礦山矸石綠色充填系統設計及參數研究*

孫望成，張道兵，蔣 瑾，尹華東，胡阿平，朱遠嫘

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

0 引言

矸石作為一種煤礦井下排出的固體廢物，大量堆積在礦區占用大量農田及土地資源，嚴重污染當地環境，造成了惡劣的社會影響[1]。采用矸石作為煤礦采空塌陷區的充填材料，不僅能夠節省煤礦采空塌陷區充填材料成本，而且能夠有效解決礦區矸石污染環境占用土地的問題，實現雙贏及多贏的綠色發展理念[2-3]。關于矸石充填系統及工藝方面的研究，郭振忠等[4]以許廠煤礦為例，分析了矸石充填塌陷區及復墾土地的可行性及其實施工藝和方法；佟強等[5]針對礦區地表塌陷以及矸石污染環境的問題，建立了由投料井、緩沖裝置及滿倉報警系統構成的矸石垂直投放系統；宮守才等[6]探討了矸石下井的系統結構設計以及井下矸石的分選聯合布置設計方法；劉濟仁等[7]結合現場施工條件分析了矸石充填系統及其工藝和方法。對矸石充填參數方面的研究，劉鵬亮[8]研究了矸石充填材料的應力及應變等力學參數的變化規律；張鵬飛等[9]根據現場實測數據，采用數值模擬的方法研究了矸石的壓縮模量、應力值等力學參數及其承載特性。目前，對于矸石綠色充填系統及其參數分析方面的研究相對較少。因此，本文針對矸石污染環境、占用農田的實際問題，設計了以矸石作為充填煤礦采空區材料的綠色充填系統，并對矸石運輸、破碎、充填的系統工藝及其關鍵參數進行了詳細闡述，旨在為今后類似條件的矸石充填案例提供參考。

1 矸石運輸

矸石運輸是將井下開采產生的矸石運輸到地面，為矸石充填提供重要原材料，是礦山矸石綠色充填的關鍵工序。煤礦井下巷道縱橫交錯，環境十分復雜。矸石運輸的路線為：掘進工作面→下順槽(運輸平巷)→采區上部車場→軌道上山→采區下部車場→運輸大巷→井底車場→副立井。巷道掘進過程中會產生大量矸石，矸石從掘進工作面采出后，采用軌道運輸的方式運輸至上順槽的端頭聯絡巷。矸石車在聯絡巷轉接后進入采區上部車場，在采區上部車場進行調車以后運輸至軌道上山。沿著采區軌道上山將矸石運輸到采區下部車場調車后一直運輸到井底車場。在井底車場將礦車上的矸石進行卸載、處理后，通過罐籠從副立井提升至地面，再運輸至矸石倉堆放。

2 矸石破碎

從井下運輸至矸石倉的矸石形狀不規則、大小不統一，不能滿足填充要求。因此，需將矸石倉中的矸石運往篩分破碎站進行破碎加工，如圖1所示。

圖1 矸石破碎Fig.1 Gangue crushing

2.1 顎式破碎機參數

2.1.1 進料口尺寸

顎式破碎前需要確定破碎機的進料口尺寸，計算公式如下[10]

B=ξ1Dmax

(1)

L1=ξ2B

(2)

式中，B為進料口寬度，m；Dmax為矸石最大顆粒尺寸，mm；L1為進料口長度，m；ξ1為破碎寬度系數，取1.1～1.2；ξ2為破碎長度系數，取1.2～1.6。

2.1.2 嚙角

破碎機在高速運行的同時需保證其內部矸石不被擠出，因此，破碎機嚙角α必須滿足如下條件[10]

(3)

式中，α為嚙角；λ為矸石與破碎機顎板間的摩擦系數，一般取0.3～0.4。

2.1.3 動顎行程

動顎行程與矸石破碎及篩選密切相關，計算公式和約束條件如下[11]

s=η1B

(4)

s≤η2bmin

(5)

式中，s為鄂式破碎機動鄂行程，m；B為鄂式破碎機進料口寬度，m；bmin為鄂式破碎機排料口最小寬度，m；η1,η2為經驗系數，η1取0.054，η2取0.3～0.4。

2.1.4 偏心輪轉速

鄂式破碎機偏心軸的轉速對提高破碎機的生產能力起著重要作用，具體計算公式如下[12]

(6)

式中，n1為偏心輪轉速，r/min；s為動顎行程，m；α為嚙角；μ為轉速系數，取665。

2.1.5 破碎機生產能力

顎式破碎機理論生產能力的計算公式如下[12]

(7)

式中，Q1為顎式破碎機的理論生產能力；b為顎式破碎機出料口寬度，m；f為松散系數，0.6～0.8。

顎式破碎機的實際生產能力尚未得到統一的計算方法，一般采用經驗公式計算，如下所示[12]

(8)

2.2 錘式破碎機參數

2.2.1 轉子的直徑和長度

目前，轉子的直徑和長度還未得到統一的計算方法，一般采用經驗公式計算，如下所示[13]

D=ξ3bmax

(9)

L2=ξ4D

(10)

式中，D為轉子直徑，m；L2為轉子長度，m；ξ3和ξ4為經驗系數，ξ3取1.2～3，ξ4取0.7～1.8。

2.2.2 轉子的轉速

轉子的轉速計算公式如下[6]

(11)

(12)

式中，v為轉子的線速度，m/s；gn為加速度，m/s2;n2為轉子的轉速，r/min；ρ為矸石的堆積密度，kg/m3；σ為矸石的抗壓強度，Pa；E為矸石的彈性模量，Pa。

2.2.3 破碎機生產能力

錘式破碎機的生產能力計算公式如下[6]

(13)

式中，k3、k4為破碎系數，k3一般取0.5～1，k4一般取10～12；i2為破碎比，一般取5.6。

3 矸石充填

3.1 充填系統及工藝

矸石投放是矸石充填的關鍵工序，與矸石的充填效果密切相關。在眾多投放方式中，垂直投放的相對效率較高、運營成本較低，具有綠色投放的優點，因此，在矸石充填設計和施工中，普遍采用垂直投放的方式將矸石從地面的矸石倉投放到井下需要填充的采空區。矸石充填系統包括矸石地面運輸和井下充填2個部分，如圖2所示。地面矸石倉中的矸石通過1號及2號帶式輸送機輸送至矸石破碎站，在矸石破碎站采用顎式破碎機對矸石進行粗碎及篩選，采用錘式破碎機對矸石進行細碎及篩選。破碎篩選符合充填要求的矸石物料通過3號皮帶輸送機運往矸石投放站，再通過投放井將矸石物料投放至井下的矸石物料儲存倉，矸石物料儲存倉中的矸石材料再通過井下運輸巷道運至各個采空區進行充填。

圖2 矸石充填系統Fig.2 Gangue filling system

3.2 充填參數設定

3.2.1 矸石投放速度

矸石投放速度是指矸石從地面破碎篩分站投放到井下儲料倉的下落速度，矸石投放速度在矸石的充填中起著關鍵性作用。矸石投放速度的計算如公式(14)所示[6]，通過Matlab求解該微分方程，即可得到矸石下落速度v1。

(14)

式中，v1為投放井中氣流速度，m/s；v2為矸石投放的下落速度，m/s；ρ1為矸石密度，kg/m3；a為矸石運動加速度，m/s2；d為矸石粒徑，mm；g為重力加速度，取9.8 m/s2；ρ2為投放井中空氣密度，取1.29 kg/m3；τ為矸石投放管之間的空隙阻力系數，取0.3。

3.2.2 投放管管徑

矸石投放管的管徑目前未能得到統一的計算公式，一般采用經驗公式計算，如下所示[6]

(15)

3.2.3 沖擊力

矸石材料通過投放井垂直投放到井下儲料倉時具有較高的速度，為了避免落下的矸石損壞儲料倉，必須在井下設置緩沖器。矸石落到緩沖器上所產生的沖擊力通過公式(16)進行計算[6]

(16)

式中，F為矸石落到緩沖器上所產生的沖擊力，N；m為單塊矸石的最大質量，kg；t為矸石與緩沖器接觸的時間，s。

4 結論

在煤礦開采過程中會形成采空區并產生大量的矸石固體排放物，如果不及時處理井下的采空區以及堆積在礦區的矸石排放物，則極可能造成礦區地表大面積沉陷以及矸石污染環境的問題。針對這一現狀，采用矸石作為充填材料充填煤礦井下的采空區，不僅有效避免了煤礦開采活動引發的地表沉降問題，而且解決了大量矸石堆積造成的礦區環境污染問題，實現了煤礦矸石固體排放物的綠色應用。本文設計開發了由矸石井下運輸、矸石地面破碎以及矸石充填構成的綠色充填系統，并對運輸工藝流程、破碎工藝參數及充填重要參數進行了詳細分析，可為今后相似條件下矸石充填案例提供參考。