綠色礦山固體廢物減量化理念探討

馮冠學，郭大林，衛中寬

(中煤邯鄲設計工程有限責任公司，河北 邯鄲 056031)

2015年3月24日中央政治局會議上首次提出了“綠色化”，并且將其定性為“政治任務”，與新型工業化、城鎮化、信息化、農業現代化“四化”并提，形成“新五化”。國家“十三五”規劃也將“加強生態文明建設”列入十個任務目標當中[1]。黨的“十九大報告”再次明確提出推進綠色發展、著力解決突出環境問題、加大生態系統保護力度、改革生態環境監管體制的決策部署[2]。

“綠色發展”涵蓋了我國經濟發展的各個領域，而煤炭是其中不可或缺的一部分。中國工程院研究數據表明：煤炭對中國GDP貢獻率超過15%。雖然我國風電、光伏裝機容量已躍居全球首位，煤炭作為主體能源和重要工業原料的地位仍無可改變。預計到2030年，中國煤炭消費量仍占一次能源消費總量的55%左右，并將長期維持在50%左右。這就意味著，煤炭是我國綠色發展的重要的參與者。

1 減量化理念

2018年10月1日頒布實施的《煤炭行業綠色礦山建設規范》提出了“綠色礦山”概念：“在礦產資源開發利用全過程中，實施科學有序開采，對礦區及周邊生態環境擾動控制在可控范圍內，實現礦區環境生態化、開采方式科學化、資源利用高效化、管理信息數字化和礦區社區和諧化的礦山?！盵3]

煤炭在開發和利用過程中所產生的主要固廢染物是煤矸石和煤泥。目前，我國煤矸石利用率不足50%，堆積量以1.5億t/a的速度增長[4]。年產煤泥量超過3億t，除部分摻配銷售或坑口電廠直接燃燒外，大部分煤泥采用堆積存放、造成非常嚴重的資源浪費和環境污染[5]。

要實現建設煤炭行業綠色礦山的目標，減少煤矸石和煤泥對環境的污染，除提高資源的高效利用外，還應從根本上實現煤矸石和煤泥等污染物的“減量化”，并貫穿于煤炭生產的全過程。

2 矸石減量化

2.1 井下開拓開采

井下開拓開采是煤炭生產的第一環節，是煤矸石產生的直接源頭。煤炭開采過程中矸石產生的途徑主要有：巷道(硐室)掘進，工作面頂、底板冒落，采掘工作面斷層、火成巖侵入、煤層變薄等地質條件變化，巷道清理、維護等。通過采用適宜的系統布置、采煤方法和頂、底板控制技術，可有效降低井下開采過程中矸石量的產生。

1)盡量采用全煤巷開拓布置，減少巷道總量，這樣不僅能夠減少矸石采出量，而且減少了初期工程量，縮短投產工期。該技術在兗礦濟寧二號煤礦、濟三號煤礦、新汶龍固煤礦等國內大型現代化礦井成功應用。

2)針對不同的地質構造及煤層賦存條件，選用相適宜的采煤方法，在保證煤炭回采率的前提下，減少開采過程中頂、底板的混入量。同時，加快新型智能化開采設備的研發，與超前勘探技術相結合，依據煤層變化快速、自動調整開采參數，實現煤炭安全智能精準開采。

3)生產中控制工作面的端面距，采取及時有效的護頂措施，減少矸石冒落。陜西延安禾草溝煤業有限公司進行了有益的嘗試，對井下原煤開采過程中頂、底板的剝離量給出了具體的規定，矸石含量一致保持在非常低的水平，穩定了出井原煤質量。

4)通過加強掘進巷道工程質量和采用合理的巷道支護手段，提高支護效果，降低巷道變形量，減少巷道維修量和維修次數，從而減少產生矸石量。

2.2 井下排矸與充填

煤炭開采過程中即使采用了諸多有效措施，受地質條件和技術因素的限制，仍有無法避免的矸石混入原煤。如果在井下進行矸石分選，將其前置排出，同時完成矸石井下充填，可部分減少升井的矸石量。

目前，用于井下的主要是塊矸分選工藝，包括柔性空氣室跳汰分選、重介淺槽分選、動篩跳汰分選和智能干選等，并分別在冀中能源邢東礦、開灤集團唐山礦、新汶協庒礦和濟陽礦、新礦集團翟鎮礦、臨沂王樓煤礦等應用。

井下采、選、充、留一體化，每年可減少8億t升井煤矸石，減少堆存占地和采煤塌陷土地，置換 “三下”壓煤。尤其是煤炭資源枯竭、村莊人口密集、土地緊張的東部地區，一體化技術推廣意義重大。

3 煤泥減量化

相較于通過井下開拓開采、井下排矸與充填實現矸石的主動減量。煤泥的減量化貫穿于煤炭生產的全過程，既主動減少原生煤泥量，又減少次生煤泥量和入洗煤泥量。主要涉及全過程防破碎技術、選煤方法選擇和煤泥回收等方面。

3.1 全過程防破碎技術研究

受國家能源集團委托，中煤邯鄲設計公司承擔的《塊煤防破碎理論分析研究及應用》課題，歷時三年于2018年5月結題。 課題完成了破碎理論的研究、不同礦區物料參數試驗、數學模型的建立、離散元動態仿真、三維參數化設計等成果。實現了煤炭開采、儲裝運、洗選等多個環節的塊煤防破碎技術突破。

3.1.1 井下生產環節

1)合理選擇采煤機牽引速度、滾筒截齒布置型式、滾筒轉速和轉向、截割深度。

2)選擇中部槽高度較高的刮板輸送機。

3)優化系統布局，減少轉載環節。

3.1.2 設備轉載環節

1)溜槽內設置焊接的擋煤板或設置緩沖斗，使物料實現軟著陸。

2)采用“高位接料”設計，使物料由“撞擊”變為“滑動”。

3)落差較大時采用螺旋溜槽或曲面溜槽。

4)溜槽內設網格板，緩沖物料與溜槽底板的碰撞。

5)改善溜槽出料端結構，控制溜槽內物料出料速度。

6)“智能”溜槽技術。

3.1.3 入倉環節

采用離散元動態仿真、三維參數化設計實現物料以螺旋軌跡滑動入倉，該項技術具有無能耗、免維護、可靠性高、布置靈活等優勢，兼有降噪、降塵等功能。

3.2 選煤方法選擇

在滿足效益最大化的原則下，優先選擇能減少次生和入選煤泥量的分選方法。

3.2.1 脫粉入洗

采用高效的干法深度篩分設備將動力煤選煤廠的分選下限降低至6(3)mm，既保證了原煤的入洗量，又減少了粉煤與水接觸而產生的煤泥量，實現脫粉入洗。關于動力煤脫粉入洗，已有學者進行了論證，共同的結論是，動力末煤脫粉入洗比全部入洗的產品產率高、加工成本低、經濟效益好[7]。

目前常用的高效細粒干法篩分設備主要包括弛張篩、交叉篩和高幅篩等。

3.2.2 重介淺槽與脫粉入洗

重介淺槽與其他重介或水介分選設備相比，物料自流進入分選設備，分選過程相對靜止，產生的次生煤泥量要遠低于旋流器、跳汰機等分選設備。其與動力煤脫粉入洗相結合，在確保產品煤質量的同時，能有效降低煤泥量，產生的少量煤泥，脫水后直接摻入混煤銷售，實現了選煤廠無煤泥產品生產。

3.2.3 重介旋流無壓入料

盡量采用無壓入料作為重介旋流分選的入料方式，相較于有壓入料，無壓入料避免了物料在混料桶中的浸泡以及混料泵的輸送，更短的系統停留時間和更少的破碎率減少了其煤泥產生量。

兩淮地區有壓、無壓工藝的洗選研究發現，有壓兩產品重介質旋流主再洗比無壓三產品重介質旋流工藝煤泥量增加3%～6%[8。

3.2.4 干法分選

干法分選從根本上避免了煤和矸石遇水后發生泥化的現象，尤其適用遇水易于泥化及西北缺水寒冷地區煤炭的分選。目前，比較成熟的干法分選技術包括復合式干選機和智能干選機。

復合式干選機可以實現全粒級洗選，對易泥化煤的提質有積極作用。智能干選采用射線和圖像識別技術，借助傳感器和大數據，對每一塊原煤進行數字化分析，識別出煤與矸石[6]。

3.3 煤泥回收

在煤炭濕法分選工藝中所產生的煤泥，可采用分級脫水和干燥脫水的方式加以回收利用，以減少煤泥產品的數量。

3.3.1 煤泥分級回收

目前我國煤泥回收工藝可分為兩種，一種是單段回收工藝，即“濃縮+壓濾”；另一種為兩段回收工藝，即一段“濃縮+沉降過濾式離心脫水”、二段“濃縮+壓濾”回收。由于兩段工藝能夠回收部分煤泥中的粗顆粒，由于其水分低、呈分散狀可直接摻入混煤產品，剩余的細煤泥作為單獨的煤泥產品，有效減少了最終產生的煤泥量。

3.3.2 煤泥干燥

結合煤泥特性，通過采用相適宜的干燥方法，選擇合適的熱源，可有效降低煤泥產品水分、提高發熱量、改善性態，最終實現摻入混煤作為動力煤銷售的目的。

國內煤泥干燥設備種類較多，包括滾筒干燥、旋翼干燥和電力低溫干燥等，其中，尤以旋翼干燥工藝使用的最為普遍。

需要指出的是，煤泥干燥工藝需首先落實熱源問題，最佳的熱源是電廠余熱、蒸汽和瓦斯。天然氣和電力也可作為干燥熱源，但費用過高，經濟性較差。燃煤作為熱源已經不符合我國大部分地區的環保要求。

4 建 議

1)轉變觀念。變革現有考核制度，礦井產量應以原煤升井質量為前提。既要保證合格煤炭的供應量，又要從源頭減少升井矸石對生態環境的影響。

2)科學謀劃。采取差異的減量化政策，避免為干燥煤泥而購買天然氣，避免盲目建設大鍋爐，避免為實現井下排矸而追求原煤全粒級分選等等現象的滋生。

3)采選隊伍專業化。專業的采選隊伍具有經驗豐富的專業人員和成熟的專業管理模式，能夠更加從容的解決生產中遇到的問題?？稍趨^域內形成集約效應，實現技術、人才、設備、材料、信息等多種資源共享，將資源消耗和生產成本降至最低，這也是減量化的一種體現。

4)智能化采選。通過智能化采選，實現煤炭安全精準開采、高效利用。