矿井矸石零排放绿色开采技术探讨

牛宝玉

(中煤天津设计工程有限责任公司，天津市红桥区，300120)

全部垮落法顶板管理长壁式开采是最简单高效的采煤方法，随着综合机械化水平的不断提高，工作面单产水平随之不断提高，中厚煤层综采工作面单产已经达到3.0～5.0 Mt/a，一次采全高厚煤层综采工作面和放顶煤综采工作面单产更是达到10.0 Mt/a，即使是薄煤层综采工作面单产也可达到2.0 Mt/a左右。但全部垮落法顶板管理开采一方面容易引起煤层上覆岩层下沉移动变形，并最终造成地表塌陷、地面耕地损毁、地面建构筑物损害、地下水体破坏等地面生态环境和水资源环境问题；另一方面，煤矿采掘和煤炭洗选加工过程中产生的大量矸石，排放堆积形成矸石山，不仅要压占大量土地，而且矸石山淋溶会对周边土壤和地下水产生污染，矸石山自燃排出的碳氧化物、氮氧化物和二氧化硫等有害气体、烟尘会造成大气环境污染，严重影响了矿区生态环境建设。

矿井矸石零排放绿色开采技术是将矿井生产过程中产生的矸石通过井下矸石充填的方式全部回填到井下采空的空间内，彻底解决了地面矸石堆积带来的一系列环境生态问题，同时可以使矿井提升运输能力得到有效发挥，节省大量的提升运输费用，提高矿井生产的经济效益。井下矸石充填用于开采置换“三下”压煤时，能够大大减少地表的移动变形量，在保证地面建构筑物、道路、水体等正常使用功能的情况下，还能回收大量呆滞煤，提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限，更好地保护矿区生态环境和大气环境，产生显著的经济效益和社会效益[1-3]，实现资源开发与环境保护协调发展以及企业和社会的和谐共存。井下矸石充填采煤工作面受矸石充填循环作业时间长的影响，产量相对不高，与矿井高产高效生产的目标是不相适应的，因此针对矿井采用垮落法开采和充填法开采不同的生产方式，对矿井矸石零排放绿色开采技术的研究是十分必要的。

1 煤矿矸石来源

煤矿矸石由井下掘进岩石巷道、硐室产生的掘进矸石和原煤分选加工过程中产生的分选矸石两部分构成。掘进矸石数量取决于井下掘进的岩石工程量，分选矸石数量取决于原煤含矸率和分选深度。原煤含矸率由开采煤层的结构、采煤方法等因素决定，一般在15%左右，开采复杂结构煤层和薄煤层保护层开采的矿井原煤含矸率高，放顶煤开采的含矸率一般也比较高；分选深度越大，分选出的矸石也越多。随着矿井生产规模增大，以及厚煤层一次开采高度持续加大，原煤含矸率持续增高；开采深度加大，煤层瓦斯含量增高，井下掘进抽采瓦斯岩巷的工程量增多，也会增大井下掘进矸石量。如产能5.0 Mt/a矿井的含矸率按15%计算，矿井将有0.75 Mt/a矸石提升到地面，增加了矿井无效提升费用，挤占了矿井提升运输系统能力，相应降低了矿井实际产能。如果在井下建设分选系统，使部分煤矸就地分离，充入井下采空区或巷道内，既解决了矸石的排放问题，又可以降低矿井煤矸石的无效提升费用，经济效益会十分显著。

2 井下煤矸分选

2.1 井下煤矸分选方法

目前我国已经使用和正在推广的井下煤矸分选系统有动筛跳汰[1-4]、重介浅槽[3-6]、旋流器分选[5]和射线/图像识别干选机[6-7]等，其中射线/图像识别分选是近年来基于射线/图像进行煤矸识别分离的一种新的智能煤矸干法分离技术。原煤经过分级后进入识别系统，经过射线/图像识别后借助于高压空气将煤矸分选排出。该技术分选精度高，矸石带煤率小于3%，分选粒度范围宽(300～25 mm)，单台最大处理能力可达到160 t/h，能够实现智能控制、故障自检、无人值守智能化运行，并且系统简单、宽度窄、无需水等介质、无煤泥水处理环节，非常适用于井下煤矸分选。井下智能干选设备已于2018年3月28号取得矿用产品安全标志证书，并在山东能源枣矿集团王楼煤矿、滨湖煤矿等煤矿井下得到应用。

分选方法的选择主要是根据煤分选的难易程度、含矸率、分选粒径、投资效益等因素进行选取的。目前井下煤矸石分选粒径的下限一般采用50、25 mm分级，基本可满足普通动力煤产品要求，对于炼焦用煤或特殊用途的还需要进行地面选煤厂深度洗选加工，以满足不同煤炭产品用户需求。

2.2 分选系统设置

井下煤矸分选系统的设置需要综合考虑地面生产系统布置、井下采掘运通系统布置、井下采煤和充填区划分、过煤量、围岩岩性等因素，可以集中设置或分区设置。采用集中设置时，井下煤矸分选系统一般设在井底煤仓附近，分选时小于预定粒径的煤炭直接进入煤仓，其他的块煤和块矸一同进入分选系统进行煤矸分离，分离后的精煤通过转载系统进入煤仓，提升至地面；矸石进入井下充填系统储矸仓或直接进入充填运输系统，充填入采空区或专用于充填矸石的巷道，其特点是井下煤矸分选系统集中、管理方便。但是，集中设置分选系统的运输距离一般较长、分选矸石运输至充填区的距离也比较长、对分选设备的能力要求较大、对分选硐室的断面要求也较大；采用分区设置时，一般就近设置在分(采)区煤仓附近，其优点是煤矸能够尽早分离出来，降低无效的矸石运输距离，分选出的矸石就近进入充填区充填，单套分选设备的能力减小、分选硐室的断面缩小，其缺点是煤矸分选系统较多、不便于管理，投资相应较大。

3 井下充填

按充填物料形态、充填物料输送系统分为固体矸石充填[8-12]和膏体(拟膏体)矸石充填[13-14]2种。固体矸石充填是将井下掘进矸石、井下分选矸石和地面洗选矸石通过带式输送机输送到采煤工作面采空区充填。地面洗选矸石经过破碎机破碎至50 mm以下后，通过地面矸石输送系统运至垂直投料井[15]投放到井下，与井下破碎至50 mm以下的井下分选矸石、掘进矸石汇集后进入井下充填系统。工作面采空区充填适用于矿井矸石产生量较多的矿井，充填工作面主要充填设备有充填液压支架、充填刮板输送机、转载机等设备，充填系统复杂、设备多；巷道充填[16]适用于矿井矸石产生量较少的矿井，主要充填设备为抛矸机，充填系统和设备简单；膏体(拟膏体)矸石充填是以矿井固体矸石为主要材料辅以部分其他固体材料、胶结材料、水等配制成膏体(拟膏体)充填物料，通过管道输送方式将充填物料输送到充填区域充填，充填料制备复杂，但输送系统和充填作业简单，充填物料的固体粒度在20 mm以下。

按充填目的和充填材料密实度要求不同分为置换“三下”压煤和单纯的矸石零排放2类。置换“三下”压煤因为要严格控制上覆岩层的下沉移动变形量，故要求进行密实充填，采煤工作面产量因受密实充填循环作业时间长的影响较低，目前我国“三下”压煤开采的综采充填工作面产量不超过1.0 Mt/a。单纯的矸石零排放一般不要求进行密实充填，工作面充填以快为主要目的，虽然工作面增加了充填作业，但由于对充填要求低，不需要对充填物料进行捣实作业，减少了充填作业对工作面采煤的影响，工作面产量虽有一定的降低，但要高于密实充填工作面的产量。

4 矿井矸石零排放绿色开采技术

4.1 采选充一体化绿色开采技术

采选充一体化绿色开采技术[1-2,11]是将井下采煤、井下煤矸分选、矸石充填有机集成为一体，在井下形成“采煤—分选—充填—开采”的循环闭合开采体系。井下采选充一体化技术体系主要包括井下矸石分选系统和矸石充填系统2个核心，采煤系统开采出来的原煤经井下煤矸分选系统分选，分选出来的矸石，连同经垂直投料井投放到井下的地面洗选矸石、井下掘进矸石一起通过井下矸石充填输送系统，回填到采煤工作面采空区，实现矿井矸石的零排放。由于矸石量低于产煤量，因此在没有外来矸石或存量矸石等充填材料补充的情况下，适用于实现单纯的矸石零排放的非密实充填矿井；在有外来煤矸石或存量煤矸石等充填材料补充的情况下，可用于置换“三下”压煤或保水开采的密实充填矿井，控制工作面采后的地表下沉移动变形量。

按照井下工作面配置个数有“一井一面”、“一井两面”2种生产方式。“一井一面”生产方式中，全矿井布置1个采选充一体化工作面，这种生产方式适用于矿井产量不大的矿井，能够在保证矿井产量的同时，解决了矿井煤矸石排放问题；“一井两面”生产方式，在井下分区布置2个采选充一体化工作面，1个分区1个，形成一主一辅2套采选充一体化系统。主面系统只充填处理本区井下煤矸分选系统分离出的矸石和本区掘进产生的矸石，辅面系统除充填处理本区井下煤矸分选系统分离出的矸石和本区掘进产生的矸石外，还要处理通过垂直投料井集中投运到本区的地面选煤厂洗选矸石。“一井两面”生产方式具有矿井生产能力较大，井下煤矸分选系统分区建立、相互独立，充填物料输送系统简单、设备少，并可以减少分区之间联络的无效矸石运输费用，分区煤矸分选系统处理能力不大、煤矸分选设备和硐室断面尺寸减小、硐室施工容易等特点。这种生产方式适用于两翼开采或分区开采的大型矿井。

4.2 垮落法开采、充填法开采协同绿色开采技术

垮落法开采、充填法开采协同[11,17]生产方式是建立在充分发挥垮落法开采工作面产量高、充填法开采工作面处理矿井矸石实现矸石零排放目的基础之上提出的。垮落法开采工作面担负矿井主要煤炭生产任务，充填开采工作面在协同完成矿井产量的同时，将矿井矸石充入到工作面采空区，实现矿井矸石零排放。充填开采工作面可以布置在“三下”压煤区域，也可布置在非“三下”压煤区域，布置在“三下”压煤区域时，进行密实充填，控制地表下沉移动变形量，其工作面生产能力、长度要依据矿井矸石量核算确定；布置在非“三下”压煤区时，工作面生产能力和长度不受充填密实度的影响，一般采用非密实充填的长壁工作面布置。井下煤矸分选系统一般集中设置，煤矸分选系统处理能力要求大，煤矸分选设备和硐室断面尺寸较大，硐室施工难度较大。

按照井下工作面配置个数有“一井两面”、“一井三面”2种生产方式。“一井两面”生产方式是全矿井共布置2个采煤工作面，1个采用垮落法开采长壁工作面，1个采用充填法开采工作面，这种生产方式适用于两翼开采或分区开采的大型矿井。“一井三面”生产方式是全矿井共布置3个采煤工作面，2个采用垮落法开采长壁工作面、1个采用充填法开采工作面。由于2个垮落法开采工作面可以提供更高的煤炭产量和更多的矸石量，能够满足置换“三下”压煤区密实充填所需要的充填矸石量，无需外来充填物料的补充，因此“一井三面”生产方式中充填工作面一般采用长壁工作面布置。由于矿井采煤工作面个数多，因此这种方式更适用于分区开拓的“三下”压煤多或厚薄煤层搭配开采的大型、特大型矿井。

4.3 垮落法开采与巷道充填协同绿色开采技术

井下布置1个垮落法管理顶板的长壁综采工作面保证矿井的产量，同时布置巷道充填区，井下煤矸分选系统分选出的煤矸石、经垂直投料井投放到井下的洗选煤矸石，以及井下掘进煤矸石一起通过井下煤矸石输送系统，回填到巷道充填区充入巷道，巷道充填区可以选择在“三下”压煤区，也可以就近设在井下煤矸分选系统附近的非“三下”压煤开采区，如选择在“三下”压煤区域时，巷道要进行密实充填；如选择在非“三下”压煤区域时，则一般不要求密实充填，只要能满足矿井煤矸石全部充填即可。其主要特点是开采、充填区域分离，煤矸石充填不影响矿井产量；垮落法开采工作面产量高、含矸量大时，充填区巷道掘进压力大，因此适用于煤矸石排放量较少的矿井。

5 结论

矿井矸石零排放是矿井实现绿色生产的发展趋势，井下煤矸分选是矿井提高经济效益的有效途径，尤其是开采范围大、开采深度大的矿井，可以节省大量的矸石提升费用，释放矿井提升能力。井下煤矸分选技术、矸石充填技术与常规采煤技术共同形成了井下采选充一体化绿色开采技术。本文基于井下煤矸分选技术、矸石充填技术，通过对井下煤矸分选能力与矿井产量协调、矿井矸石产生量与井下充填空间平衡、井下煤矸分选系统布置与矿井开拓开采布置相互关系、垮落法开采与充填法开采协同、矿井产量保障程度的分析，探讨并提出了适用于不同生产方式下矿井矸石零排放绿色开采技术。