地面煤矸石存儲及輸送工藝研究

邢世坤

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引 言

目前矸石山環保治理已經列為政府環境整治的重點任務，為此國家和地方發布了系列法律法規，強化矸石山環保治理，推進矸石綜合利用。利用矸石山的矸石作為原料充填開采，不僅可以解放井下大量的煤炭資源，也為地面矸石山治理提供了一條有利的出路[1-5]。邢東礦先后將條帶開采、超高水材料充填開采等技術應用于解放村莊壓煤，并將井下矸石回填置換永久煤柱，解放了大量呆滯資源。由于礦井矸石充填生產能力的提升，現有的井下掘進矸石已不能滿足充填需求。因此建立矸石地面充填系統，不僅可以滿足井下充填需求，還可以減少地面矸石堆放帶來的生態環境影響[6-7]。

我國煤礦矸石充填開采大多數仍采用由井下運輸充填方式，充填開采效率低、產量不大，同時極少數采用地面矸石投料入井進行充填開采礦井，一般具有礦井深度小、投料條件較為簡單等特點。隨著矸石充填技術的發展，地面矸石充填技術成為處理矸石及矸石充填開采的重要必然方向，但國內外過地面矸石充填站儲存及運載矸石技術發展尚未成熟，還沒有相似的經驗可以借鑒，對煤礦充填開采的發展具有意義。

1 存儲工藝方案確定

邢東礦采用的充填矸石來自臨近東龐礦。矸石原料在東龐礦進行篩分破碎（平均粒徑50 mm），破碎合格后的矸石采用自卸式卡車運至邢東礦地面矸石充填站。經投料孔投入井下，與井下矸石一起經皮帶運輸至工作面支架后部，再采用刮板輸送機充填到工作面采空區，由充填液壓支架推壓密實機構進行推壓密實，系統分為地面矸石站、矸石投料孔及緩沖裝置、井下矸石運輸系統、工作面回填系統4 部分，如圖1 所示。

圖1 地面矸石充填流程示意Fig.1 Ground gangue filling process diagram

1.1 倉儲形式選擇

根據邢東礦實際需求，地面矸石存儲量不低于1 500 m3（約為井下1 個工作日所需矸石量）。由于該項目選址處于城區規劃區域之內，為減少對周邊環境的影響，迎合市政規劃需求，擬選擇矸石存儲方式為封閉式地下淺倉或半地下堆場式。

1.2 工藝方案比較

工藝布置直接影響到該項目的投資和系統功能的通暢性。在滿足充填系統要求，且不影響整體布局的前提下，設計對地面工藝總布置進行了多方案比選優化，以使總平面布置達到系統簡潔、運輸順暢、規劃用地少、投資小、運行費用低的目的。

方案一：自卸汽車運輸矸石由進車門進入鋼結構棚化車間（45 m×39 m），車間內建有6 個7.5 m×7.5 m 連體地下式儲倉，倉下安裝給料機。采用直卸式卸載方式，滿載汽車可沿倉四周后卸或側卸矸石入倉儲存，倉內矸石經給料機匯入投料帶式輸送機，并輸送至井下，地面工藝布置如圖2所示。

圖2 方案一布置示意Fig.2 Scheme 1 layout schematic

方案二：采用鋼結構棚化車間和淺倉存儲方式。地面設計鋼結構棚化車間（28 m×25 m），車間內建有6 個7.5 m×7.5 m 的淺倉，倉上均布鋼梁，倉下安裝給料機。采用通過式卸載方式，滿載汽車經鋼梁從儲倉上面通行，在倉口上方自卸汽車后卸或側卸矸石入倉儲存，倉內矸石經給料機匯入投料帶式輸送機輸送至井下，地面工藝布置如圖3 所示。

圖3 方案二布置示意Fig.3 Scheme 2 layout schematic

方案三：設計采用半地下式堆場儲存矸石。矸石堆場外圍護鋼結構棚化車間（40 m×32 m），滿載汽車進入堆場后自卸矸石入場地存儲，場地中建有3.6 m×3.6 m 的受料漏斗，鏟車日常協助堆放和推矸石進漏斗，進入漏斗的矸石通過其下安裝的給料機給入帶式輸送機運輸至井下，地面工藝布置如圖4 所示。

圖4 方案三布置示意Fig.4 Scheme 3 layout schematic

3 個方案的對比見表1。經綜合比較，確定采用方案一作為地面工藝布置方案。

表1 不同方案的優缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different schemes

1.3 主要生產單元工藝布置

1.3.1 汽車卸載點

場區中央沿淺倉邊緣均可卸車，自卸汽車進入卸載區域后可根據需要將矸石自行卸入任意倉內，每個倉下均設有給料機，用于將倉內矸石給入帶式輸送機。

1.3.2 矸石儲倉

在場地中央建有6 個7.5 m×7.5 m 的連體淺倉，每個倉容270 m3，總容量1 620 m3，滿足1 d需要充填矸石1 500 m3的生產要求。

1.3.3 投料運輸系統

在倉下設有一條通向井下投料孔的帶式輸送機，倉內矸石通過給料機匯入帶式輸送機并投料孔輸送至井下。

1.3.4 封閉式矸石充填站

該設計充填站尺寸為45 m×39 m，外圍護全部采用封閉式結構，在維護墻中采取隔噪措施，將生產中的噪音和揚塵與外部環境隔離。

2 輸送投料方式選擇

2.1 輸送投料方式

將固體充填物從地面輸送至井下，目前常用的方法有副井提升法、雙井筒托盤式輸送法及垂直投放法[8-9]。

（1）副井提升法。

如果副井為立井，且矸石充填量較少時，可以通過副井提升的方式運輸矸石。該方法可充分利用礦井現有生產系統，不需增加額外工程。但其主要缺點一是受副井提升能力的限制，加劇了輔助提升的壓力；另一方面副井主要用作輔助運輸，同時兼顧運送矸石，因此不能實現連續運輸，運輸量有限，無法滿足大批量矸石充填的需求。

（2）雙井筒托盤式輸送法。

雙井筒托盤式輸送法主要是利用地面驅動系統帶動固體充填料投放系統運轉，投放系統由若干個托盤組成，矸石在托盤上通過驅動系統到達井下，卸載到膠帶輸送機上，同時進入另外一個投料孔返回地面裝載矸石，如此循環運輸。該方法可現實固體充填料的高效輸送，其主要優點為可適應不同投料粒徑的需求，保證原始充填料的粒徑；井壁結構簡單，充填井不易發生堵塞現象。但該方法投料系統復雜，當井筒較深時，工程投資較大。雙井筒托盤式輸送法示意圖如圖5 所示。

圖5 雙井托盤輸送系統示意Fig.5 Tray conveying system of double well

（3）垂直投放法。

垂直投放法是在地面施工一個鉆孔，安裝耐磨管路作為物料的輸送通道。該方法的優點是通過量大、成本低。但有堵管的可能，并且當投料深度大時對底部的緩沖系統要求較高。垂直投放法輸送示意圖如圖6 所示。

圖6 垂直輸送系統示意Fig.6 Vertical conveying system

邢東礦采用的固體充填料為矸石，礦井始建于1998 年，經多年升級改造，其生產能力由原設計60 萬t/年提升至125 萬t/年，副井富裕能力已無法滿足60 萬t/年的矸石返運能力。投料點地面距井下約770 m，若采用雙井筒托盤式輸送法則其投資大，工期長。因此本著工期短，系統簡單可靠的原則，此次設計選用垂直投放法，即自地面垂直向井下施工一個投料鉆孔形成輸送通道。

2.2 投料孔直徑

投料孔直徑關系著投料能力與成本投入。直徑太小將限制充填能力，增加物料與投料管的摩擦且容易造成管路堵塞，而直徑較大將增加施工難度并增加經濟成本[10]。根據單位時間內的投料量計算投料孔直徑。

2.2.1 單位時間投料量

（1）平均投料量。

平均投料量見式（1）。

式中：Q1為平均投料量，t/h；α 為夯實后的充填物與原煤容重比，2.5/1.75=1.45；A 為年生產能力取60 萬t；t 為日有效投料時間，取7 h。

經計算，平均投料量為376.6 t/h。

（2）瞬時投料量。

瞬時投料量為投料口所有輸送機總輸送能力之和，一般考慮1.2 的不穩定系數。即：Q=1.2Q1=452 t/h。

（3）充填料下落等效直徑。

式中：γ 為投料流量不均衡系數，取1.2；ρ 為投料孔中固體料平均密度，取1.6 t/m3。

經計算，得d0=213 mm。

（5）等效直徑修正。

考慮投料孔垂直度、投料孔壁粘附效應、潮濕固體料粘聚作用，對計算等效直徑進行修正：

式中：r1為垂直度修正系數，取1.2；r2為粘附效應修正系數，取1.3；r3為固體料粘聚修正系數，取1.3。

經計算d=432 mm。

通過上述計算，同時滿足固體料最大顆粒直徑及單位時間內所需投料量的計算投料孔內徑應大于等于450 mm。

2.2.2 工程類比

（1）郭二莊煤礦二坑。

生產能力60 萬t/a，投料孔深度330 m，最大投料粒徑100 mm，投料能力400 t/h，投料孔內徑495 mm，服務年限6 a。

（2）邢臺礦。

生產能力210 萬t/a，投料孔深度350 m，最大投料粒徑80 mm，投料能力不小于450 t/h，投料孔內徑486 mm。服務年限大于15 a。

（3）唐山礦。

生產能力420 萬t/a，投料孔深度597 m，最大投料粒徑50 mm，投料能力不小于550 t/h，投料孔內徑486 mm。服務年限大于15 a。

綜合確定該礦井投料孔內徑為486 mm。

2.3 投料管材質

在投料管安裝過程中，投料管自身需要承受較大的縱向拉力，在使用過程中還需要承受外側巖體對管體的圍壓作用。

投料管使用過程中，將承受圍巖壓力，其壓力最大處在投料管底端。因此材料的抗壓強度應大于根據博萊絲公式確定的長圓筒臨界壓力。

綜上，確定管路外徑為586 mm，耐磨層厚度為30 mm，材質為高鎳鉻鉬合金。

2.4 投料管安裝

由于投料管長度大，自重較重，為減少縱向應力對管材的不利影響，投料管采用漂浮法下沉、井口對位焊接連接方式安裝。

鉆孔的垂直度將直接影響投料管的受力情況，理想的絕對垂直將減少投料管管壁的摩擦，延長投料管使用壽命。若垂直度較大，管壁彎曲處將受到沖擊壓力及摩擦力的雙重影響，其磨損量成幾何倍數增長。投料鉆孔垂直度控制在1‰以內。

2.5 緩沖及壓風控制

在固體充填料投放過程中，隨著充填料的下落，投料管及矸石料倉內的空氣原有位置不斷被投放的充填料所占據，氣體受到壓縮，形成較大的氣壓（約0.5 MPa）。為了利用氣體壓力降低迎風面充填料下落速度，形成“氣墊效應”，同時避免瞬時增大的氣壓對人員、設備等造成危害，設計對矸石料倉上口進行封閉并采取相應的泄壓措施。

根據相關研究及應用實踐，泄壓管直徑在100～500 mm 時，泄壓效果最為明顯。因此，綜合該礦矸石投料量和投料深度考慮，矸石料倉上口設計設置泄壓管直徑為300 mm。另外適當增加泄壓管數量可以減小封閉空間的氣壓值，改變氣流場的分布狀態，設計設置泄壓管數量為2 個。

緩沖及壓風控制系統示意如圖7 所示。

圖7 緩沖及壓風控制系統Fig.7 Buffer and compressed air control system

2.6 降塵措施

充填物料投放時，會產生大量粉塵，所產生的粉塵會隨著泄壓管的泄壓涌入矸石倉繞道，造成粉塵飛揚，危害作業人員健康、污染環境，因此須在泄壓管出口設置泄壓水池。一方面，泄壓水池可以實現水浴降塵、改善作業環境，另一方面，泄壓水池可以緩和氣體壓力，避免瞬時過大的氣壓對作業人員造成傷害。

3 現場應用

3.1 工作面概況

邢東礦11231 工作面位于一水平一采區，地面標高為+57.2—+58.9 m，工作面標高為-591—-724 m，工作面所采煤層為2 號煤。11231 工作面傾斜長度59 m，走向長度622 m，采用綜合機械化矸石充填開采。

3.2 應用情況

經過6 個月的施工，2021 年，煤矸石存儲站及投料孔投入了使用。現場應用表明，矸石投料量可達600 t/h。2021 年6 月，工作面最高月產達到6萬t，創出矸石充填開采新水平。

3.3 社會效益

矸石充填工作面的建成，隨著矸石充填開采能力的提高，使外運矸石置換建下煤炭成為現實，進而可實現全礦區連續充填開采，大大提高資源利用率，將真正實現不遷村開采，推動礦井持續穩定發展。

礦外矸石利用投料孔投放井下，解決了建下矸石充填采煤的瓶頸問題，同時提供了較好的矸石山處理辦法，減少矸石對環境的污染。在緩沖后進入矸石倉，同時布置系統將井下矸石匯合，通過矸石充填運輸系統進入工作面充填，可以回收大量煤炭資源、改善充填效果和降低建下回采成本。矸石充填開采對比高水充填可以降低成本69.81 元/t。

4 結 論

（1）實現了矸石從礦外通過車輛運輸至地面矸石站卸車并儲存，主要建筑采用封閉式鋼化棚，車間內建有6 個連體地下式儲倉，倉下安裝6 臺給煤機和1 部膠帶輸送機，將矸石運輸至投料孔。

（2）實施應用了大垂深（771 m）投料孔，矸石經投料孔由地面投放至井下，孔下布置緩沖裝置及密閉裝置，通過控制風壓調節矸石速度，并經緩沖裝置緩沖后，進入矸石緩沖倉。

（3）建成了全封閉半地下多點位全覆蓋自動收降塵的環保型矸石投放站。具有地下工程量小、車輛運行簡單、卸載方便、采光通風良好、噪聲粉塵控制效果好等優點，現場應用效果良好，滿足了矸石充填的要求。