴格控制上覆巖層的下沉移動變形量，故要求進行密實充填，采煤工作面產(chǎn)量因受密實充填循環(huán)作業(yè)時間長的影響較低，目前我國“三下”壓煤開采的綜采充填工作面產(chǎn)量不超過1.0 Mt/a。單純的矸石零排放一般不要求進行密實充填，工作面充填以快為主要目的，雖然工作面增加了充填作業(yè)，但由于對充填要求低，不需要對充填物料進行搗實作業(yè)，減少了充填作業(yè)對工作面采煤的影響，工作面產(chǎn)量雖有一定的降低，但要高于密實充填工作面的產(chǎn)量。

4 礦井矸石零排放綠色開采技術

4.1 采選充一體化綠色開采技術

采選充一體化綠色開采技術[1-2,11]是將井下采煤、井下煤矸分選、矸石充填有機集成為一體，在井下形成“采煤—分選—充填—開采”的循環(huán)閉合開采體系。井下采選充一體化技術體系主要包括井下矸石分選系統(tǒng)和矸石充填系統(tǒng)2個核心，采煤系統(tǒng)開采出來的原煤經(jīng)井下煤矸分選系統(tǒng)分選，分選出來的矸石，連同經(jīng)垂直投料井投放到井下的地面洗選矸石、井下掘進矸石一起通過井下矸石充填輸送系統(tǒng)，回填到采煤工作面采空區(qū)，實現(xiàn)礦井矸石的零排放。由于矸石量低于產(chǎn)煤量，因此在沒有外來矸石或存量矸石等充填材料補充的情況下，適用于實現(xiàn)單純的矸石零排放的非密實充填礦井；在有外來煤矸石或存量煤矸石等充填材料補充的情況下，可用于置換“三下”壓煤或保水開采的密實充填礦井，控制工作面采后的地表下沉移動變形量。

按照井下工作面配置個數(shù)有“一井一面”、“一井兩面”2種生產(chǎn)方式?！耙痪幻妗鄙a(chǎn)方式中，全礦井布置1個采選充一體化工作面，這種生產(chǎn)方式適用于礦井產(chǎn)量不大的礦井，能夠在保證礦井產(chǎn)量的同時，解決了礦井煤矸石排放問題；“一井兩面”生產(chǎn)方式，在井下分區(qū)布置2個采選充一體化工作面，1個分區(qū)1個，形成一主一輔2套采選充一體化系統(tǒng)。主面系統(tǒng)只充填處理本區(qū)井下煤矸分選系統(tǒng)分離出的矸石和本區(qū)掘進產(chǎn)生的矸石，輔面系統(tǒng)除充填處理本區(qū)井下煤矸分選系統(tǒng)分離出的矸石和本區(qū)掘進產(chǎn)生的矸石外，還要處理通過垂直投料井集中投運到本區(qū)的地面選煤廠洗選矸石?！耙痪畠擅妗鄙a(chǎn)方式具有礦井生產(chǎn)能力較大，井下煤矸分選系統(tǒng)分區(qū)建立、相互獨立，充填物料輸送系統(tǒng)簡單、設備少，并可以減少分區(qū)之間聯(lián)絡的無效矸石運輸費用，分區(qū)煤矸分選系統(tǒng)處理能力不大、煤矸分選設備和硐室斷面尺寸減小、硐室施工容易等特點。這種生產(chǎn)方式適用于兩翼開采或分區(qū)開采的大型礦井。

4.2 垮落法開采、充填法開采協(xié)同綠色開采技術

垮落法開采、充填法開采協(xié)同[11,17]生產(chǎn)方式是建立在充分發(fā)揮垮落法開采工作面產(chǎn)量高、充填法開采工作面處理礦井矸石實現(xiàn)矸石零排放目的基礎之上提出的。垮落法開采工作面擔負礦井主要煤炭生產(chǎn)任務，充填開采工作面在協(xié)同完成礦井產(chǎn)量的同時，將礦井矸石充入到工作面采空區(qū)，實現(xiàn)礦井矸石零排放。充填開采工作面可以布置在“三下”壓煤區(qū)域，也可布置在非“三下”壓煤區(qū)域，布置在“三下”壓煤區(qū)域時，進行密實充填，控制地表下沉移動變形量，其工作面生產(chǎn)能力、長度要依據(jù)礦井矸石量核算確定；布置在非“三下”壓煤區(qū)時，工作面生產(chǎn)能力和長度不受充填密實度的影響，一般采用非密實充填的長壁工作面布置。井下煤矸分選系統(tǒng)一般集中設置，煤矸分選系統(tǒng)處理能力要求大，煤矸分選設備和硐室斷面尺寸較大，硐室施工難度較大。

按照井下工作面配置個數(shù)有“一井兩面”、“一井三面”2種生產(chǎn)方式?！耙痪畠擅妗鄙a(chǎn)方式是全礦井共布置2個采煤工作面，1個采用垮落法開采長壁工作面，1個采用充填法開采工作面，這種生產(chǎn)方式適用于兩翼開采或分區(qū)開采的大型礦井?！耙痪妗鄙a(chǎn)方式是全礦井共布置3個采煤工作面，2個采用垮落法開采長壁工作面、1個采用充填法開采工作面。由于2個垮落法開采工作面可以提供更高的煤炭產(chǎn)量和更多的矸石量，能夠滿足置換“三下”壓煤區(qū)密實充填所需要的充填矸石量，無需外來充填物料的補充，因此“一井三面”生產(chǎn)方式中充填工作面一般采用長壁工作面布置。由于礦井采煤工作面?zhèn)€數(shù)多，因此這種方式更適用于分區(qū)開拓的“三下”壓煤多或厚薄煤層搭配開采的大型、特大型礦井。

4.3 垮落法開采與巷道充填協(xié)同綠色開采技術

井下布置1個垮落法管理頂板的長壁綜采工作面保證礦井的產(chǎn)量，同時布置巷道充填區(qū)，井下煤矸分選系統(tǒng)分選出的煤矸石、經(jīng)垂直投料井投放到井下的洗選煤矸石，以及井下掘進煤矸石一起通過井下煤矸石輸送系統(tǒng)，回填到巷道充填區(qū)充入巷道，巷道充填區(qū)可以選擇在“三下”壓煤區(qū)，也可以就近設在井下煤矸分選系統(tǒng)附近的非“三下”壓煤開采區(qū)，如選擇在“三下”壓煤區(qū)域時，巷道要進行密實充填；如選擇在非“三下”壓煤區(qū)域時，則一般不要求密實充填，只要能滿足礦井煤矸石全部充填即可。其主要特點是開采、充填區(qū)域分離，煤矸石充填不影響礦井產(chǎn)量；垮落法開采工作面產(chǎn)量高、含矸量大時，充填區(qū)巷道掘進壓力大，因此適用于煤矸石排放量較少的礦井。

5 結(jié)論

礦井矸石零排放是礦井實現(xiàn)綠色生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，井下煤矸分選是礦井提高經(jīng)濟效益的有效途徑，尤其是開采范圍大、開采深度大的礦井，可以節(jié)省大量的矸石提升費用，釋放礦井提升能力。井下煤矸分選技術、矸石充填技術與常規(guī)采煤技術共同形成了井下采選充一體化綠色開采技術。本文基于井下煤矸分選技術、矸石充填技術，通過對井下煤矸分選能力與礦井產(chǎn)量協(xié)調(diào)、礦井矸石產(chǎn)生量與井下充填空間平衡、井下煤矸分選系統(tǒng)布置與礦井開拓開采布置相互關系、垮落法開采與充填法開采協(xié)同、礦井產(chǎn)量保障程度的分析，探討并提出了適用于不同生產(chǎn)方式下礦井矸石零排放綠色開采技術。