煤矸石膏體充填地面工藝布置方案

摘" 要：本文在煤礦綠色開采的背景下，為實現(xiàn)煤矸石無害化規(guī)模處置和煤炭綠色開采，結(jié)合礦山系統(tǒng)條件，采用矸石井下膏體充填技術(shù)，對井下煤柱回填區(qū)域的巷式條帶充填進行了工程設(shè)計研究，結(jié)果表明：探究經(jīng)濟、高效、安全的充填地面工藝系統(tǒng)，建立適用于礦山生產(chǎn)的新型膏體充填技術(shù)，可以促進壓煤呆滯資源安全高效回采，將綠色充填開采與井下矸石零排放、電廠和洗煤廠附屬產(chǎn)品處理等工作有機結(jié)合，對促進礦井可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：矸石綜合利用；巷式條帶充填；管道輸送

煤矸石作為采煤和洗煤過程中產(chǎn)生的主要固體廢棄物，其產(chǎn)量約占煤炭產(chǎn)量的12%，截至2021年，年新增矸石排放量6億至7.5億噸，累計堆存量超過70億噸[1-2]。大量煤矸石堆積在地表并且缺乏有效處理，不僅侵占了土地資源，而且隨著煤矸石中的礦物質(zhì)及重金屬元素釋放到土壤里，造成了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞[3]。目前，實現(xiàn)煤矸石無害化規(guī)模處置和煤炭綠色開采仍是一個挑戰(zhàn)。

1.系統(tǒng)概況

補連塔煤礦共分為六個盤區(qū)，為提高礦井資源回收率、推進綠色礦山的建設(shè)，欲將一盤區(qū)作為試驗區(qū)，采取條帶式和充填式開采方式，其東西長1.8km，南北寬3.1km，盤區(qū)面積約為3km2。盤區(qū)內(nèi)設(shè)計可采儲量為16.314Mt，設(shè)計生產(chǎn)能力為1Mt/a，服務(wù)年限為12.5年，年工作日330天，日產(chǎn)量為3030.3t。

煤礦膏體充填原材料包括煤矸石、粉煤灰、水泥和水。煤矸石灰分為86.63%，發(fā)熱量5.96MJ/kg，原料矸石的最大來料粒度≤500mm、全水Mt≤10%。

2.煤矸石膏體充填工藝設(shè)計

2.1 充填系統(tǒng)組成

結(jié)合國內(nèi)外充填站生產(chǎn)實踐以及充填材料的特性，該煤礦設(shè)計的充填工藝流程為：將矸石破碎至小于10mm的矸石粉，與水泥、粉煤灰和水等混合攪拌成可流動的高濃度漿體，制成合格的充填膏體后，由泵站將漿液通過充填管道輸送至采空區(qū)進行充填。

根據(jù)煤礦充填工藝流程，充填系統(tǒng)主要劃分為六個子系統(tǒng)，分別為：原料矸石供給系統(tǒng)、成品矸石制備系統(tǒng)、膏體配比攪拌系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、充填管路系統(tǒng)以及充填專用控制閥系統(tǒng)。其中，成品矸石堆場之前，采用單系統(tǒng)布置，包括原料矸石供給系統(tǒng)、成品矸石制備系統(tǒng)以及成品矸石至成品矸石堆場運輸系統(tǒng)；成品矸石堆場之后，采用雙系統(tǒng)布置，包括成品矸石堆場至充填車間運輸系統(tǒng)、膏體配比攪拌系統(tǒng)以及泵送系統(tǒng)；充填管路系統(tǒng)以及充填專用控制閥系統(tǒng)采用單系統(tǒng)布置。

2.2 充填工藝參數(shù)

根據(jù)階段性實驗結(jié)果，選用充填材料理論配比為煤矸石：粉煤灰：水泥：水=6：1：1：2，充填膏體質(zhì)量濃度為80%。充填站年工作日330天，二班充填一班檢修，日有效充填時間10h，日充填方量為2500m3，年設(shè)計充填能力82.5萬m3/a，所需充填設(shè)備的額定輸送能力不得小于250m3/h。

2.2.1 管道選型計算

膏體充填管路輸送需要在滿足生產(chǎn)需求的前提下，使管輸系統(tǒng)高質(zhì)、高效、安全、經(jīng)濟，主要考慮充填管道壁厚、管徑及耐壓強度等參數(shù)的選取。因此，針對不同的漿料特性和料漿輸送要求，計算合理管徑、流速和壓力對管道運輸系統(tǒng)的穩(wěn)定運行尤為重要。

（1）漿體流速

根據(jù)現(xiàn)有礦山充填生產(chǎn)經(jīng)驗，一般膏體在管道內(nèi)的流速不宜過大或過小，速度過大，需要克服的水力坡降大，管道磨損速度也快，增大能量消耗；流速過小則會使充填能力無法滿足生產(chǎn)需要。結(jié)合該系統(tǒng)充填能力Q=250m3/h計算，選擇的流動速度v=1.6m/s左右。

（2）管徑確定

確定充填管徑需要考慮充填系統(tǒng)能力和漿體流速，同時避免料漿不滿管輸送現(xiàn)象。充填管路內(nèi)徑計算公式為：

式中：為充填管道內(nèi)徑，單位為mm; Q為充填系統(tǒng)能力，單位為m3/h， 取250 m3/h; V為管道內(nèi)充填漿體的流速，單位為m/s，取1.6m/s。計算得=235mm。

即該煤礦干線充填管道的內(nèi)徑參照無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)選取235mm。

（3）管路壓力

該煤礦充填系統(tǒng)立井最大深度（建站標(biāo)高與井下高差）約為 60m，充填料在鉆孔底的自然壓力為：0.06×9.8×2＝1.2MPa。

按最大泵送壓力16.4MPa計算，鉆孔底充填管路內(nèi)充填料壓力為17.6MPa。

（4）管路壁厚

管道壁厚按照漿體輸送管道的壓力計算，公式為：

式中：P為管道所受最大壓強，17.6MPa；

D為管路內(nèi)徑，235mm；

為鋼材抗拉許用應(yīng)力，Q345B鋼管為490MPa。參照礦山充填經(jīng)驗，無縫鋼管的允許拉應(yīng)力一般取其抗拉強度的40%，則Q345鋼管允許拉應(yīng)力為196MPa；

K為磨損腐蝕量，取3.5mm。

代入公式中，得充填管道壁厚為14.05mm。

2.2.2 充填主要設(shè)備選型

（1）原料矸石供給子系統(tǒng)設(shè)備主要包括帶式給料機、帶式輸送機等。成品矸石制備子系統(tǒng)設(shè)備主要包括一級破碎設(shè)備（采用顎式破碎機），二級破碎設(shè)備（采用高細(xì)破碎機、矸石深度分級篩等）。矸石用量按300t/h計算，考慮一定富裕系數(shù)，煤矸石輸送、供給、破碎、篩分能力應(yīng)達(dá)到400t/h。

（2）膏體原料的混合、攪拌是充填膏體制備過程中極其重要的一環(huán)，其質(zhì)量的好壞決定了后續(xù)的泵送工作是否能正常進行以及是否能對采空區(qū)進行有效支撐。膏體配比攪拌子系統(tǒng)主要設(shè)備包括：兩臺雙臥軸強力攪拌機、水泥螺旋輸送機、粉煤灰螺旋輸送機、水泵、計量斗等。配置2臺充填工業(yè)泵，1用1備。

（3）管路規(guī)格根據(jù)上述計算結(jié)果，參考《熱軋無縫鋼管品種》（GB8163、GB17395），選取與理論直徑接近的Φ273×16mm普通無縫鋼管作為地面管和井下巷道的充填管路，材質(zhì)為Q345B，管路有效內(nèi)徑 235mm，每根管路長度6m，采用法蘭連接，金屬八角墊密封，根據(jù)管路走向每隔約100m布置1個盲板三通。購買無縫鋼管裸管需進行焊接法蘭、時效處理及涂裝等加工處理。

鑒于充填項目的實際泵送磨損及不易更換等使用情況，充填管路選擇Φ273×16mm的無縫鋼管、材質(zhì)為Q345B，每段管路長度初定6m。充填鉆孔裸孔內(nèi)徑為 450mm，裸孔與立管間澆注滿水泥漿。

（4）充填專用控制閥系統(tǒng)涉及的設(shè)備主要是節(jié)流閥和截止閥，可以實現(xiàn)立管節(jié)流排氣組合控制和工作面料流控制。

節(jié)流閥布置在立管管路末端，可調(diào)節(jié)管路流量，與立管頂部的排氣閥配合，保證立管滿管輸送。在井口處，與立管連接的彎管管體上安裝一排氣閥，當(dāng)泵送開始時把閥門打開，合理的把管道內(nèi)的氣體排出，等到立管內(nèi)充滿水時關(guān)閉閥門，與孔底的節(jié)流閥配合，保證膏體滿管輸送，不會因為向下輸送而發(fā)生離析，有效避免發(fā)生堵管事故。

截止閥布置在充填區(qū)域的高壓鋼編管上，可控制膏體流向，實現(xiàn)膏體按設(shè)計要求交替充填，采用液壓手動控制，與管路快速接頭連接。

根據(jù)工作面的現(xiàn)場條件，關(guān)鍵核心設(shè)備的選型結(jié)果如表2所示。

3.工藝布置方案

充填生產(chǎn)系統(tǒng)主要建筑物為：原料矸石堆場、成品矸石堆場、粗破篩分車間、細(xì)破車間、充填車間、水泥筒倉、粉煤灰倉、事故池、棧橋及轉(zhuǎn)載點；生產(chǎn)輔助系統(tǒng)主要建筑為：洗車間、變電所、鍋爐房、生產(chǎn)消防貯水池及泵房、初期雨水收集池等；行政福利設(shè)施為門衛(wèi)室。充填站地面工藝布置與工業(yè)場地的整體規(guī)劃要協(xié)調(diào)，要做到功能分區(qū)明確、交通運輸合理，力求人貨分流、節(jié)約用地、作業(yè)方便，減少相互交叉和折返運輸。

從工藝角度，篩分破碎車間需要采用聯(lián)合布置的形式，不合格物料直接在車間內(nèi)可實現(xiàn)返料，減少了物料的無效運輸；成品矸石利用圓筒倉進行堆放，自動化程度高，設(shè)備投資低，后期運行費用低，無需推土機輔助作業(yè)，環(huán)境衛(wèi)生條件好。

從經(jīng)濟角度，考慮后期可能采用風(fēng)積砂替代矸石，相比于自動化程度更高的成品矸石倉，采用堆場可同時儲存多種骨料，靈活性高，同時儲量較大，投資較低。

4. 結(jié)論

使用煤矸石膏體充填解決礦井選煤廠生產(chǎn)的煤矸石，將井下留設(shè)的部分煤柱、呆滯煤炭資源開采出來是一個經(jīng)濟、有效的方式。該工藝系統(tǒng)對煤礦煤柱回填區(qū)域進行巷式條帶充填，使煤矸石等固體廢物妥善處置率達(dá)到100%，使礦井選煤廠的建設(shè)生產(chǎn)符合生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護要求，達(dá)到處理煤矸石廢棄物、塌陷區(qū)治理及置換井下煤柱的目的，對推進煤矸石充填開采的地面工藝系統(tǒng)設(shè)計研究起到重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱磊，古文哲，宋天奇等。采空區(qū)煤矸石漿體充填技術(shù)研究進展與展望.煤炭科學(xué)技術(shù)，2023.51（02）：p.143?154.

[2]劉萍，晏飛。煤矸石對環(huán)境的危害及其綜合治理.中國礦業(yè)，2008.17（08）.

[3]劉迪。煤矸石的環(huán)境危害及綜合利用研究.氣象與環(huán)境學(xué)報，2006.22（03）.

作者單位：

楊增福：中國神華能源股份有限公司神東煤炭分公司

朱陽亞 黃振華：飛翼股份有限公司