礦山矸石綠色充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)研究*

孫望成，張道兵，蔣 瑾，尹華東，胡阿平，朱遠(yuǎn)嫘

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qū)占用大量農(nóng)田及土地資源，嚴(yán)重污染當(dāng)?shù)丨h(huán)境，造成了惡劣的社會(huì)影響[1]。采用矸石作為煤礦采空塌陷區(qū)的充填材料，不僅能夠節(jié)省煤礦采空塌陷區(qū)充填材料成本，而且能夠有效解決礦區(qū)矸石污染環(huán)境占用土地的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)雙贏及多贏的綠色發(fā)展理念[2-3]。關(guān)于矸石充填系統(tǒng)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(qū)及復(fù)墾土地的可行性及其實(shí)施工藝和方法；佟強(qiáng)等[5]針對(duì)礦區(qū)地表塌陷以及矸石污染環(huán)境的問(wèn)題，建立了由投料井、緩沖裝置及滿倉(cāng)報(bào)警系統(tǒng)構(gòu)成的矸石垂直投放系統(tǒng)；宮守才等[6]探討了矸石下井的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及井下矸石的分選聯(lián)合布置設(shè)計(jì)方法；劉濟(jì)仁等[7]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件分析了矸石充填系統(tǒng)及其工藝和方法。對(duì)矸石充填參數(shù)方面的研究，劉鵬亮[8]研究了矸石充填材料的應(yīng)力及應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律；張鵬飛等[9]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬的方法研究了矸石的壓縮模量、應(yīng)力值等力學(xué)參數(shù)及其承載特性。目前，對(duì)于矸石綠色充填系統(tǒng)及其參數(shù)分析方面的研究相對(duì)較少。因此，本文針對(duì)矸石污染環(huán)境、占用農(nóng)田的實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以矸石作為充填煤礦采空區(qū)材料的綠色充填系統(tǒng)，并對(duì)矸石運(yùn)輸、破碎、充填的系統(tǒng)工藝及其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)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(yùn)輸

矸石運(yùn)輸是將井下開采產(chǎn)生的矸石運(yùn)輸?shù)降孛妫瑸轫肥涮钐峁┲匾牧希堑V山矸石綠色充填的關(guān)鍵工序。煤礦井下巷道縱橫交錯(cuò)，環(huán)境十分復(fù)雜。矸石運(yùn)輸?shù)穆肪€為：掘進(jìn)工作面→下順槽(運(yùn)輸平巷)→采區(qū)上部車場(chǎng)→軌道上山→采區(qū)下部車場(chǎng)→運(yùn)輸大巷→井底車場(chǎng)→副立井。巷道掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量矸石，矸石從掘進(jìn)工作面采出后，采用軌道運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)輸至上順槽的端頭聯(lián)絡(luò)巷。矸石車在聯(lián)絡(luò)巷轉(zhuǎn)接后進(jìn)入采區(qū)上部車場(chǎng)，在采區(qū)上部車場(chǎng)進(jìn)行調(diào)車以后運(yùn)輸至軌道上山。沿著采區(qū)軌道上山將矸石運(yùn)輸?shù)讲蓞^(qū)下部車場(chǎng)調(diào)車后一直運(yùn)輸?shù)骄总噲?chǎng)。在井底車場(chǎng)將礦車上的矸石進(jìn)行卸載、處理后，通過(guò)罐籠從副立井提升至地面，再運(yùn)輸至矸石倉(cāng)堆放。

2 矸石破碎

從井下運(yùn)輸至矸石倉(cāng)的矸石形狀不規(guī)則、大小不統(tǒng)一，不能滿足填充要求。因此，需將矸石倉(cāng)中的矸石運(yùn)往篩分破碎站進(jìn)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(jī)參數(shù)

2.1.1 進(jìn)料口尺寸

顎式破碎前需要確定破碎機(jī)的進(jìn)料口尺寸，計(jì)算公式如下[10]

B=ξ1Dmax

(1)

L1=ξ2B

(2)

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

2.1.2 嚙角

破碎機(jī)在高速運(yùn)行的同時(shí)需保證其內(nèi)部矸石不被擠出，因此，破碎機(jī)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(jī)顎板間的摩擦系數(shù)，一般取0.3～0.4。

2.1.3 動(dòng)顎行程

動(dòng)顎行程與矸石破碎及篩選密切相關(guān)，計(jì)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(jī)動(dòng)鄂行程，m；B為鄂式破碎機(jī)進(jìn)料口寬度，m；bmin為鄂式破碎機(jī)排料口最小寬度，m；η1,η2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，η1取0.054，η2取0.3～0.4。

2.1.4 偏心輪轉(zhuǎn)速

鄂式破碎機(jī)偏心軸的轉(zhuǎn)速對(duì)提高破碎機(jī)的生產(chǎn)能力起著重要作用，具體計(jì)算公式如下[12]

(6)

式中，n1為偏心輪轉(zhuǎn)速，r/min；s為動(dòng)顎行程，m；α為嚙角；μ為轉(zhuǎn)速系數(shù)，取665。

2.1.5 破碎機(jī)生產(chǎn)能力

顎式破碎機(jī)理論生產(chǎn)能力的計(jì)算公式如下[12]

(7)

式中，Q1為顎式破碎機(jī)的理論生產(chǎn)能力；b為顎式破碎機(jī)出料口寬度，m；f為松散系數(shù)，0.6～0.8。

顎式破碎機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力尚未得到統(tǒng)一的計(jì)算方法，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，如下所示[12]

(8)

2.2 錘式破碎機(jī)參數(shù)

2.2.1 轉(zhuǎn)子的直徑和長(zhǎng)度

目前，轉(zhuǎn)子的直徑和長(zhǎng)度還未得到統(tǒng)一的計(jì)算方法，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，如下所示[13]

D=ξ3bmax

(9)

L2=ξ4D

(10)

式中，D為轉(zhuǎn)子直徑，m；L2為轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，m；ξ3和ξ4為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，ξ3取1.2～3，ξ4取0.7～1.8。

2.2.2 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下[6]

(11)

(12)

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

2.2.3 破碎機(jī)生產(chǎn)能力

錘式破碎機(jī)的生產(chǎn)能力計(jì)算公式如下[6]

(13)

式中，k3、k4為破碎系數(shù)，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(tǒng)及工藝

矸石投放是矸石充填的關(guān)鍵工序，與矸石的充填效果密切相關(guān)。在眾多投放方式中，垂直投放的相對(duì)效率較高、運(yùn)營(yíng)成本較低，具有綠色投放的優(yōu)點(diǎn)，因此，在矸石充填設(shè)計(jì)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(cāng)投放到井下需要填充的采空區(qū)。矸石充填系統(tǒng)包括矸石地面運(yùn)輸和井下充填2個(gè)部分，如圖2所示。地面矸石倉(cāng)中的矸石通過(guò)1號(hào)及2號(hào)帶式輸送機(jī)輸送至矸石破碎站，在矸石破碎站采用顎式破碎機(jī)對(duì)矸石進(jìn)行粗碎及篩選，采用錘式破碎機(jī)對(duì)矸石進(jìn)行細(xì)碎及篩選。破碎篩選符合充填要求的矸石物料通過(guò)3號(hào)皮帶輸送機(jī)運(yùn)往矸石投放站，再通過(guò)投放井將矸石物料投放至井下的矸石物料儲(chǔ)存?zhèn)}，矸石物料儲(chǔ)存?zhèn)}中的矸石材料再通過(guò)井下運(yùn)輸巷道運(yùn)至各個(gè)采空區(qū)進(jìn)行充填。

圖2 矸石充填系統(tǒng)Fig.2 Gangue filling system

3.2 充填參數(shù)設(shè)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(chǔ)料倉(cāng)的下落速度，矸石投放速度在矸石的充填中起著關(guān)鍵性作用。矸石投放速度的計(jì)算如公式(14)所示[6]，通過(guò)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(yùn)動(dòng)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(shù)，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(tǒng)一的計(jì)算公式，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，如下所示[6]

(15)

3.2.3 沖擊力

矸石材料通過(guò)投放井垂直投放到井下儲(chǔ)料倉(cāng)時(shí)具有較高的速度，為了避免落下的矸石損壞儲(chǔ)料倉(cāng)，必須在井下設(shè)置緩沖器。矸石落到緩沖器上所產(chǎn)生的沖擊力通過(guò)公式(16)進(jìn)行計(jì)算[6]

(16)

式中，F(xiàn)為矸石落到緩沖器上所產(chǎn)生的沖擊力，N；m為單塊矸石的最大質(zhì)量，kg；t為矸石與緩沖器接觸的時(shí)間，s。

4 結(jié)論

在煤礦開采過(guò)程中會(huì)形成采空區(qū)并產(chǎn)生大量的矸石固體排放物，如果不及時(shí)處理井下的采空區(qū)以及堆積在礦區(qū)的矸石排放物，則極可能造成礦區(qū)地表大面積沉陷以及矸石污染環(huán)境的問(wèn)題。針對(duì)這一現(xiàn)狀，采用矸石作為充填材料充填煤礦井下的采空區(qū)，不僅有效避免了煤礦開采活動(dòng)引發(fā)的地表沉降問(wèn)題，而且解決了大量矸石堆積造成的礦區(qū)環(huán)境污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了煤礦矸石固體排放物的綠色應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了由矸石井下運(yùn)輸、矸石地面破碎以及矸石充填構(gòu)成的綠色充填系統(tǒng)，并對(duì)運(yùn)輸工藝流程、破碎工藝參數(shù)及充填重要參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，可為今后相似條件下矸石充填案例提供參考。