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        地面煤矸石存儲及輸送工藝研究

        2023-11-15 03:12:20邢世坤
        煤炭與化工 2023年9期

        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(huán)保治理已經(jīng)列為政府環(huán)境整治的重點任務(wù),為此國家和地方發(fā)布了系列法律法規(guī),強化矸石山環(huán)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(shù)應(yīng)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(chǎn)能力的提升,現(xiàn)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(tǒng),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(tài)環(huán)境影響[6-7]。

        我國煤礦矸石充填開采大多數(shù)仍采用由井下運輸充填方式,充填開采效率低、產(chǎn)量不大,同時極少數(shù)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(shù)的發(fā)展,地面矸石充填技術(shù)成為處理矸石及矸石充填開采的重要必然方向,但國內(nèi)外過地面矸石充填站儲存及運載矸石技術(shù)發(fā)展尚未成熟,還沒有相似的經(jīng)驗可以借鑒,對煤礦充填開采的發(fā)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(jīng)投料孔投入井下,與井下矸石一起經(jīng)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(qū),由充填液壓支架推壓密實機構(gòu)進行推壓密實,系統(tǒng)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(tǒng)、工作面回填系統(tǒng)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(jù)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(qū)規(guī)劃區(qū)域之內(nèi),為減少對周邊環(huán)境的影響,迎合市政規(guī)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(tǒng)功能的通暢性。在滿足充填系統(tǒng)要求,且不影響整體布局的前提下,設(shè)計對地面工藝總布置進行了多方案比選優(yōu)化,以使總平面布置達到系統(tǒng)簡潔、運輸順暢、規(guī)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(jié)構(gòu)棚化車間(45 m×39 m),車間內(nèi)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(cè)卸矸石入倉儲存,倉內(nèi)矸石經(jīng)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(jié)構(gòu)棚化車間和淺倉存儲方式。地面設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)棚化車間(28 m×25 m),車間內(nèi)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(jīng)鋼梁從儲倉上面通行,在倉口上方自卸汽車后卸或側(cè)卸矸石入倉儲存,倉內(nèi)矸石經(jīng)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(shè)計采用半地下式堆場儲存矸石。矸石堆場外圍護鋼結(jié)構(gòu)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(xié)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(jīng)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(yōu)缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different schemes

        1.3 主要生產(chǎn)單元工藝布置

        1.3.1 汽車卸載點

        場區(qū)中央沿淺倉邊緣均可卸車,自卸汽車進入卸載區(qū)域后可根據(jù)需要將矸石自行卸入任意倉內(nèi),每個倉下均設(shè)有給料機,用于將倉內(nèi)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?cè)萘? 620 m3,滿足1 d需要充填矸石1 500 m3的生產(chǎn)要求。

        1.3.3 投料運輸系統(tǒng)

        在倉下設(shè)有一條通向井下投料孔的帶式輸送機,倉內(nèi)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(shè)計充填站尺寸為45 m×39 m,外圍護全部采用封閉式結(jié)構(gòu),在維護墻中采取隔噪措施,將生產(chǎn)中的噪音和揚塵與外部環(huán)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(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng),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(xiàn)連續(xù)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(qū)動系統(tǒng)帶動固體充填料投放系統(tǒng)運轉(zhuǎn),投放系統(tǒng)由若干個托盤組成,矸石在托盤上通過驅(qū)動系統(tǒng)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(huán)運輸。該方法可現(xiàn)實固體充填料的高效輸送,其主要優(yōu)點為可適應(yīng)不同投料粒徑的需求,保證原始充填料的粒徑;井壁結(jié)構(gòu)簡單,充填井不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。但該方法投料系統(tǒng)復(fù)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)多年升級改造,其生產(chǎn)能力由原設(shè)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(tǒng)簡單可靠的原則,此次設(shè)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(guān)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(jīng)濟成本[10]。根據(jù)單位時間內(nèi)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(chǎn)能力取60 萬t;t 為日有效投料時間,取7 h。

        經(jīng)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(wěn)定系數(shù)。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(shù),取1.2;ρ 為投料孔中固體料平均密度,取1.6 t/m3。

        經(jīng)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(yīng)、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(shù),取1.2;r2為粘附效應(yīng)修正系數(shù),取1.3;r3為固體料粘聚修正系數(shù),取1.3。

        經(jīng)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(nèi)所需投料量的計算投料孔內(nèi)徑應(yīng)大于等于450 mm。

        2.2.2 工程類比

        (1)郭二莊煤礦二坑。

        生產(chǎn)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(nèi)徑495 mm,服務(wù)年限6 a。

        (2)邢臺礦。

        生產(chǎn)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(nèi)徑486 mm。服務(wù)年限大于15 a。

        (3)唐山礦。

        生產(chǎn)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(nèi)徑486 mm。服務(wù)年限大于15 a。

        綜合確定該礦井投料孔內(nèi)徑為486 mm。

        2.3 投料管材質(zhì)

        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(cè)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(yīng)大于根據(jù)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(zhì)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(yīng)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?jīng)_擊壓力及摩擦力的雙重影響,其磨損量成幾何倍數(shù)增長。投料鉆孔垂直度控制在1‰以內(nèi)。

        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(nèi)的空氣原有位置不斷被投放的充填料所占據(jù),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(yīng)”,同時避免瞬時增大的氣壓對人員、設(shè)備等造成危害,設(shè)計對矸石料倉上口進行封閉并采取相應(yīng)的泄壓措施。

        根據(jù)相關(guān)研究及應(yīng)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(shè)計設(shè)置泄壓管直徑為300 mm。另外適當增加泄壓管數(shù)量可以減小封閉空間的氣壓值,改變氣流場的分布狀態(tài),設(shè)計設(shè)置泄壓管數(shù)量為2 個。

        緩沖及壓風控制系統(tǒng)示意如圖7 所示。

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

        2.6 降塵措施

        充填物料投放時,會產(chǎn)生大量粉塵,所產(chǎn)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(yè)人員健康、污染環(huán)境,因此須在泄壓管出口設(shè)置泄壓水池。一方面,泄壓水池可以實現(xiàn)水浴降塵、改善作業(yè)環(huán)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(yè)人員造成傷害。

        3 現(xiàn)場應(yīng)用

        3.1 工作面概況

        邢東礦11231 工作面位于一水平一采區(qū),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(yīng)用情況

        經(jīng)過6 個月的施工,2021 年,煤矸石存儲站及投料孔投入了使用?,F(xiàn)場應(yīng)用表明,矸石投料量可達600 t/h。2021 年6 月,工作面最高月產(chǎn)達到6萬t,創(chuàng)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(xiàn)實,進而可實現(xiàn)全礦區(qū)連續(xù)充填開采,大大提高資源利用率,將真正實現(xiàn)不遷村開采,推動礦井持續(xù)穩(wěn)定發(fā)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(huán)境的污染。在緩沖后進入矸石倉,同時布置系統(tǒng)將井下矸石匯合,通過矸石充填運輸系統(tǒng)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(jié) 論

        (1)實現(xiàn)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(nèi)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(yīng)用了大垂深(771 m)投料孔,矸石經(jīng)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(diào)節(jié)矸石速度,并經(jīng)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(huán)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(yōu)點,現(xiàn)場應(yīng)用效果良好,滿足了矸石充填的要求。

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