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，為實現煤矸石無害化規模處置和煤炭綠色開采，結合礦山系統條件，采用矸石井下膏體充填技術，對井下煤柱回填區域的巷式條帶充填進行了工程設計研究，結果表明：探究經濟、高效、安全的充填地面工藝系統，建立適用于礦山生產的新型膏體充填技術，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品處理等工作有機結合，對促進礦井可持續發展具有重要意義。

關鍵詞：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生的主要固體廢棄物，其產量約占煤炭產量的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及重金屬元素釋放到土壤里，造成了礦區生態環境的破壞[3]。目前，實現煤矸石無害化規模處置和煤炭綠色開采仍是一個挑戰。

1.系統概況

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

2.1 充填系統組成

結合國內外充填站生產實踐以及充填材料的特性，該煤礦設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進行充填。

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

2.2 充填工藝參數

根據階段性實驗結果，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，年設計充填能力82.5萬m3/a，所需充填設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需求的前提下，使管輸系統高質、高效、安全、經濟，主要考慮充填管道壁厚、管徑及耐壓強度等參數的選取。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的穩定運行尤為重要。

（1）漿體流速

根據現有礦山充填生產經驗，一般膏體在管道內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需要。結合該系統充填能力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能力和漿體流速，同時避免料漿不滿管輸送現象。充填管路內徑計算公式為：

式中：為充填管道內徑，單位為mm; Q為充填系統能力，單位為m3/h， 取250 m3/h; V為管道內充填漿體的流速，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徑參照無縫鋼管標準選取235mm。

（3）管路壓力

該煤礦充填系統立井最大深度（建站標高與井下高差）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為管路內徑，235mm；

為鋼材抗拉許用應力，Q345B鋼管為490MPa。參照礦山充填經驗，無縫鋼管的允許拉應力一般取其抗拉強度的40%，則Q345鋼管允許拉應力為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 充填主要設備選型

（1）原料矸石供給子系統設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設備主要包括一級破碎設備（采用顎式破碎機），二級破碎設備（采用高細破碎機、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，煤矸石輸送、供給、破碎、篩分能力應達到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，其質量的好壞決定了后續的泵送工作是否能正常進行以及是否能對采空區進行有效支撐。膏體配比攪拌子系統主要設備包括：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臺充填工業泵，1用1備。

（3）管路規格根據上述計算結果，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，材質為Q345B，管路有效內徑 235mm，每根管路長度6m，采用法蘭連接，金屬八角墊密封，根據管路走向每隔約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、材質為Q345B，每段管路長度初定6m。充填鉆孔裸孔內徑為 450mm，裸孔與立管間澆注滿水泥漿。

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

節流閥布置在立管管路末端，可調節管路流量，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，當泵送開始時把閥門打開，合理的把管道內的氣體排出，等到立管內充滿水時關閉閥門，與孔底的節流閥配合，保證膏體滿管輸送，不會因為向下輸送而發生離析，有效避免發生堵管事故。

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

根據工作面的現場條件，關鍵核心設備的選型結果如表2所示。

3.工藝布置方案

充填生產系統主要建筑物為：原料矸石堆場、成品矸石堆場、粗破篩分車間、細破車間、充填車間、水泥筒倉、粉煤灰倉、事故池、棧橋及轉載點；生產輔助系統主要建筑為：洗車間、變電所、鍋爐房、生產消防貯水池及泵房、初期雨水收集池等；行政福利設施為門衛室。充填站地面工藝布置與工業場地的整體規劃要協調，要做到功能分區明確、交通運輸合理，力求人貨分流、節約用地、作業方便，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合布置的形式，不合格物料直接在車間內可實現返料，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，設備投資低，后期運行費用低，無需推土機輔助作業，環境衛生條件好。

從經濟角度，考慮后期可能采用風積砂替代矸石，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. 結論

使用煤矸石膏體充填解決礦井選煤廠生產的煤矸石，將井下留設的部分煤柱、呆滯煤炭資源開采出來是一個經濟、有效的方式。該工藝系統對煤礦煤柱回填區域進行巷式條帶充填，使煤矸石等固體廢物妥善處置率達到100%，使礦井選煤廠的建設生產符合生態建設與環境保護要求，達到處理煤矸石廢棄物、塌陷區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設計研究起到重要意義。

參考文獻：

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

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

[3]劉迪。煤矸石的環境危害及綜合利用研究.氣象與環境學報，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