绿色矿山固体废物减量化理念探讨

冯冠学，郭大林，卫中宽

(中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北 邯郸 056031)

2015年3月24日中央政治局会议上首次提出了“绿色化”，并且将其定性为“政治任务”，与新型工业化、城镇化、信息化、农业现代化“四化”并提，形成“新五化”。国家“十三五”规划也将“加强生态文明建设”列入十个任务目标当中[1]。党的“十九大报告”再次明确提出推进绿色发展、着力解决突出环境问题、加大生态系统保护力度、改革生态环境监管体制的决策部署[2]。

“绿色发展”涵盖了我国经济发展的各个领域，而煤炭是其中不可或缺的一部分。中国工程院研究数据表明：煤炭对中国GDP贡献率超过15%。虽然我国风电、光伏装机容量已跃居全球首位，煤炭作为主体能源和重要工业原料的地位仍无可改变。预计到2030年，中国煤炭消费量仍占一次能源消费总量的55%左右，并将长期维持在50%左右。这就意味着，煤炭是我国绿色发展的重要的参与者。

1 减量化理念

2018年10月1日颁布实施的《煤炭行业绿色矿山建设规范》提出了“绿色矿山”概念：“在矿产资源开发利用全过程中，实施科学有序开采，对矿区及周边生态环境扰动控制在可控范围内，实现矿区环境生态化、开采方式科学化、资源利用高效化、管理信息数字化和矿区社区和谐化的矿山。”[3]

煤炭在开发和利用过程中所产生的主要固废染物是煤矸石和煤泥。目前，我国煤矸石利用率不足50%，堆积量以1.5亿t/a的速度增长[4]。年产煤泥量超过3亿t，除部分掺配销售或坑口电厂直接燃烧外，大部分煤泥采用堆积存放、造成非常严重的资源浪费和环境污染[5]。

要实现建设煤炭行业绿色矿山的目标，减少煤矸石和煤泥对环境的污染，除提高资源的高效利用外，还应从根本上实现煤矸石和煤泥等污染物的“减量化”，并贯穿于煤炭生产的全过程。

2 矸石减量化

2.1 井下开拓开采

井下开拓开采是煤炭生产的第一环节，是煤矸石产生的直接源头。煤炭开采过程中矸石产生的途径主要有：巷道(硐室)掘进，工作面顶、底板冒落，采掘工作面断层、火成岩侵入、煤层变薄等地质条件变化，巷道清理、维护等。通过采用适宜的系统布置、采煤方法和顶、底板控制技术，可有效降低井下开采过程中矸石量的产生。

1)尽量采用全煤巷开拓布置，减少巷道总量，这样不仅能够减少矸石采出量，而且减少了初期工程量，缩短投产工期。该技术在兖矿济宁二号煤矿、济三号煤矿、新汶龙固煤矿等国内大型现代化矿井成功应用。

2)针对不同的地质构造及煤层赋存条件，选用相适宜的采煤方法，在保证煤炭回采率的前提下，减少开采过程中顶、底板的混入量。同时，加快新型智能化开采设备的研发，与超前勘探技术相结合，依据煤层变化快速、自动调整开采参数，实现煤炭安全智能精准开采。

3)生产中控制工作面的端面距，采取及时有效的护顶措施，减少矸石冒落。陕西延安禾草沟煤业有限公司进行了有益的尝试，对井下原煤开采过程中顶、底板的剥离量给出了具体的规定，矸石含量一致保持在非常低的水平，稳定了出井原煤质量。

4)通过加强掘进巷道工程质量和采用合理的巷道支护手段，提高支护效果，降低巷道变形量，减少巷道维修量和维修次数，从而减少产生矸石量。

2.2 井下排矸与充填

煤炭开采过程中即使采用了诸多有效措施，受地质条件和技术因素的限制，仍有无法避免的矸石混入原煤。如果在井下进行矸石分选，将其前置排出，同时完成矸石井下充填，可部分减少升井的矸石量。

目前，用于井下的主要是块矸分选工艺，包括柔性空气室跳汰分选、重介浅槽分选、动筛跳汰分选和智能干选等，并分别在冀中能源邢东矿、开滦集团唐山矿、新汶协庒矿和济阳矿、新矿集团翟镇矿、临沂王楼煤矿等应用。

井下采、选、充、留一体化，每年可减少8亿t升井煤矸石，减少堆存占地和采煤塌陷土地，置换 “三下”压煤。尤其是煤炭资源枯竭、村庄人口密集、土地紧张的东部地区，一体化技术推广意义重大。

3 煤泥减量化

相较于通过井下开拓开采、井下排矸与充填实现矸石的主动减量。煤泥的减量化贯穿于煤炭生产的全过程，既主动减少原生煤泥量，又减少次生煤泥量和入洗煤泥量。主要涉及全过程防破碎技术、选煤方法选择和煤泥回收等方面。

3.1 全过程防破碎技术研究

受国家能源集团委托，中煤邯郸设计公司承担的《块煤防破碎理论分析研究及应用》课题，历时三年于2018年5月结题。 课题完成了破碎理论的研究、不同矿区物料参数试验、数学模型的建立、离散元动态仿真、三维参数化设计等成果。实现了煤炭开采、储装运、洗选等多个环节的块煤防破碎技术突破。

3.1.1 井下生产环节

1)合理选择采煤机牵引速度、滚筒截齿布置型式、滚筒转速和转向、截割深度。

2)选择中部槽高度较高的刮板输送机。

3)优化系统布局，减少转载环节。

3.1.2 设备转载环节

1)溜槽内设置焊接的挡煤板或设置缓冲斗，使物料实现软着陆。

2)采用“高位接料”设计，使物料由“撞击”变为“滑动”。

3)落差较大时采用螺旋溜槽或曲面溜槽。

4)溜槽内设网格板，缓冲物料与溜槽底板的碰撞。

5)改善溜槽出料端结构，控制溜槽内物料出料速度。

6)“智能”溜槽技术。

3.1.3 入仓环节

采用离散元动态仿真、三维参数化设计实现物料以螺旋轨迹滑动入仓，该项技术具有无能耗、免维护、可靠性高、布置灵活等优势，兼有降噪、降尘等功能。

3.2 选煤方法选择

在满足效益最大化的原则下，优先选择能减少次生和入选煤泥量的分选方法。

3.2.1 脱粉入洗

采用高效的干法深度筛分设备将动力煤选煤厂的分选下限降低至6(3)mm，既保证了原煤的入洗量，又减少了粉煤与水接触而产生的煤泥量，实现脱粉入洗。关于动力煤脱粉入洗，已有学者进行了论证，共同的结论是，动力末煤脱粉入洗比全部入洗的产品产率高、加工成本低、经济效益好[7]。

目前常用的高效细粒干法筛分设备主要包括弛张筛、交叉筛和高幅筛等。

3.2.2 重介浅槽与脱粉入洗

重介浅槽与其他重介或水介分选设备相比，物料自流进入分选设备，分选过程相对静止，产生的次生煤泥量要远低于旋流器、跳汰机等分选设备。其与动力煤脱粉入洗相结合，在确保产品煤质量的同时，能有效降低煤泥量，产生的少量煤泥，脱水后直接掺入混煤销售，实现了选煤厂无煤泥产品生产。

3.2.3 重介旋流无压入料

尽量采用无压入料作为重介旋流分选的入料方式，相较于有压入料，无压入料避免了物料在混料桶中的浸泡以及混料泵的输送，更短的系统停留时间和更少的破碎率减少了其煤泥产生量。

两淮地区有压、无压工艺的洗选研究发现，有压两产品重介质旋流主再洗比无压三产品重介质旋流工艺煤泥量增加3%～6%[8。

3.2.4 干法分选

干法分选从根本上避免了煤和矸石遇水后发生泥化的现象，尤其适用遇水易于泥化及西北缺水寒冷地区煤炭的分选。目前，比较成熟的干法分选技术包括复合式干选机和智能干选机。

复合式干选机可以实现全粒级洗选，对易泥化煤的提质有积极作用。智能干选采用射线和图像识别技术，借助传感器和大数据，对每一块原煤进行数字化分析，识别出煤与矸石[6]。

3.3 煤泥回收

在煤炭湿法分选工艺中所产生的煤泥，可采用分级脱水和干燥脱水的方式加以回收利用，以减少煤泥产品的数量。

3.3.1 煤泥分级回收

目前我国煤泥回收工艺可分为两种，一种是单段回收工艺，即“浓缩+压滤”；另一种为两段回收工艺，即一段“浓缩+沉降过滤式离心脱水”、二段“浓缩+压滤”回收。由于两段工艺能够回收部分煤泥中的粗颗粒，由于其水分低、呈分散状可直接掺入混煤产品，剩余的细煤泥作为单独的煤泥产品，有效减少了最终产生的煤泥量。

3.3.2 煤泥干燥

结合煤泥特性，通过采用相适宜的干燥方法，选择合适的热源，可有效降低煤泥产品水分、提高发热量、改善性态，最终实现掺入混煤作为动力煤销售的目的。

国内煤泥干燥设备种类较多，包括滚筒干燥、旋翼干燥和电力低温干燥等，其中，尤以旋翼干燥工艺使用的最为普遍。

需要指出的是，煤泥干燥工艺需首先落实热源问题，最佳的热源是电厂余热、蒸汽和瓦斯。天然气和电力也可作为干燥热源，但费用过高，经济性较差。燃煤作为热源已经不符合我国大部分地区的环保要求。

4 建 议

1)转变观念。变革现有考核制度，矿井产量应以原煤升井质量为前提。既要保证合格煤炭的供应量，又要从源头减少升井矸石对生态环境的影响。

2)科学谋划。采取差异的减量化政策，避免为干燥煤泥而购买天然气，避免盲目建设大锅炉，避免为实现井下排矸而追求原煤全粒级分选等等现象的滋生。

3)采选队伍专业化。专业的采选队伍具有经验丰富的专业人员和成熟的专业管理模式，能够更加从容的解决生产中遇到的问题。可在区域内形成集约效应，实现技术、人才、设备、材料、信息等多种资源共享，将资源消耗和生产成本降至最低，这也是减量化的一种体现。

4)智能化采选。通过智能化采选，实现煤炭安全精准开采、高效利用。