矿山矸石绿色充填系统设计及参数研究*

孙望成，张道兵，蒋 瑾，尹华东，胡阿平，朱远嫘

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

0 引言

矸石作为一种煤矿井下排出的固体废物，大量堆积在矿区占用大量农田及土地资源，严重污染当地环境，造成了恶劣的社会影响[1]。采用矸石作为煤矿采空塌陷区的充填材料，不仅能够节省煤矿采空塌陷区充填材料成本，而且能够有效解决矿区矸石污染环境占用土地的问题，实现双赢及多赢的绿色发展理念[2-3]。关于矸石充填系统及工艺方面的研究，郭振忠等[4]以许厂煤矿为例，分析了矸石充填塌陷区及复垦土地的可行性及其实施工艺和方法；佟强等[5]针对矿区地表塌陷以及矸石污染环境的问题，建立了由投料井、缓冲装置及满仓报警系统构成的矸石垂直投放系统；宫守才等[6]探讨了矸石下井的系统结构设计以及井下矸石的分选联合布置设计方法；刘济仁等[7]结合现场施工条件分析了矸石充填系统及其工艺和方法。对矸石充填参数方面的研究，刘鹏亮[8]研究了矸石充填材料的应力及应变等力学参数的变化规律；张鹏飞等[9]根据现场实测数据，采用数值模拟的方法研究了矸石的压缩模量、应力值等力学参数及其承载特性。目前，对于矸石绿色充填系统及其参数分析方面的研究相对较少。因此，本文针对矸石污染环境、占用农田的实际问题，设计了以矸石作为充填煤矿采空区材料的绿色充填系统，并对矸石运输、破碎、充填的系统工艺及其关键参数进行了详细阐述，旨在为今后类似条件的矸石充填案例提供参考。

1 矸石运输

矸石运输是将井下开采产生的矸石运输到地面，为矸石充填提供重要原材料，是矿山矸石绿色充填的关键工序。煤矿井下巷道纵横交错，环境十分复杂。矸石运输的路线为：掘进工作面→下顺槽(运输平巷)→采区上部车场→轨道上山→采区下部车场→运输大巷→井底车场→副立井。巷道掘进过程中会产生大量矸石，矸石从掘进工作面采出后，采用轨道运输的方式运输至上顺槽的端头联络巷。矸石车在联络巷转接后进入采区上部车场，在采区上部车场进行调车以后运输至轨道上山。沿着采区轨道上山将矸石运输到采区下部车场调车后一直运输到井底车场。在井底车场将矿车上的矸石进行卸载、处理后，通过罐笼从副立井提升至地面，再运输至矸石仓堆放。

2 矸石破碎

从井下运输至矸石仓的矸石形状不规则、大小不统一，不能满足填充要求。因此，需将矸石仓中的矸石运往筛分破碎站进行破碎加工，如图1所示。

图1 矸石破碎Fig.1 Gangue crushing

2.1 颚式破碎机参数

2.1.1 进料口尺寸

颚式破碎前需要确定破碎机的进料口尺寸，计算公式如下[10]

B=ξ1Dmax

(1)

L1=ξ2B

(2)

式中，B为进料口宽度，m；Dmax为矸石最大颗粒尺寸，mm；L1为进料口长度，m；ξ1为破碎宽度系数，取1.1～1.2；ξ2为破碎长度系数，取1.2～1.6。

2.1.2 啮角

破碎机在高速运行的同时需保证其内部矸石不被挤出，因此，破碎机啮角α必须满足如下条件[10]

(3)

式中，α为啮角；λ为矸石与破碎机颚板间的摩擦系数，一般取0.3～0.4。

2.1.3 动颚行程

动颚行程与矸石破碎及筛选密切相关，计算公式和约束条件如下[11]

s=η1B

(4)

s≤η2bmin

(5)

式中，s为鄂式破碎机动鄂行程，m；B为鄂式破碎机进料口宽度，m；bmin为鄂式破碎机排料口最小宽度，m；η1,η2为经验系数，η1取0.054，η2取0.3～0.4。

2.1.4 偏心轮转速

鄂式破碎机偏心轴的转速对提高破碎机的生产能力起着重要作用，具体计算公式如下[12]

(6)

式中，n1为偏心轮转速，r/min；s为动颚行程，m；α为啮角；μ为转速系数，取665。

2.1.5 破碎机生产能力

颚式破碎机理论生产能力的计算公式如下[12]

(7)

式中，Q1为颚式破碎机的理论生产能力；b为颚式破碎机出料口宽度，m；f为松散系数，0.6～0.8。

颚式破碎机的实际生产能力尚未得到统一的计算方法，一般采用经验公式计算，如下所示[12]

(8)

2.2 锤式破碎机参数

2.2.1 转子的直径和长度

目前，转子的直径和长度还未得到统一的计算方法，一般采用经验公式计算，如下所示[13]

D=ξ3bmax

(9)

L2=ξ4D

(10)

式中，D为转子直径，m；L2为转子长度，m；ξ3和ξ4为经验系数，ξ3取1.2～3，ξ4取0.7～1.8。

2.2.2 转子的转速

转子的转速计算公式如下[6]

(11)

(12)

式中，v为转子的线速度，m/s；gn为加速度，m/s2;n2为转子的转速，r/min；ρ为矸石的堆积密度，kg/m3；σ为矸石的抗压强度，Pa；E为矸石的弹性模量，Pa。

2.2.3 破碎机生产能力

锤式破碎机的生产能力计算公式如下[6]

(13)

式中，k3、k4为破碎系数，k3一般取0.5～1，k4一般取10～12；i2为破碎比，一般取5.6。

3 矸石充填

3.1 充填系统及工艺

矸石投放是矸石充填的关键工序，与矸石的充填效果密切相关。在众多投放方式中，垂直投放的相对效率较高、运营成本较低，具有绿色投放的优点，因此，在矸石充填设计和施工中，普遍采用垂直投放的方式将矸石从地面的矸石仓投放到井下需要填充的采空区。矸石充填系统包括矸石地面运输和井下充填2个部分，如图2所示。地面矸石仓中的矸石通过1号及2号带式输送机输送至矸石破碎站，在矸石破碎站采用颚式破碎机对矸石进行粗碎及筛选，采用锤式破碎机对矸石进行细碎及筛选。破碎筛选符合充填要求的矸石物料通过3号皮带输送机运往矸石投放站，再通过投放井将矸石物料投放至井下的矸石物料储存仓，矸石物料储存仓中的矸石材料再通过井下运输巷道运至各个采空区进行充填。

图2 矸石充填系统Fig.2 Gangue filling system

3.2 充填参数设定

3.2.1 矸石投放速度

矸石投放速度是指矸石从地面破碎筛分站投放到井下储料仓的下落速度，矸石投放速度在矸石的充填中起着关键性作用。矸石投放速度的计算如公式(14)所示[6]，通过Matlab求解该微分方程，即可得到矸石下落速度v1。

(14)

式中，v1为投放井中气流速度，m/s；v2为矸石投放的下落速度，m/s；ρ1为矸石密度，kg/m3；a为矸石运动加速度，m/s2；d为矸石粒径，mm；g为重力加速度，取9.8 m/s2；ρ2为投放井中空气密度，取1.29 kg/m3；τ为矸石投放管之间的空隙阻力系数，取0.3。

3.2.2 投放管管径

矸石投放管的管径目前未能得到统一的计算公式，一般采用经验公式计算，如下所示[6]

(15)

3.2.3 冲击力

矸石材料通过投放井垂直投放到井下储料仓时具有较高的速度，为了避免落下的矸石损坏储料仓，必须在井下设置缓冲器。矸石落到缓冲器上所产生的冲击力通过公式(16)进行计算[6]

(16)

式中，F为矸石落到缓冲器上所产生的冲击力，N；m为单块矸石的最大质量，kg；t为矸石与缓冲器接触的时间，s。

4 结论

在煤矿开采过程中会形成采空区并产生大量的矸石固体排放物，如果不及时处理井下的采空区以及堆积在矿区的矸石排放物，则极可能造成矿区地表大面积沉陷以及矸石污染环境的问题。针对这一现状，采用矸石作为充填材料充填煤矿井下的采空区，不仅有效避免了煤矿开采活动引发的地表沉降问题，而且解决了大量矸石堆积造成的矿区环境污染问题，实现了煤矿矸石固体排放物的绿色应用。本文设计开发了由矸石井下运输、矸石地面破碎以及矸石充填构成的绿色充填系统，并对运输工艺流程、破碎工艺参数及充填重要参数进行了详细分析，可为今后相似条件下矸石充填案例提供参考。