李 超，周 揚(yáng)

（1.神華國(guó)能（神華電力）集團(tuán) 大南湖二號(hào)露天煤礦，新疆 哈密 839000；2.大地工程開發(fā)（集團(tuán)）有限公司，北京 100102）

目前電廠灰（粉煤灰）、渣（爐底灰），除少部分可被綜合利用以外，大部分需要單獨(dú)排放，單獨(dú)排放的缺陷首先是費(fèi)用較大，其次是灰渣中的可溶鹽析出后，以及灰渣飛塵對(duì)周圍的污染較大，為了消除此環(huán)境影響，還需要額外花費(fèi)治理費(fèi)用。我國(guó)僅在2000年燃煤電廠灰渣排放量就達(dá)1.6 億t，占地已達(dá)3 萬(wàn)hm3以上。如果將我國(guó)地下貯煤全部開采并燃燒后，仍由此方法排放，對(duì)環(huán)境的污染將不堪設(shè)想[1]。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了在“煤電一體化”模式下，將電廠灰渣排棄至配套露天礦的排土場(chǎng)，一方面節(jié)約土地資源，另一方面利用灰渣回填已開采露天礦坑，實(shí)現(xiàn)礦坑恢復(fù)治理。

以大南湖二號(hào)露天煤礦為例，將花園電廠和大南湖電廠的灰渣排棄至大南湖二礦內(nèi)排土場(chǎng)中，來(lái)解決灰渣單獨(dú)排棄的占地費(fèi)用問(wèn)題以及對(duì)環(huán)境的影響問(wèn)題。而灰渣由礦外電廠運(yùn)至采掘場(chǎng)內(nèi)，經(jīng)常與礦內(nèi)作業(yè)設(shè)備交叉運(yùn)行，存在影響露天礦正常生產(chǎn)、作業(yè)安全及運(yùn)營(yíng)管理的不利因素，因此，研究灰渣在礦坑內(nèi)排棄的運(yùn)輸系統(tǒng)，減少對(duì)露天礦正常作業(yè)的影響顯得尤為必要。

1 灰渣運(yùn)輸方案確定的主要影響因素

1）排棄位置。在采掘場(chǎng)內(nèi)排時(shí)，各個(gè)排土水平為松散物料堆砌，有可能會(huì)發(fā)生不規(guī)則沉降的現(xiàn)象，根據(jù)貯灰場(chǎng)的防滲要求，選擇在滿足承載力要求的地基上，以避免地基下沉的影響，特別是不均勻或局部下沉的影響[2]。因此，將貯灰場(chǎng)設(shè)置在采掘場(chǎng)坑底位置，以保證基底穩(wěn)定。

2）排棄規(guī)模。2018 年花園電廠實(shí)際排棄灰渣總量1.69 Mt，折算滿負(fù)荷情況下年排棄灰渣量2.50 Mt，2018 年大南湖電廠實(shí)際排棄灰渣總量0.40 Mt，折算滿負(fù)荷情況下年排棄灰渣量0.45 Mt，考慮一定灰渣運(yùn)輸富余量，灰渣運(yùn)輸量按3.0 Mt/a 進(jìn)行計(jì)算。

3）灰渣特性。粉煤灰是一種火山灰質(zhì)材料，來(lái)源于煤中無(wú)機(jī)組分，而煤中無(wú)機(jī)組分以黏土礦物為主，另外有少量黃鐵礦、方解石、石英等礦物。因此粉煤灰化學(xué)成分以二氧化硅和三氧化二鋁為主（氧化硅含量在48%左右，氧化鋁含量在27%左右），其他成分以二氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉、三氧化硫及未然盡有機(jī)質(zhì)（燒失量）[3]。通過(guò)對(duì)灰渣的分析，花園電廠和大南湖電廠產(chǎn)生的灰渣中含有的CaO、SO3等化學(xué)成分，以及砷（As）、氟（F）、汞（Hg）、Cr（鉻）等有害元素，滲水后使地下水產(chǎn)生不同程度的污染，比較明顯的是pH 值升高、有毒有害的鉻、砷等元素增加[4]。因此，在灰渣的運(yùn)輸和排棄過(guò)程中應(yīng)當(dāng)充分考慮對(duì)周邊環(huán)境的影響，做好相應(yīng)的防護(hù)措施。

4）露天煤礦采排工藝。大南湖二號(hào)露天煤礦采剝工程采用單斗－卡車的開采工藝，設(shè)備水平為4.5 m3液壓挖掘機(jī)與60 t 自卸卡車。根據(jù)目前大南湖二號(hào)露天煤礦的工程發(fā)展，預(yù)計(jì)2020 年年末將滿足開始內(nèi)排的條件。屆時(shí)，便可將灰渣運(yùn)輸至內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)行排棄。

2 灰渣運(yùn)輸系統(tǒng)的選擇原則和運(yùn)輸方案

運(yùn)輸系統(tǒng)的選擇原則為：①工藝系統(tǒng)盡可能簡(jiǎn)單化，便于生產(chǎn)管理；②在滿足環(huán)保要求的前提下，經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)；③設(shè)備規(guī)格盡量大型化、通用化、系列化[5]；④滿足與露天礦排棄物料進(jìn)行混合排棄的要求；⑤結(jié)合灰渣物料性質(zhì)，充分考慮灰渣對(duì)周圍環(huán)境的影響。

大南湖二礦采用露天開采方式，每年有大量的剝離固體廢物需要排棄，目前排至外排土場(chǎng)，隨著采掘場(chǎng)工作幫推進(jìn)降深至深部境界，將具備內(nèi)排條件且釋放較大的內(nèi)排空間，內(nèi)排空間上具備排棄電廠灰渣的條件。

電廠擬在露天礦采掘場(chǎng)東北角與排土場(chǎng)西北角相交處建設(shè)2 座φ12 m 鋼筋混凝土圓筒倉(cāng)，單倉(cāng)儲(chǔ)量為1 000 t，可以緩存帶式輸送機(jī)2 h 運(yùn)量。電廠灰渣通過(guò)帶式輸送機(jī)將灰渣運(yùn)至該灰渣倉(cāng)。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，設(shè)備的不斷更新，用于電廠灰渣的運(yùn)輸方式也變得多種多樣，目前灰場(chǎng)的輸送方式有卡車運(yùn)輸、帶式輸送機(jī)輸送（管狀和槽型）、氣力管道輸送、水力輸送等。

2.1 方案1—汽車運(yùn)輸方式

1）方案1 輸送方式概述及工藝布置?；覀}(cāng)中的物料，通過(guò)倉(cāng)下設(shè)置的給料機(jī)，輸送至倉(cāng)下的40 m3運(yùn)灰汽車，操作工人在倉(cāng)下操作室進(jìn)行裝車操作。裝滿后，裝載灰渣的汽車，經(jīng)由采掘場(chǎng)中的運(yùn)輸?shù)缆?，運(yùn)輸至采掘場(chǎng)坑底，進(jìn)行排棄。

2）方案1 優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)動(dòng)靈活，適應(yīng)復(fù)雜地形；②初期投資低；③便于管理。

3）方案1 缺點(diǎn)：①在運(yùn)輸過(guò)程中易產(chǎn)生揚(yáng)塵；②運(yùn)輸距離不宜過(guò)長(zhǎng)；③一次運(yùn)量少。

2.2 方案2—普通帶式輸送機(jī)輸送方式

1）方案2 輸送方式概述及工藝布置。方案2 的工藝流程為灰渣進(jìn)入電廠灰倉(cāng)存儲(chǔ)后，由電廠灰倉(cāng)的電機(jī)攪拌式給料機(jī)將灰渣送至帶式輸送機(jī)，輸送機(jī)能力為1 000 t/h?；以?jīng)布置于采掘場(chǎng)北端幫的帶式輸送機(jī)運(yùn)輸，最后卸載至內(nèi)排土場(chǎng)中的貯灰場(chǎng)。

2）方案2 優(yōu)點(diǎn)：①保證連續(xù)工作，運(yùn)輸能力大；②易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率[6]。

3）方案2 缺點(diǎn)：①帶式輸送機(jī)最大允許傾角小，所需布設(shè)膠帶較長(zhǎng)；②帶式輸送機(jī)移設(shè)較為困難；③每年需投入較多人力對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢修，運(yùn)營(yíng)成本較大。

2.3 方案3—管狀帶式輸送機(jī)輸送方式

1）方案3 輸送方式概述及工藝布置。工藝流程為灰渣進(jìn)入電廠灰倉(cāng)存儲(chǔ)后，由電廠灰倉(cāng)的電機(jī)攪拌式給料機(jī)將灰渣送至1 000/h 的管狀帶式輸送機(jī)?；以?jīng)布置于采掘場(chǎng)北端幫的管狀帶式輸送機(jī)運(yùn)輸，最后卸至距坑底20 m 高時(shí)，脫離管帶機(jī)，由卸料斗經(jīng)軟管落至內(nèi)排土場(chǎng)貯灰場(chǎng)。

2）方案3 優(yōu)點(diǎn)：①運(yùn)營(yíng)管理模式相對(duì)成熟；②傳送帶輸送方式對(duì)物料輸送最大傾角可達(dá)30°，特別適合于陡峭復(fù)雜地形的運(yùn)輸線路布置，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，對(duì)于地形的適應(yīng)性極強(qiáng)；③管帶機(jī)除進(jìn)料出料端為開放式外，輸送過(guò)程為密閉輸送，可省去建廊道的費(fèi)用，并能有效的防止所輸送物料遭受雨水或風(fēng)吹，從而減小運(yùn)送物料過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響；④管帶機(jī)輸送過(guò)程密閉，對(duì)于輸送的粉煤灰受氣候風(fēng)力等影響從而污染環(huán)境的現(xiàn)象有很大改善。

3）方案3 缺點(diǎn)：①每年需投入較多人力對(duì)設(shè)備維護(hù)檢修，運(yùn)營(yíng)成本較大；②考慮到隨著內(nèi)排土場(chǎng)的推進(jìn)，輸送機(jī)需要定期移設(shè)，移設(shè)困難。

2.4 方案4—?dú)饬艿垒斔头绞?/h3>

1）方案4 輸送方式概述及工藝布置。氣力輸送系統(tǒng)根據(jù)工作原理可分為吸送式氣力輸送系統(tǒng)、壓送式氣力輸送系統(tǒng)、混合式氣力輸送系統(tǒng)3 種類型。吸送式氣力輸送系統(tǒng)，是通過(guò)使輸送裝置處于負(fù)壓狀態(tài)，將物料吸到料倉(cāng)，可提升一定的高度和一定的運(yùn)輸距離，該系統(tǒng)可有效降低粉塵對(duì)環(huán)境的污染，減少物料和粉塵外溢飛揚(yáng)，適用于物料的集中運(yùn)輸，以及大面積堆積或深處存放的物料運(yùn)輸。在現(xiàn)有技術(shù)下，壓送式系統(tǒng)技術(shù)成熟、工程實(shí)踐多，輸送效率較高、不會(huì)受運(yùn)輸條件變化而變化。電廠灰渣由電廠爐渣、粉煤灰和石膏組成，其比例為1∶9∶1，由于灰渣粒度不均，灰渣內(nèi)排初期輸送高差－147 m，輸送距離為600 m，隨著露天礦排土場(chǎng)工作幫推進(jìn)，輸送機(jī)逐漸增加，按照灰渣特性和輸送距離，適宜選用中相氣力輸送。由于電廠來(lái)灰系統(tǒng)輸灰能力為1 000 t/h，而單套氣力輸送系統(tǒng)目前的輸送能力一般不超過(guò)300 t/h，需設(shè)置3 套氣力輸送系統(tǒng)方能滿足輸灰需要，具體工藝流程為在電廠灰渣倉(cāng)下安裝碎渣機(jī)，將灰渣中塊狀物料破碎至粗灰級(jí)粒度，卸載至緩沖倉(cāng)，再由輸送泵通過(guò)輸送管道輸送至貯灰場(chǎng)內(nèi)的卸灰倉(cāng)，管道輸送最大壓力0.25 MPa。

2）方案4 優(yōu)點(diǎn)：①為封閉的管道輸送可最大限度地避免灰塵外逸，利于保護(hù)環(huán)境；②較少的運(yùn)動(dòng)部件降低了維護(hù)工程量；主要適用于相對(duì)固定的輸送終點(diǎn)。

3）方案4 缺點(diǎn)：①輸送能力小，1 套系統(tǒng)無(wú)法滿足灰渣輸送要求；②灰渣中含有石子煤及塊狀膠結(jié)爐渣，輸送管道易堵塞；③貯灰場(chǎng)地隨著露天礦排土工程及時(shí)移設(shè)，造成氣力輸灰系統(tǒng)移設(shè)及改造頻繁，并對(duì)露天礦生產(chǎn)影響大；④灰渣輸送投資高，成本高。

2.5 方案5—水力輸送方式

1）方案5 輸送方式概述及工藝布置。管道水力輸送是一種以液體通常為水為載體通過(guò)封閉管道輸送固體物料的輸送方式[7]，具有占地少，無(wú)污染，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛用于冶金礦山的尾礦、精礦，煤炭行業(yè)洗選工藝，電廠的灰渣等細(xì)顆粒的輸送上，另外在化工、水利和環(huán)保等眾多工業(yè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。將灰渣破碎至適合管道運(yùn)輸?shù)牧６?，加水混合成一定濃度的物料。然后用泵將混合物料輸入管道，完成輸送過(guò)程。管道露天架設(shè)在露天礦首采區(qū)南端幫。當(dāng)運(yùn)輸距離較大時(shí)，需要根據(jù)泵的能力設(shè)置多個(gè)接力泵站，防止管道壓力不足。漿料到目的地后，進(jìn)行脫水、干燥，使物料達(dá)到合用的濕度，污水處理后循環(huán)利用。

2）方案5 優(yōu)點(diǎn)：①?gòu)牡乇礓佋O(shè)1 條到坑底的排棄管道，基建工程量少，投資少；②灰渣與水混合排棄，排棄過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，不污染環(huán)境。

3）方案5 缺點(diǎn)：①由于將灰渣與水混合，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需要大量的水資源，水資源需求量過(guò)大；②由于灰渣與水混合向坑底排棄，坑底做防滲漏處理，需要排出坑底析出水量才能進(jìn)行正常的排棄作業(yè)，同時(shí)需對(duì)排出水進(jìn)行無(wú)害化處理；③水灰配比控制難度大，受季節(jié)影響大，在運(yùn)行過(guò)程中可能存在管道堵塞現(xiàn)象，同樣也會(huì)導(dǎo)致排棄工作不能進(jìn)行。

2.6 方案比較

由于貯灰場(chǎng)地隨著露天礦排土工程及時(shí)移設(shè)，灰渣的排棄位置是跟隨采掘場(chǎng)的向前推進(jìn)而不斷變化的。因此，排灰設(shè)施的位置也會(huì)隨之不斷改變。這會(huì)對(duì)灰渣內(nèi)排工藝的選擇產(chǎn)生一定的影響。

根據(jù)上述對(duì)各個(gè)運(yùn)輸方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較，考慮到對(duì)灰渣運(yùn)輸對(duì)周邊環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)：方案2 與方案3 相比，方案3 更具有優(yōu)勢(shì)，對(duì)環(huán)境的影響更小，而方案5 的水力輸送，對(duì)地下水環(huán)境的影響較大。因此，從技術(shù)角度考慮，方案1、方案3、方案4 更為可行。對(duì)該3 種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，各方案投資及成本比較見(jiàn)表1。

表1 各方案投資及成本比較

由表1 可知，方案1 的投資為5 000 萬(wàn)元，相比于方案3 的7 872 萬(wàn)元與方案4 的8 874 萬(wàn)元，方案1 的投資有明顯的優(yōu)勢(shì)；在年運(yùn)營(yíng)成本方面，方案1 的運(yùn)營(yíng)成本為1 557 萬(wàn)元，也優(yōu)于方案3 與方案4。雖然方案1 可能對(duì)周邊的環(huán)境造成的影響略大于方案3 與方案4，但是，只要強(qiáng)化運(yùn)行管理，采用環(huán)保型設(shè)備，這些問(wèn)題都是可以解決的[8]。

綜上所述，對(duì)各方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)合大南湖二號(hào)露天煤礦的生產(chǎn)實(shí)際情況，推薦汽車運(yùn)輸方案作為灰渣排棄的運(yùn)輸方案。方案的工藝流程為灰渣進(jìn)入電廠灰倉(cāng)存儲(chǔ)后，由電廠灰倉(cāng)直接裝至運(yùn)灰汽車，運(yùn)灰汽車通過(guò)端幫固定坑線→采掘場(chǎng)工作幫移動(dòng)坑線→內(nèi)排土場(chǎng)移動(dòng)坑線運(yùn)至內(nèi)排土場(chǎng)貯灰場(chǎng)堆放。

3 結(jié)語(yǔ)

以“煤電一體化”模式下的大南湖二礦及配套電廠為例，對(duì)電廠灰渣排棄至露天礦內(nèi)排土場(chǎng)的灰渣運(yùn)輸方法從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行分析研究，最終確定灰渣運(yùn)輸采用汽車運(yùn)輸?shù)姆绞?。所選擇的排棄工藝與露天礦剝采工藝相匹配，不會(huì)對(duì)露天礦的生產(chǎn)造成較大影響，工藝簡(jiǎn)單化，便于生產(chǎn)管理，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理。電廠灰渣排棄至內(nèi)排土場(chǎng)對(duì)集約利用土地資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義，為我國(guó)“煤電一體化”模式下煤礦和電廠的深度融合提供了有價(jià)值的參考。