牛寶玉

(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津市紅橋區(qū)，300120)

全部垮落法頂板管理長(zhǎng)壁式開采是最簡(jiǎn)單高效的采煤方法，隨著綜合機(jī)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(dá)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(dá)到10.0 Mt/a，即使是薄煤層綜采工作面單產(chǎn)也可達(dá)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(dòng)變形，并最終造成地表塌陷、地面耕地?fù)p毀、地面建構(gòu)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(wèn)題；另一方面，煤礦采掘和煤炭洗選加工過(guò)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(huì)對(duì)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(huì)造成大氣環(huán)境污染，嚴(yán)重影響了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

礦井矸石零排放綠色開采技術(shù)是將礦井生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的矸石通過(guò)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(lái)的一系列環(huán)境生態(tài)問(wèn)題，同時(shí)可以使礦井提升運(yùn)輸能力得到有效發(fā)揮，節(jié)省大量的提升運(yùn)輸費(fèi)用，提高礦井生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。井下矸石充填用于開采置換“三下”壓煤時(shí)，能夠大大減少地表的移動(dòng)變形量，在保證地面建構(gòu)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(zhǎng)礦井服務(wù)年限，更好地保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和大氣環(huán)境，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-3]，實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展以及企業(yè)和社會(huì)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(shí)間長(zhǎng)的影響，產(chǎn)量相對(duì)不高，與礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)的目標(biāo)是不相適應(yīng)的，因此針對(duì)礦井采用垮落法開采和充填法開采不同的生產(chǎn)方式，對(duì)礦井矸石零排放綠色開采技術(shù)的研究是十分必要的。

1 煤礦矸石來(lái)源

煤礦矸石由井下掘進(jìn)巖石巷道、硐室產(chǎn)生的掘進(jìn)矸石和原煤分選加工過(guò)程中產(chǎn)生的分選矸石兩部分構(gòu)成。掘進(jìn)矸石數(shù)量取決于井下掘進(jìn)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(gòu)、采煤方法等因素決定，一般在15%左右，開采復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層和薄煤層保護(hù)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(jìn)抽采瓦斯巖巷的工程量增多，也會(huì)增大井下掘進(jìn)矸石量。如產(chǎn)能5.0 Mt/a礦井的含矸率按15%計(jì)算，礦井將有0.75 Mt/a矸石提升到地面，增加了礦井無(wú)效提升費(fèi)用，擠占了礦井提升運(yùn)輸系統(tǒng)能力，相應(yīng)降低了礦井實(shí)際產(chǎn)能。如果在井下建設(shè)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(wèn)題，又可以降低礦井煤矸石的無(wú)效提升費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益會(huì)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(guó)已經(jīng)使用和正在推廣的井下煤矸分選系統(tǒng)有動(dòng)篩跳汰[1-4]、重介淺槽[3-6]、旋流器分選[5]和射線/圖像識(shí)別干選機(jī)[6-7]等，其中射線/圖像識(shí)別分選是近年來(lái)基于射線/圖像進(jìn)行煤矸識(shí)別分離的一種新的智能煤矸干法分離技術(shù)。原煤經(jīng)過(guò)分級(jí)后進(jìn)入識(shí)別系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)射線/圖像識(shí)別后借助于高壓空氣將煤矸分選排出。該技術(shù)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(tái)最大處理能力可達(dá)到160 t/h，能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制、故障自檢、無(wú)人值守智能化運(yùn)行，并且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、寬度窄、無(wú)需水等介質(zhì)、無(wú)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(shè)備已于2018年3月28號(hào)取得礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書，并在山東能源棗礦集團(tuán)王樓煤礦、濱湖煤礦等煤礦井下得到應(yīng)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(jìn)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(jí)，基本可滿足普通動(dòng)力煤產(chǎn)品要求，對(duì)于煉焦用煤或特殊用途的還需要進(jìn)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(shè)置

井下煤矸分選系統(tǒng)的設(shè)置需要綜合考慮地面生產(chǎn)系統(tǒng)布置、井下采掘運(yùn)通系統(tǒng)布置、井下采煤和充填區(qū)劃分、過(guò)煤量、圍巖巖性等因素，可以集中設(shè)置或分區(qū)設(shè)置。采用集中設(shè)置時(shí)，井下煤矸分選系統(tǒng)一般設(shè)在井底煤倉(cāng)附近，分選時(shí)小于預(yù)定粒徑的煤炭直接進(jìn)入煤倉(cāng)，其他的塊煤和塊矸一同進(jìn)入分選系統(tǒng)進(jìn)行煤矸分離，分離后的精煤通過(guò)轉(zhuǎn)載系統(tǒng)進(jìn)入煤倉(cāng)，提升至地面；矸石進(jìn)入井下充填系統(tǒng)儲(chǔ)矸倉(cāng)或直接進(jìn)入充填運(yùn)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(diǎn)是井下煤矸分選系統(tǒng)集中、管理方便。但是，集中設(shè)置分選系統(tǒng)的運(yùn)輸距離一般較長(zhǎng)、分選矸石運(yùn)輸至充填區(qū)的距離也比較長(zhǎng)、對(duì)分選設(shè)備的能力要求較大、對(duì)分選硐室的斷面要求也較大；采用分區(qū)設(shè)置時(shí)，一般就近設(shè)置在分(采)區(qū)煤倉(cāng)附近，其優(yōu)點(diǎn)是煤矸能夠盡早分離出來(lái)，降低無(wú)效的矸石運(yùn)輸距離，分選出的矸石就近進(jìn)入充填區(qū)充填，單套分選設(shè)備的能力減小、分選硐室的斷面縮小，其缺點(diǎn)是煤矸分選系統(tǒng)較多、不便于管理，投資相應(yīng)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(jìn)矸石、井下分選矸石和地面洗選矸石通過(guò)帶式輸送機(jī)輸送到采煤工作面采空區(qū)充填。地面洗選矸石經(jīng)過(guò)破碎機(jī)破碎至50 mm以下后，通過(guò)地面矸石輸送系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)矸石匯集后進(jìn)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(shè)備有充填液壓支架、充填刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備，充填系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)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(shè)備為拋?lái)窓C(jī)，充填系統(tǒng)和設(shè)備簡(jiǎn)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(guò)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(fù)雜，但輸送系統(tǒng)和充填作業(yè)簡(jiǎn)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(shí)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?yàn)橐獓?yán)格控制上覆巖層的下沉移動(dòng)變形量，故要求進(jìn)行密實(shí)充填，采煤工作面產(chǎn)量因受密實(shí)充填循環(huán)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)的影響較低，目前我國(guó)“三下”壓煤開采的綜采充填工作面產(chǎn)量不超過(guò)1.0 Mt/a。單純的矸石零排放一般不要求進(jìn)行密實(shí)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(duì)充填要求低，不需要對(duì)充填物料進(jìn)行搗實(shí)作業(yè)，減少了充填作業(yè)對(duì)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(shí)充填工作面的產(chǎn)量。

4 礦井矸石零排放綠色開采技術(shù)

4.1 采選充一體化綠色開采技術(shù)

采選充一體化綠色開采技術(shù)[1-2,11]是將井下采煤、井下煤矸分選、矸石充填有機(jī)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(shù)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(gè)核心，采煤系統(tǒng)開采出來(lái)的原煤經(jīng)井下煤矸分選系統(tǒng)分選，分選出來(lái)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(jìn)矸石一起通過(guò)井下矸石充填輸送系統(tǒng)，回填到采煤工作面采空區(qū)，實(shí)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(méi)有外來(lái)矸石或存量矸石等充填材料補(bǔ)充的情況下，適用于實(shí)現(xiàn)單純的矸石零排放的非密實(shí)充填礦井；在有外來(lái)煤矸石或存量煤矸石等充填材料補(bǔ)充的情況下，可用于置換“三下”壓煤或保水開采的密實(shí)充填礦井，控制工作面采后的地表下沉移動(dòng)變形量。

按照井下工作面配置個(gè)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(gè)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(shí)，解決了礦井煤矸石排放問(wèn)題；“一井兩面”生產(chǎn)方式，在井下分區(qū)布置2個(gè)采選充一體化工作面，1個(gè)分區(qū)1個(gè)，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(jìn)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(jìn)產(chǎn)生的矸石外，還要處理通過(guò)垂直投料井集中投運(yùn)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(dú)立，充填物料輸送系統(tǒng)簡(jiǎn)單、設(shè)備少，并可以減少分區(qū)之間聯(lián)絡(luò)的無(wú)效矸石運(yùn)輸費(fèi)用，分區(qū)煤矸分選系統(tǒng)處理能力不大、煤矸分選設(shè)備和硐室斷面尺寸減小、硐室施工容易等特點(diǎn)。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(shù)

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(shí)現(xiàn)矸石零排放目的基礎(chǔ)之上提出的。垮落法開采工作面擔(dān)負(fù)礦井主要煤炭生產(chǎn)任務(wù)，充填開采工作面在協(xié)同完成礦井產(chǎn)量的同時(shí)，將礦井矸石充入到工作面采空區(qū)，實(shí)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(shí)，進(jìn)行密實(shí)充填，控制地表下沉移動(dòng)變形量，其工作面生產(chǎn)能力、長(zhǎng)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(shí)，工作面生產(chǎn)能力和長(zhǎng)度不受充填密實(shí)度的影響，一般采用非密實(shí)充填的長(zhǎng)壁工作面布置。井下煤矸分選系統(tǒng)一般集中設(shè)置，煤矸分選系統(tǒng)處理能力要求大，煤矸分選設(shè)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(gè)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(gè)采煤工作面，1個(gè)采用垮落法開采長(zhǎng)壁工作面，1個(gè)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(gè)采煤工作面，2個(gè)采用垮落法開采長(zhǎng)壁工作面、1個(gè)采用充填法開采工作面。由于2個(gè)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(shí)充填所需要的充填矸石量，無(wú)需外來(lái)充填物料的補(bǔ)充，因此“一井三面”生產(chǎn)方式中充填工作面一般采用長(zhǎng)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(shù)

井下布置1個(gè)垮落法管理頂板的長(zhǎng)壁綜采工作面保證礦井的產(chǎn)量，同時(shí)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(jìn)煤矸石一起通過(guò)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(shè)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(shí)，巷道要進(jìn)行密實(shí)充填；如選擇在非“三下”壓煤區(qū)域時(shí)，則一般不要求密實(shí)充填，只要能滿足礦井煤矸石全部充填即可。其主要特點(diǎn)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(shí)，充填區(qū)巷道掘進(jìn)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(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，井下煤矸分選是礦井提高經(jīng)濟(jì)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(fèi)用，釋放礦井提升能力。井下煤矸分選技術(shù)、矸石充填技術(shù)與常規(guī)采煤技術(shù)共同形成了井下采選充一體化綠色開采技術(shù)。本文基于井下煤矸分選技術(shù)、矸石充填技術(shù)，通過(guò)對(duì)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(guān)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(shù)。