郎 軍，辛學銘，郝金剛

(1.中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州221116；2.國家煤加工與潔凈化工程技術研究中心，江蘇 徐州221116；3.內蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯017000)

煤炭是我國資源最豐富的化石能源，而煤電是我國最主要的電力來源。2015年我國發(fā)電總量為56 045億kW·h，其中火電40 972億kW·h，占73.1%[1]。隨著煤炭和電力市場化改革的推進，實施煤電聯(lián)營可以促進煤炭和煤電行業(yè)協(xié)調健康發(fā)展。根據(jù)國家發(fā)展煤電一體化項目的總體思路規(guī)劃，我國的煤電聯(lián)營模式主要有六種[2]，內蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責任公司(以下簡稱酸刺溝煤礦)與內蒙古京泰發(fā)電有限責任公司(以下簡稱京泰電廠)的煤電聯(lián)營模式屬于煤炭電力企業(yè)互相摻股模式[2]，煤炭和電力企業(yè)各自負責自己擅長的領域，有利于安全生產和提高煤炭生產效率，提高電力在目標市場的競爭力，真正實現(xiàn)優(yōu)勢互補，合作共贏。

1 酸刺溝煤礦和京泰電廠簡介

酸刺溝煤礦和京泰電廠地處內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗，由內蒙古伊泰煤炭股份有限公司、北京京能熱電股份有限公司、山西粵電能源有限公司共同出資組建。

酸刺溝煤礦礦井井田面積為49.8 km2，可采儲量為10.97億t，設計能力為12 Mt/a，服務年限為70 a，配套建設入選能力為12 Mt/a的選煤廠和26.8 km的運煤鐵路專線，于2008年8月建成投產。

京泰電廠項目裝機容量為2×300 MW，采用循環(huán)流化床發(fā)電機組，屬于國家發(fā)改委《產業(yè)結構調整指導目錄(2005)年本》中鼓勵類的建設項目，電廠距酸刺溝煤礦僅500 m，燃用酸刺溝煤礦生產的原煤、煤矸石和選煤廠生產的煤泥等，變廢為寶，有利于改善地方環(huán)境；京泰電廠項目采用空冷技術并充分利用周邊煤礦的疏干水為生產水源，符合國家發(fā)展循環(huán)經濟，延伸產業(yè)鏈的要求。電廠于2010年投產發(fā)電，集井口電站、煤矸石綜合利用、煤電聯(lián)營優(yōu)勢于一體，是典型的循環(huán)經濟型項目。

2 煤-電企業(yè)互補性分析及循環(huán)利用模式的構建

2.1 京泰電廠燃煤來源

京泰電廠屬于煤矸石電廠，燃用煤直接來自酸刺溝煤礦單一煤源，運輸成本低，燃煤組成包括礦井原煤、濕煤泥、干煤泥、煤矸石、篩末煤，其中以原煤、煤泥、煤矸石按比例摻混使用為主。京泰電廠燃用煤熱值要求在7.17～9.57 MJ/kg之間，濕煤泥需經過露天晾干后水分控制在<18%，即可與原煤摻混使用；篩末煤主要用于應急使用。京泰電廠燃煤煤質組成情況見表1。

由表1可知，濕煤泥水分在23%～28%之間，水分偏高，不能直接摻燒，需進一步晾干；干煤泥熱值為7.65～9.57 MJ/kg，可以直接作為電廠燃煤使用，然而單獨使用時，會造成車間揚塵較大；煤矸石的熱值為2.87～3.83 MJ/kg，熱值偏低；故京泰電廠的燃用煤一般是以原煤、濕煤泥、干煤泥、煤矸石按比例摻混使用為主。

京泰電廠每年摻燒濕煤泥約40萬t、干煤泥約60萬t、煤矸石約90萬t，符合《煤矸石綜合利用管理辦法》(2014修訂版)指導要求[3]。該廠有效防止煤泥污染環(huán)境的同時，煤矸石得到了綜合利用，變廢為寶，為地區(qū)發(fā)展、環(huán)保等作出了貢獻。

表1 京泰電廠燃煤煤質組成

2.2 京泰電廠使用井下疏干水

礦井疏干水主要是由于在礦床開采過程中破壞了地下水原始賦存狀態(tài)并產生了裂隙，使各含水層之間的聯(lián)系變得密切，大氣降水、地表水、地下水、巖溶水和生活用水等沿著原有的和新的裂隙滲入至井下采掘空間形成的[4-5]。在采煤過程中，疏干水?；烊肽嗌愁w粒、粉塵、溶解鹽、酸和堿、煤炭顆粒、油脂等多種污染物[6]，未經處理的疏干水無法達到電廠工業(yè)用水水質要求。

酸刺溝煤礦新建適用于京泰電廠2×300 MW機組的礦井疏干水凈化車間。疏干水經過處理后，產水水質連續(xù)穩(wěn)定，完全能夠達到電廠用水水質要求。2018年1月27日對經過處理后的疏干水進行采樣，化驗結果見表2。

表2 處理后疏干水化驗結果

注：執(zhí)行標準為綜合電力設計、污水再利用及廠內現(xiàn)有設備進水要求。

由表2可知，經過處理后的疏干水主要化驗指標均在京泰電廠的標準值要求之內，可以作為電廠的生產工業(yè)用水。

京泰電廠將處理后的礦井疏干水作為工業(yè)用水，不僅節(jié)省了大量地下水資源，而且煤礦采煤產生的廢水得到了有效利用。2017年酸刺溝煤礦供給京泰電廠40萬m3疏干水，井下工業(yè)廢水實現(xiàn)零排放，具有顯著的經濟效益和社會效益。

2.3 井口電廠粉煤灰在煤礦的應用

2.3.1 粉煤灰注漿法治理采空區(qū)防滅火

酸刺溝煤礦井田含煤地層為石炭系太原組和二迭系下統(tǒng)山西組，可采煤層五層，分別為4、5、6上、6、9號煤層。煤質屬于低中灰-中高灰，特低硫-低中硫、低磷、中-高熱值的長焰煤。煤的變質程度低，變質階段為煙煤Ⅰ階段，揮發(fā)份高，絲炭含量高，吸氧性強，且含有黃鐵礦結核或薄膜，開采煤層易發(fā)生自燃。

預防性灌漿是防止采空區(qū)自燃發(fā)火最有成效、應用最為廣泛的措施之一，對膠結頂板、防塵、降溫都有較好的效果。預防性灌漿的作用一是隔氧，二是散熱。漿液流入采空區(qū)后，固體物沉淀，并充填于浮煤縫隙之間，包裹浮煤，使其與空氣隔絕，防止氧化[7]。而漿水所到之處，增加了煤的外在水分，抑制了煤的自燃氧化進程，同時對已經自熱的煤炭有冷卻散熱作用。

酸刺溝煤礦選擇復合膠體防滅火技術[8-9]，建立注膠灌漿防滅火系統(tǒng)，針對不同情況的煤層自燃進行快速撲滅?！皬秃夏z體”由凝膠劑(FCJ12)、粉煤灰和水按比例(1∶3或2∶3)混合而成。粉煤灰作為主要充填物，起到充填浮煤空隙，包裹煤體，隔絕煤氧接觸，阻隔火勢的發(fā)展和蔓延，并有利于再生頂板的形成。

京泰電廠粉煤灰在酸刺溝煤礦是主要的、效果最好的，且最廉價的防滅火材料。2013—2017年酸刺溝煤礦采空區(qū)防滅火項目共計利用京泰電廠粉煤灰188 770 m3。煤礦降低采空區(qū)滅火成本的同時，電廠發(fā)電產生的廢渣也得到了有效利用，具有良好的經濟和社會效益。

2.3.2 粉煤灰注漿法治理煤矸石山自燃

煤矸石是煤礦開采和洗選過程中產生的固體廢棄物，是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量低、比煤堅硬的黑灰色巖石[10]。伴隨著采掘機械化的發(fā)展和煤層開采條件的逐漸惡化，煤礦多年開采之后，排出的矸石堆積如山，不但造成環(huán)境污染，而且極易發(fā)生自燃，給煤礦生產和礦區(qū)居民的人身安全造成了極大危害。治理自燃煤矸石山已成為酸刺溝煤礦環(huán)境治理的一項重點工作。

注漿法滅火是矸石山滅火的主要方法之一，其最大的優(yōu)點是使煤矸石迅速降溫，也有較好的堵漏、隔氧效果，消除了“煙囪效應”。酸刺溝煤礦自2017年5月開始，通過創(chuàng)新的注漿工藝，充分利用京泰電廠的廢棄粉煤灰配比成漿液進行注漿滅火，以廢制廢。

注漿系統(tǒng)主要由制漿系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、泥漿泵、輸漿管道組成，制漿機把粉煤灰制成符合要求的漿液，經泥漿泵加壓后，通過輸漿管道使?jié){液平穩(wěn)注入矸石山內部。注漿系統(tǒng)結構示意如圖1所示。

圖1 注漿系統(tǒng)結構示意圖

粉煤灰與水泥按5 ∶1配置為漿液后，具有內聚粘結力強、包裹力強、結石率高等優(yōu)點，漿液進入注漿層后可以包裹煤矸石，封堵漏風通道，從而起到降溫隔氧的作用，達到滅火的目的。氧化區(qū)域灌注粉煤灰漿材料覆蓋示意如圖2所示。

圖2 氧化區(qū)域灌注粉煤灰漿材料覆蓋示意圖

通過粉煤灰注漿法對酸刺溝煤礦矸石山滅火的治理，有效封堵了矸石山內部漏風通道。2017年矸石山防滅火治理注漿使用京泰電廠粉煤灰共計3 039 m3，注漿前后矸石山區(qū)域氣體檢測結果對比見表3。

表3 注漿前后矸石山區(qū)域氣體檢測結果對比

由表3可知，煤矸石山經過注漿滅火后，矸石山區(qū)域環(huán)境得到了很大改善，有害氣體濃度顯著降低。另外，煤礦在矸石山上覆土厚1 m，將其整治為農田，既增加了農作物的成活率，也降低了綠化成本。此舉措不僅響應了國家對綠色礦山建設、固體廢棄物處理等方面的鼓勵與支持政策，還對礦區(qū)環(huán)境保護作出了一定貢獻。

3 結語

經過近年來的探索和實踐，伊泰集團酸刺溝煤礦與京泰電廠在煤電聯(lián)營的合作模式下取得了良好的經濟效益和社會效益。兩企業(yè)之間通過生產環(huán)節(jié)的聯(lián)系和合作，既解決了雙方相關產品綜合利用的問題，又有效地降低了各自的生產成本，而且在此過程中減少了因工業(yè)企業(yè)生產對環(huán)境的惡劣影響。此模式的創(chuàng)建和延伸，在煤電企業(yè)經營管理方面為工業(yè)產品資源整合和有效利用，建立了新的參考思路；在環(huán)境保護方面為資源綜合利用、固體廢棄物、污水排放，采空區(qū)、地面矸石防滅火等提供了新的解決方案，而且在煤炭資源富足的能源新城鄂爾多斯地區(qū)具有較為廣泛的借鑒意義。