煤炭采选一体化绿色生产关键技术.pdf

2 0 1 3 年增刊有色金属 选矿部分 3 5 d o i 1 0 J 9 6 9 0 ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 3 ．z 1 ．0 0 9 煤炭采选一体化绿色生产关键技术 刘峰1 ，一，王娜1 ，2 1 ．北京格林匹克矿山工程技术有限公司，北京1 0 0 0 1 5 ； 2 ．北京圆之翰煤炭工程设计有限公司，北京1 0 0 0 1 5 摘要传统的煤炭生产造成严重的环境问题、能耗问题和资源浪费问题。创立煤炭采选一体化的绿色生产新模式， 研究开发高效井下选煤和选矸条带充填开采及其有机结合的关键技术，避免地面采动破坏，消除矸石山占地与污染，解决煤 矿的粉尘、噪音和水污染问题，可实现节能减排，解放煤炭资源，优化矿井生产建设的技术经济和环境指标。 关键词煤炭；采选一体化；井下选煤；充填式开采 中图分类号T D 9 8 5 ；T D 9 7文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 3 s o - 0 0 3 5 0 6 1 煤炭采选一体化绿色生产的必要性 煤炭是我国的基础能源和重要原料，在国民经 济中具有重要的战略地位。近年来，我国煤炭总产 量逐年上升，2 0 0 9 年全国煤炭生产总量达到2 9 ．1 亿t ，2 0 1 0 年煤炭产量尽管已突破了3 3 亿t ，但仍 不能满足经济快速发展的需要。因此，要促进我国 国民经济的快速增长，必须保证煤炭工业持续、稳 定、健康的发展。开发单系统能力达到2 ．0 ～6 ．0 M f f a 井下选煤成套技术与装备及建设2 ．0 6 ．0M 池 井下选煤示范工程，已经列入艨炭科技“十二 五”规戈蚣。 传统的煤炭生产造成了严重的环境问题、能耗 问题和资源浪费问题，采选一体化的煤炭绿色生产 新模式可有效解决这三方面问题。 1 ．1 有效解决矿山环境问题 1 地面采动破坏。煤矿井工开采导致严重土 地采动破坏。根据最新统计资料，我国采煤塌陷区 面积总计超过1 万k m 2 ，且新采煤塌陷区面积增加 速度较快，直接危及矿区生产和居民生活。 2 矸石山污染。由于原煤从井下运输至地面 后才进行洗选加工，形成矸石山，污染环境。原煤 平均含矸率在1 5 ％以上，矸石在地面洗选排除，堆 积成矸石山。据统计，目前全国历年累计堆放的煤 矸石约4 5 亿t ，规模较大的矸石山有16 0 0 多座， 已占用土地1 ．5 万h m 2 ，堆积量每年还以1 ．5 ～2 ．0 亿t 的速度增长。选后矸石在堆放时易产生自燃，不仅 占用大量的土地，且严重污染生态环境。 3 粉尘与噪音污染。选煤厂生产中产生的粉 尘，是煤矿主要污染源之一，尤其是选煤厂储装运 系统，导致空气中可吸人颗粒含量超标。选煤厂生 产造成的噪音污染也不容忽视，选煤厂主厂房噪音 一般不低于1 0 0d B ，原煤准备车间大于1 5 0d B ， 不仅严重影响工人的身心健康，对厂外环境也产生 较大影响。 4 煤泥水污染。选煤厂产生的煤泥水是多年 治理的老大难问题。虽然在“洗水闭路循环”方面 取得了明显的进步，但外排煤泥水造成土壤污染和 水污染的情况时有发生。 因此，将选煤系统建设在井下，选后矸石在井 下作为充填式开采的原料，可有效解决目前矿山生 产引起的地面采动破坏、矸石山污染、粉尘污染、 噪音污染和煤泥水污染等问题。 1 ．2 实现矿山生产的节能降耗 1 我国煤炭采选每年耗电约为8 0 0 亿k W h ， 平均吨煤电耗约为2 5k W h 。其中采矿电耗为1 8 k W h ，洗选加工和地面运输约为7k W h 。因此，进 行采选工艺的研究和改革，降低吨煤电耗，是煤矿 节能和提高能源利用效率的重要途径。矿井电耗 中，约3 0 ％为运输提升耗电。如果对采选工艺加以 改造，将选煤系统设在井下，约有1 5 ％。2 0 ％的矸 石不运输到地面，将减少采矿电耗约1 7 ％，减少洗 选加工和地面运输的耗电约1 8 ％，吨煤电耗可降低 4 ．2 6k W h ，则每年可节电1 3 6 亿k w h 。 2 将矸石从井下运至地面，不仅需要耗费大 收稿日期2 0 1 3 1 0 1 0 作者简介刘峰 1 9 5 7 一 ，男，安徽怀远人，研究员，主要从事选煤工艺与装备等等方面的研究。 万方数据 3 6 有色金属 选矿部分 2 0 1 3 年增刊 量的动力，而且降低矿井的实际产能。以毛煤中矸 石含量为1 5 ％计算，对于年生产能力为6 ．0M t 的 矿井而言，每年的无效运输量可达0 ．9M t ，相当于 一个中型矿井的年产量 按运费4 0 元／t 计，每年 将增加运费36 0 0 万元 。 3 大量矸石与煤一起运到地面选煤厂分选， 会增加洗选负荷，加大企业成本。不仅能耗增大， 而且水 介 耗也大大增加。尤其是矸石易泥化的 原煤进入选煤系统后，会大幅提高介耗并且加剧煤 泥水处理系统的负担，甚至造成煤泥水外排，严重 污染环境。 煤炭在开采加工中的节能潜力巨大。将选煤系 统建设到井下，可以将原煤中的矸石升井之前排 出，降低吨煤电耗，是煤矿节能和提高能源利用效 率的重要途径。 1 ．3 提高煤炭资源利用效率 “三下” 建筑物下、铁路下、水体下 压煤 及各种保护煤柱是我国煤矿老矿挖潜、新井快建中 涌现出的普遍性问题，我国有20 0 0 多个村庄压 煤，压煤量达5 0 多亿t 。矸石井下充填可用于置换 大量保护煤柱的煤炭资源，提高煤炭资源回收率， 是解决“三下”压煤问题的主要技术手段之一。矸 石充填开采主要是利用矸石对井下开采空间进行充 填，从而在保证受护体安全使用前提下采出煤炭资 源的方法。若将矸石充填于常规方法不能开采的保 护煤柱中，既处理了矸石，又采出了煤炭，相当于 “以矸换煤”，提高了资源回收率，能够取得良好的 经济效益。 采选一体化的煤炭绿色生产新模式，不仅有效 解决传统煤炭生产对环境的破坏，达到节能降耗的 效果，而且提高煤炭资源回收率，实现煤炭行业的 可持续发展。 2 煤炭采选一体化绿色生产关键技术 2 ．1 煤炭采选一体化绿色生产新模式 传统的煤炭生产模式为采煤和选煤各为独立的 系统，矸石和污染物地面排放，占用土地资源、造 成地面采动破坏及粉尘噪音与水污染。采选一体化 煤炭生产新模式，就是将采煤工艺、选煤工艺、充 填技术进行有机结合，实现煤炭生产高效、绿色、 零排放的目的。国内外尚无采选一体化生产模式和 完整的井下选煤工程实践。 2 ．2 井下选煤系统 2 ．2 ．1井下选煤工艺布置 针对实现采选一体化的目标，深入研究开采、 运输、支护工艺与选煤工艺、产品储装、矸石充填 的结合技术。结合井下原煤性质及产品的要求，制 定相应的选煤工艺流程。根据井下空间环境、巷道地 质、支护条件，提出符合井下特殊条件的布置方案。 考虑井下设备的运输、安装以及检修维护，选用满足 工艺和布置要求的设备。设备工艺布置要求做到生产 流程顺畅、设备布置紧凑，便于安装、操作和检修， 便于生产管理，切实考虑井下巷道 硐室 的特点。 2 ．2 ．2 井下选煤关键设备 1 井下用高效筛分脱水设备的研究。通过对 组合式多角度复合振动筛结构参数、动力学分析， 实现设计参数的优化。进行组合式多角度复合振动 筛的数字化与运动仿真的测试，完成组合式多角度 复合振动筛防爆及安全的评价。 2 井下用高效浓缩分级机。根据煤泥水性质， 确定井下高效浓缩分级机结构参数，建立沉降动力 学模型。优化自动排料系统，提高运行可靠性，完 成动力系统防爆及安全的评价。 3 新型链式静态脱介脱水筛。根据产品及煤 流的运量和运行方向，合理确定新型链式静态脱介 脱水筛的宽度及长度，计算并确定合介段、稀介段 长度，喷水形式及喷水量，并进行长距离脱水、介 质回收系统的整体设计。已申请专利，为国际首创。 4 大直径重介质旋流器。根据原煤处理能力， 直径为l5 0 0m m 3 ．0M t ／a 和20 0 0m m 5 ．0 M t ／a 三产品或两产品多供介重介质旋流器，见图1 。 该旋流器已获得专利，为国际首创。 图1两产品多供介重介质旋流器 20 0 0m m 2 ．3 井下选煤巷道布置及支护技术 针对井下选煤设备的空间占用情况，解决井下 选煤大宽度、大高度 断面小于50 0 0 40 0 0 、 震动荷载条件下基础变形小于1 0m m ] m 的硐室围 岩处理及支护问题。 2 ．4 井下选煤无人值守自动化系统 对井下选煤自动化系统，增加设备工况、巷道 万方数据 2 0 1 3 年增刊刘峰等煤炭采选一体化绿色生产实施方案 3 7 及基础变形、工艺指标等监测监控内容、提高监控 水平，实现全厂自动化，无人值守。 2 ．5 采空区充填或充填开采关键技术与装备 根据矸石产率，确定合理的条带宽度和充填方 法，采用实用的充填装备，实现采空区的矸石条带 充填开采，达到地面无塌陷和采动破坏的目的。 3工程实例 3 ．1 典型井下选煤工艺流程 典型的井下选煤工艺流程如图2 和图3 所示。 一 ； 陆介i ， { 警l1 割辐 超一十“P 岛心机 图2 典型井下动力煤工艺流程 3 ．21 0M 妇井下选煤系统 配矸石充填开采系统 1 矿井基本情况。某矿井现年产量为8 0 0 万t ， 放顶煤开采，立井提升，3 个开采面。现有地面选 煤厂工艺，5 0 ～3 0 0m m 动筛分选，精煤地销；1 3 5 0m m 跳汰分选，精煤做喷吹 或化工 ；一1 3m m 旁路做电煤。目前正在进行地面选煤厂改造，改造 后工艺为5 0 ．3 0 0 动筛分选，精煤地销；1 3 5 0 m m 跳汰分选，块精煤做化工原料；1 1 3m m 三产品 重介旋流器；0 ．1 5 1m mT B S 分选机；一0 ．1 5m m 浮 选。新工艺和原工艺的区别，用部分或者全部0 1 3m m 的原煤洗喷吹，1 3 。5 0m m 的出块精煤供化 工。产品多样，灵活度更大，市场适应强。 2 存在的问题。目前矿井提升能力仅为8 ．0 M t ／a ，而且地面矸石堆放污染问题比较严重。业主 破 障 - 5 C I 无压■产；旋流器分滤／ ] 想在井下建设排矸系统，矸石井下充填。提升主井 有效运输能力，使矿井生产能力达到1 0M t ／a ，同 时解决矸石外排问题，并且置换出工业广场、生活 区、铁路下面的原煤资源。 3 井下选煤厂方案。井下选煤厂设计规模 1 0 ．0M t ／a ，设计2 套重介系统及一个年产量为2M t 的充填开采工作面。选煤工艺，大直径两产品旋流 器排矸。选煤厂选址在主井口的西侧，标高5 2 0m 左右。原煤入洗粒度0 - 3 0 0m m ，采用西20 0 0m m 多供介两产品无压给料重介旋流器，脱泥人选。精 煤脱介脱水采用B 25 0 0m m 新型链式静态脱介脱 水筛 L 1 6 2i n ，脱介段L 6 0i n ，Q 14 0 0t ／h ， V 0 ．9m ／s ，a O o ，筛孔1 ．5m m ，脱介脱水后的精 煤入矿井螺旋煤仓，由主井提升至地面。矸石也采 用B 25 0 0m m 新型链式静态脱介脱水筛进行脱水 脱介 B 25 0 0m m ，L 2 7m ，p 3 5 0t ／h ，V 0 ．9 m ／s ，a 1o ，筛孔1 ．5m m ，脱介段长2 7m ，然后 去充填工作面。合介和磁选精矿回合介桶，磁选尾 矿去脱泥刮板做喷水，煤泥水由泵打到地面选煤厂 分级旋流器入料桶，进入煤泥处理系统 T B S 分选 机和浮选 。1 ．5 3 0 0m m 精煤由主井提升，灰分都 小于1 4 ％。1 3 ～3 0 0m m 利用原筛分系统分级就可 ] SS 万方数据 3 8 有色金属 选矿部分12 0 1 3 年增刊 图4 1 0M t ／a 井下选煤系统总平面 图5 1 0M t ／a 井下选煤系统巷道布置图一 重 旋 图61 0M t ／a 井下选煤系统巷道布置图二 图71 0M t ／a 井下选煤系统巷道布置图三 图81 0M t ／a 井下选煤系统巷道布置图四 以作为产品。5 0 ～3 0 0m m 块精煤地销，1 3 5 0m m 作化工用煤。1 ．5 13m m 进人主厂房重介旋流器再分 选，精煤作为喷吹煤，重产物作为中煤产品用作电煤。 T B S 分选机精煤和浮选精煤做喷吹。原煤筛分表 里 1 3m m 和一1 3m m 原煤各占约5 0 ％，所以用一1 3 m m 原煤去洗喷吹，和现有选煤厂 1 3m m 洗喷吹 产量一样。1 ．5 ～1 3m m 重介旋流器人洗量可调。 4 矸石充填。矸石由带式输送机运至充填工作 面，“以矸换煤”，替代矿井工业广场保安煤柱，或 充填村庄、铁路下面采空区。该工作面产量为2M t ／a 。 投资估算，1 0M t ／a 井下选煤系统投资估算， 巷道29 2 3 万元，设备34 4 8 万元，安装12 0 0 万 元，其他5 0 0 万元，合计80 7 1 万元。 3 ．36M t ／a 动力煤井下选煤系统 与一次采全高 系统配套 1 矿井基本情况。某矿井产量6 ．0M t ／a ，属 高含矸动力煤，煤种为高灰、低硫长焰煤。矸石含 量达到5 0 ％以上，矸石充填设计能力为3 ．0 0M t ／a 。 2 存在的问题。目前原煤入地面选煤厂洗选， 选后矸石运往矸石山堆放。由于矸石含量大，选煤 系统磨损严重，生产费用高。每年高达3 0 0 万t 的 矸石排放，目前已无矸石堆放场地，且每年矸石处 理费用高达1 亿元以上，造成严重的环境污染和社 会问题，制约煤矿的发展。 3 井下选煤厂方案介绍。如图8 所示，原煤 通过带式输送机运至井底煤仓，经分级破碎机破碎 至2 0 0m m 以下后进人井底煤仓储存，通过仓下给 煤机均匀给人带式输送机运至洗选系统洗选，洗选 系统布置在井底煤仓仓下平面。采用中20 0 0m m 多供介两产品无压重介旋流器。精煤脱介脱水采用 B 25 0 0m m 新型链式静态脱介脱水筛 L 1 6 2m ， Q I4 0 0t ／h ，V 0 ．9m ／s ，d 0 。，筛孔1 ．5m m ，脱 介段长6 0m ，脱介脱水后的精煤入矿井螺旋煤仓， 由风井提升至地面。矸石也采用B 25 0 0m m 新型 万方数据 2 0 1 3 年增刊刘峰等煤炭采选一体化绿色生产实施方案 3 9 链式静态脱介脱水筛进行脱水脱介 B 25 0 0m m ， L 2 7m ，q 3 5 0t ／h ，V 0 ．9m ／s ，a lo ，筛孔1 ．5 m m ，脱介段长3 0m ，去充填工作面。煤泥回收 工艺系统，链式静态脱介脱水筛筛下煤泥 一1 ．0 m m 采用分级旋流器分级后，底流粗粒级经过离 心脱水后作为精煤产品，分级旋流器溢流、弧形筛 筛下水、煤泥离心液一并至斜管浓缩池浓缩，浓缩 底流进一步压滤脱水后，根据产品要求可作为精煤 产品，也可掺人矸石产品。斜管浓缩池和压滤机溢 流水循环使用。 精煤和矸石脱介筛下合格介质返回合格介质桶 循环使用。分流的合格介质与脱介作业的稀介质进 入磁选机，磁选精矿返回合格介质桶循环使用，磁 选尾矿至煤泥水回收系统。 选后精煤通过带式输送机转载至新建风井中主 带式输送机运至地面产品装仓，选后矸石通过带式 输送机运至采空区充填。 4 矸石条带充填开采。矸石与煤泥的混合物 料从井下选煤厂通过带式输送机运至工作面，经过 回风顺槽，通过转载机提升到悬挂在支架上的充填 开采输送机内，通过条带充填开采输送机的卸料孔 将充填物料充填人采空区内，充填物料压实并接顶 形成采空区保安煤柱。矸石充填工艺见图9 。 | -剖 l 推进方』j } J 惑 图9 与一次采全高系统配套的 井下选煤及充填流程 充填工作由数名充填工协调进行，在完成一刀 采煤工作后，开始充填工作。a 每班按照正规循 环割完一刀煤、移架、推溜，然后停止割煤在移 架过程中要拉线或红外线定位移架，保证移后支架 在一条直线上。b 移直充填开采输送机的机头与 机尾，检查充填系统完好情况，准备开始充填工 作。C 首先启动工作面充填开采输送机，然后依 次启动转载机与带式输送机等运输设备，进行采空 区充填。d 从充填开采输送机机尾向机头方向依 次充填，即先打开充填开采输送机机尾的第1 个卸 料孔，对该段架后采空区进行充填，同时打开充填 开采输送机第2 个卸料孔，依次类推，至使整个工 作面全部充填并压实完毕，停止第一轮充填。e 停止充填工作，进行采煤、推溜、移架【作，要尽 量保证割煤后工作面煤壁平直度，移架后支架摆放 的一致性。 5 投资估算。矸石充填系统包括综采工作面 和煤柱置换区两个区域。工程费主要指煤柱置换区 需新施工岩巷和煤巷的费用，共计13 8 0 万元，如 表1 所示。 表1矸石充填工程费 设备购置费主要包括综采工作面和煤柱置换区 矸石充填所需的设备如皮带输送机、矸石充填机、 充填液压支架等费用，共计46 2 3 万元，如表2 所 示。与一次采全高系统配套选煤系统投资估算如表 3 所示。 3 ．44M f f a 炼焦煤井下选煤系统 1 矿井基本情况。设计采用竖井开拓方式， 采用国内先进的中厚煤层综合机械化开采工艺，实 现高产高效。设有主井、副井和风井三个井筒，主 井井简直径为5 ．0m ，副井井简直径为6 ．0m ，风井 图1 0 矸石充填工艺示意 万方数据 4 0 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年增刊 表2矸石充填设备购置费 表3与一次采全高系统配套选煤系统投资估算 帛号生产环节或笪苎竺 i 堕垂会计 “7 费用名称 井巷 土建 工程费设备购置费安装工程费其他费用 。” 井筒直径为5 ．5I l l 。主井担负提煤， 提升等任务。服务年限为4 2 ．2 年。 流进入振动弧形筛和煤泥离心机进行脱水处理后作 为最终的精煤产品，中、矸脱介筛筛下稀介质经 中、矸磁选机回收，磁选尾矿扬至浓缩分级旋流器 处理，底流进入高频筛脱水处理作为最终的中煤产 品 或矸石 。磁选精矿进入合格介质桶。浓缩分 级旋流器溢流、高频筛的筛下水和一0 ．3m m 煤泥进 入浮选人料桶。浮选精煤压滤脱水作为最终精煤产 品。浮选尾矿去尾煤高效斜管浓缩机，底流压滤脱 水，滤饼作为煤泥产品，滤液至浓缩池进行再次浓 缩。斜管浓缩池和压滤机溢流水循环使用。 矸石由带式输黻至充填工作面进行充填开采。 3 投资估算。4M t ／a 炼焦煤井下选煤系统投 资估算，巷道40 2 1 万元，设备46 9 6 万元，安装 19 7 6 万元，其他16 0 5 万元，合计1 22 9 8 万元。 副井担负辅助4 结论 2 井下选煤厂方案介绍。入选原煤通过原煤 带式输送机送人洗选巷道 硐室 车间后，通过分 级破碎机破碎至一5 0m m 后，进人多供介无压给料 三产品重介质旋流器 咖20 0 0 ／14 0 0m m 进行处 理，分选出精煤、中煤、矸石三种产品。精煤和中 煤分别经过新型链式静态脱介脱水筛 筛缝1 ．5 m m 进行脱水脱介后，进入离心机进一步脱水后 作为最终的精煤和中煤产品。矸石经过新型链式静 态脱介脱水筛脱水脱介后作为最终矸石产品。精煤 脱介筛筛下稀介质和分流的合格介质经精煤磁选机 回收，磁选尾矿用泵扬至浓缩分级旋流器处理，底 将矸石充填于井下，不仅可以释放出大量煤炭 资源，而且可以节省矸石运输成本，彻底解决矸石 对环境的污染和占地的难题，并为矿井的扩能创造 条件，具有显著的经济和社会效益。 煤炭采选一体化的绿色生产新模式可以解放煤 炭资源，节省土地资源，节能减排，保护生态环 境，消除煤炭生产对环境的污染、矸石占地及地面 采动破坏。与传统煤炭生产相比，降低能耗3 0 ％以 上，选煤厂投资降低5 0 ％以上，示范企业应用，直 接经济效益2 亿元，a 以上。 新型绿色生产模式不仅可用于煤炭行业，而且 可以推广到其他矿产领域。 上接第3 4 页 定并完成的研究内容，以保证选冶试验成果质量。4 ．4 扩大学术交流范围 甲方确要降低有关要求的，乙方应在合同中约定，广泛开展学术交流对于科技人员开拓思路，提 当选冶试验成果不符合有关管理规定时，乙方不承高业务能力、培养青年人才具有重要作用。应发扬 担相应责任。甲方需要注意的是，应选择具备相应优良传统，在单位内部、系统及行业之间，采取多 资质，技术力量较强的单位承担选冶试验任务。种方式，开展学术交流，同时，结合我国国情、矿 4 ．3 重视成果提交验收情，适时与矿业公司、设计单位、资源管理部门和 选冶试验成果验收是保障成果质量的重要措其他有关管理部门联系，加强信息交流，促进提高 施，是发挥专家集体智慧的有效手段。乙方应在本选冶试验质量，共同为矿产资源保障经济社会发展 单位科技委员会初审的基础上，补充完善研究成做出应有的贡献。 果，力求避免不必要的失误，去除重大瑕疵。甲方参考文献 应聘请业界专家组成验收组，对选冶试验成果进行 [ 1 ] 固体矿产地质勘查规范总则 G B 屈1 3 9 0 8 - - 2 0 0 2 [ s ] ． 紊篓验收，翌其奎景竺耋要竺黛出至黧篓，登㈨磐舞鬻撬嚣j G B 丌2 ，2 8 3 嘲㈦㈨． 出存i - 伍／r f i ／，1 问题，提出相应的建议。实践证明，这是 ”。巍枭i i 蔷高≤藏釜’二二 ～“““。“““划’ 一个科学管用的好办法，但近年来未很好坚持，应 [ 3 ] 地质矿产实验室测试质量管理规范 D z 厂I 0 1 3 0 - - - 2 0 0 6 引起高度注意。 [ s ] ．北京中国标准出版社，2 0 0 6 ． 万方数据