基于矿井矸石减量在煤质管理中的应用与研究范文

(作者:朱存涛时间:2021-08-22 20:42:20)

基于矿井矸石减量在煤质管理中的应用与研究

前 言

十二矿为了瓦斯区域治理的需要,采用开采保护层方法治理瓦斯,于2008年开始开采己14保护层,开采保护层后,产生了大量矸石。矸石主要来源于三水平保护层开采和高、低抽巷岩石巷道的掘进。2019年每月产生矸石量约3.83万吨,年产生量共计约46万吨。2020计划开采保护层和瓦斯治理工程较多、矸石产量大,合计产生矸石量约32万吨。对煤质灰分影响较大。十二矿煤质急剧下降,入洗煤灰分由开采前的20%-25%上升到开采后的35-45%。为应对保护层开采造成灰分升高的局面,结合集团实施的矿井矸石三年减量规划,制定了《十二矿矸石减量化处理实施方案(2020年-2022年)》。通过矸石减量的实施,逐步提高十二矿煤炭质量,通过近一年来的实施,收到了较好的效果。

1.矿井概况

1.1交通位置

平顶山天安煤业股份有限公司十二矿(以下简称十二矿)位于平顶山市区东部,距市区7.5km,行政区划属平顶山市东高皇乡。井田地理坐标:东经113°21′21″~113°22′48″,北纬33°44′35″~33°47′54″。井田南北长约4km,东西宽约3km。十二矿距市区7.5km,交通便利。漯(河)宝(丰)铁路支线斜穿井田,东与京广铁路相接;西与焦枝铁路相连;平(顶山)舞(阳)支线与地方小铁路漯(河)南(阳)支线连接;矿区铁路专用线从十二矿主井、煤仓直达田庄集配站,并与漯宝铁路相接。矿井始建于1958年6月,于1960年7月简易投产,矿井原设计能力为30万吨/年,其后经过多次改扩建和技术改造,核定矿井综合生产能力130万吨/年。

1.2井田地质构造

东部边界:与八矿井田边界相邻。

西部边界:与十矿井田边界相邻。

南部边界:与二水平己七采区相邻。

北部边界:靠近李口向斜轴。

采区走向长2250m,倾斜宽1800m,面积为4.05Km2。适宜布置一个单一采区,开采已15、已16-17煤层。该采区煤层产状主要受李口向斜控制,位于李口向斜南翼,属于单斜构造,自南向北,煤层倾角由10°逐渐减小到2°,靠近向斜轴部近于水平。由于离李口向斜轴较近,受区域构造应力影响,中、小断层构造较为发育,而且同沉积断层与沉积岩石组合相关的构造也可能在一定部位出现。将对生产造成较大的影响。另外,局部地区可能会有次生小褶皱存在。

图1-1平煤集团十二矿位置图

1.3煤层赋存

井田范围内主要可采煤层和局部可采煤层8层,矿井只开采山西组(己组)和太原组(庚组)的煤层,现将矿井煤层自下而上叙述如下。

①庚20煤层

庚20煤层位于太原组的L5和L6灰岩之间,上距己16-17煤层64m左右。煤层厚度在0.45~1.10m之间,平均0.89m。顶底板均为泥岩和砂质泥岩互层,局部夹杂煤线,可采性指数为0.78,属不稳定煤层。

②己16-17煤层

己16-17煤层位于山西组下部,井田东北部煤厚1.7m左右,南部1.1m,西部与己15煤层合并,平均煤厚1.53m,可采性指数为1。

煤层上覆顶板为砂质泥岩或泥岩,直接顶平均厚3.3m,底板为灰色砂质泥岩。上距香炭砂岩(Sx)30m,砂锅窑砂岩(Ss)68m,上距戊9-10煤层175m,距己15煤层0~13.73m,一般2~5m。下距本溪组铝质泥岩84m,间距虽有一定变化,但层位清楚,全区可采,易于对比。

③己15煤层

己15煤层位于山西组中部偏下位置,煤厚在0.8~5.50m之间,一般厚度3.00~3.7m,平均厚度3.4m,简单结构,煤厚变异系数10.3%~23.6%,可采指数为1,属中厚可采煤层。己15煤层间接顶板为灰白色细粒砂岩和中粒砂岩,平均厚11m左右,全区发育。

④己14煤层

己14煤层位于山西组中下部,井田南部钻孔及井下工程偶见己14煤层,井田北部钻孔及井下工程均有见己14煤层,煤层厚度0~1.0m,平均厚0.6m,属薄煤层。直接顶为砂质泥岩和细砂岩,平均厚度6m,间接顶板为浅灰白色细粒砂岩或中粒砂岩,平均厚17m左右,底板是灰白色细粒砂岩和中粒砂岩,平均厚11m;下距己15煤层8~17m,一般为10~12m。

1.4矿井开拓方式、开采方法和水平及采区划分

①开拓方式:矿井开拓方式采取斜、立井混合多水平上下山开拓全井田。

②开采方法:矿井采用走向长壁后退式综合机械化采煤法采煤,全部跨落法管理顶板。

③开采煤层及顺序。矿井主采煤层为已15、已16-17煤层,先开采已15煤层,后开采已16-17煤层。

④水平、采区划分:十二矿共划分为三个水平,分别是一水平(-150m),二水平(-270m),三水平(-600m)。七个采区,分别为己一、己二、己三、己四、己五、己六、己七采区。其中一水平己一、己二、己四、己五采区已回采完毕,己三采区为三下充填开采,二水平己六采区已经封闭,三水平采区为目前的生产采区。三水平走向长2250m,倾斜宽1800m,布置为单一采区,双翼开采。

1.5 矿井排矸方式

十二矿根据平煤神马集团瓦斯综合治理的需要,为释放三水平瓦斯,确定了开采保护层,把东翼开采己14煤层作为己15煤层上保护层进行开采,西翼开采下保护层及高抽巷作为己15煤层上保护层进行开采释放瓦斯。在排矸路线上,自洗选硐室以下有独立的排矸和矸石回填系统,东翼保护层开采(如己14-31010、31050、31070、31090,31040下保护层工作面及其他瓦斯治理巷排放)的砟煤都经过洗选硐室筛分后,矸石进入矸石仓;西翼排矸路线是西翼 (如第二、第三、己15-31020)瓦斯治理巷的矸石经过西翼排矸巷直接进入三水平矸石仓。到达三水平矸石仓的矸石在经过170主运输皮带系统措施运到地面。

2.课题实施背景

平煤股份十二矿自然条件得天独厚,素以煤质优良而著称。矿井主要开采己组煤,煤种为肥煤、焦煤、低灰、低硫、高热值,是优良的入洗原料煤,随着采掘工作面向下延伸,分布在一、二水平的主采面相继开采完毕,现在工作面全部分布在三水平的己14、己15、己16-17煤层。根据平煤集团瓦斯区域综合治理的需要,自2008年8月份开始进行保护层开采和高低抽巷释放瓦斯,从而造成煤质下降、运输压力增大、地面环境破坏等诸多问题,是十二矿前所未有的。

一方面,自2009年保护层开采和高低抽巷的掘进,对煤质的影响开始显现出来,以2009年保护层开采开始为界,入洗煤灰分前5年(2005-2009)年21.04-23.19%,至2020年(2010-2020)年36.06-43.53%,平均上升15-20个百分点,煤中之“味精”的美誉不复存在。

另一方面,环保压力增大,矿区矸石堆放成为矿区重大污染源,为彻底解决矿区矸石堆放对环境的影响,必须实施矸石减量化。

综上所述,为解决上述问题,实施矸石减量化已迫在眉睫。通过巷道设计优化、设备选型、矸石回填、源头控制、杜绝超掘超挖等措施,实现矸石不升井或少升井,既解决了环境问题,又节约了土地资源,达到绿色开采目的。

2.1确定矸石减量化目标

本着“减头减量化,存量零增长”的矸石管理要求,集团出台了《中国平煤神马集团煤矿矸石减量化处理指导意见》(中平〔2019〕228号)。根据集团要求,经过实施矸石减量化处理:到2020年底,实现矸石产生量在2019年底基础上减少15%。到2021年底,实现矸石产生量在2019年底基础上减少40%。到2022年底,实现矸石产生量在2019年底基础上减少50%的目标。

2.2十二矿矸石产量和矸石处理现状

2.2.1十二矿2020年矸石来源、产量情况

十二矿2020年计划开采保护层2个,分别为己14-31090采面和下保护层31040采面,共计开采495m,瓦斯治理工程2122m。其中保护层开采所产矸石量约24万吨,瓦斯治理工程产矸量约8万吨,合计产生矸石量32万吨。

2.2.2矸石处理现状

十二矿积极采取措施,对升井矸石进行有效合规处置,减少对环境造成的影响。

2.2.2.1治理矿东矸石山

建立了1.1万m2的矸石转运场临时储矸大棚,对升井的矸石进行合规暂存,棚内设置有洒水降尘喷头、喷雾炮等抑尘设施,可以有效控制落矸、装车过程中产生的粉尘,在临时储矸棚门口建立洗车装置,严格运矸车辆冲洗、覆盖后出矿。对临时储矸棚周边的区域进行覆土绿化,绿化面积达到3万m2。

2.2.2.2实现综合利用

十二矿升井矸石与综合利用砖厂签订综合利用协议,所有升井矸石全部拉至砖厂做成砌块砖实现综合利用。

2.2.2.3绿化北山矸石堆放点

2017年完成绿化面积9500m2,2019年对剩余的部分除留有自由落矸区外,全部进行了覆土绿化和地面硬化,绿化面积达到7500 m2,硬化(铺设彩砖)面积4100 m2,另外对翻矸架进行了封闭,封闭面积300 m2,可以有效抑制粉尘飞扬。

2.3矸石减量的目的

2.3.1实现绿色开采目的

通过矸石减量课题的实施,使瓦斯治理巷道和保护层开采的渣煤经洗选硐室筛分后,筛上矸石直接充(回)填,一方面将减少井下运输系统的压力;另一方面减少了大量矸石排至地面后占用土地,不但有粉尘污染,而且若矸中有煤,堆积发热后产生SO2、CO2等对大气造成污染。最重要的是实现了矸石不升井,达到了绿色开采的目的。

2.3.2实现煤质增收目的

通过矸石减量实现煤质增收目的,2020年为了实现全年40%的煤质考核指标,通过采取矸石井下回填、优化巷道设计、设备选型、控制采面采高、掉(冒)顶、杜绝掘进工作面超掘超挖、严查违规排矸等措施,减少矸石产量,加大煤质增收、增加销售收入。

3.课题研究方向

坚持“以安全环保为前提,以质量效益为中心”的理念,把《十二矿矸石源头减量方案》落到实处,把矸石减量融入到煤质管理工作中去,优化采面布置,优化系统设计,不断完善全岩掘进巷道排矸方式,实现煤矸分运,减少矸石产量,为提质增收创造条件,为净化矿区周边环境奠定基础。加大监督考核力度,严格考核兑现,确保各项制度措施执行到位,做到人人身上有责任,各个环节有保障,形成全员参与、全过程控制的矸石减量管理体系,力争完成矸石减量目标。

4.主要采取措施

4.1把矸石减量工作写进煤质管理办法中去

完善《十二矿煤炭质量管理办法》,使矸石减量作为降灰提质的重要手段。成立了以矿党委书记、矿长为组长的十二矿矸石减量领导小组,明确部门分工及责任,统一指挥协调矸石减量工作,研究解决相关问题。

落实以“质量效益为中心”的质量理念,就要把矸石减量工作作为重中之重来抓。坚持从源头设计减少矸石量。采煤工作面设计前,应先进行矸石减量、经济效益论证。在满足矿井生产安全的前提下,考虑源头矸石减量,减少岩石巷道设计,合理设计巷道断面,从而提高煤质。

4.2 明确十二矿三年矸石减量规划指标

认真贯彻落实集团关于煤矿矸石减量的管理要求,扎实开展矸石减量化处理的各项工作。结合十二矿目前的矸石生产状况,制定了《十二矿矸石减量化处理实施方案(2020年-2022年)》。

4.2.1 2020年计划

2020年,减少矸石产生量约7万吨,在2019年底基础上约减少15%。

(1)减少矸石产生量规划

①己15-31060进风巷低位瓦斯治理巷,计划施工457m,断面优化后,预计减少矸石8554吨。

②己14-31110进风巷,计划施工150m,断面优化后,预计减少矸石1404吨。

③己14-31220进风巷,计划施工630m,断面优化后,预计减少矸石11794吨。

④己14-31220回风巷,计划施工370m,断面优化后,预计减少矸石6926吨。

⑤己14-31110高抽巷,计划施工250m,断面优化后,预计减少矸石585吨。

⑥31040下保护层采高由1.8m优化为1.6m,计划开采370m,预计减少矸石23088吨。

⑦开拓工程根据计划调整施工,2020年暂不施工488m,预计减少矸石量17864吨。

综上,2020年预计减少矸石量共计69585吨,约为7万吨。

(2)矸石回填规划

2020年上半年由总办室组织,与中国矿业大学等高校科研组进行合作,完成回填方案初步方案的设计、论证工作, 充分分析十二矿矸石回填的可行性与回填方案、设备选型等,确定回填总体规划方案。

2020年下半年,根据回填总体规划方案,开展巷道工程、设备设备配套等相关工程建设。

4.2.2 2021年计划

2021年,减少矸石产生量约6万吨,回填矸石量约12万吨,共计减量18万吨,在2019年底基础上约减少40%。

(1)减少矸石产生量规划

①31060下保护层回风巷,计划施工780m,断面优化后,预计减少矸石7301吨。

②己14-31110进风巷,计划施工928m,断面优化后,预计减少矸石8686吨。

③己14-31220进风巷,计划施工370m,断面优化后,预计减少矸石6926吨。

④己14-31220回风巷,计划施工630m,断面优化后,预计减少矸石11794吨。

⑤己14-31110高抽巷,计划施工500m,断面优化后,预计减少矸石1170吨。

⑥31040下保护层采高优化,计划开采343m,预计减少矸石21403吨。

综上,2020年预计减少矸石产生量共计57280吨,约为5.7万吨。

(2)矸石回填规划

2021年实施矸石回填,预计回填矸石量约1.8万吨。

4.2.3 2022年计划

2022年,减少矸石产生量6万吨,回填矸石量17万吨,共计减量23万吨,在2019年底基础上约减少50%。

(1)减少矸石产生量规划

①31060下保护层进风巷,计划施工800m,断面优化后,预计减少矸石7488吨。

②己15-31050里采面第一瓦斯治理巷,计划施工1000m,断面优化后,预计减少矸石18720吨。

③31080下保护层进风巷,计划施工655m,断面优化后,预计减少矸石6131吨。

④己15-31050里采面第四瓦斯治理巷,计划施工1300m,断面优化后,预计减少矸石24336吨。

⑤31080下保护层回风巷,计划施工800m,断面优化后,预计减少矸石7488吨。

综上,2022年预计减少矸石产生量共计64163吨,约为6.4万吨。

(2)矸石回填规划

2022年实施矸石回填,预计回填矸石量17万吨。

4.3从源头设计方面,减小岩石巷道断面

根据十二矿实际,在满足安全生产的前提下,对巷道断面进行优化设计,减小巷道断面。如在设计瓦斯治理巷道时,由原净宽×净高=4.6m×3.4m的矩形断面优化为净宽×净高=4.4m×3.2m的拱形断面。通过优化巷道设计断面、杜绝超掘超挖,2020年减少矸石产生量25044吨。

4.4巷道一次支护到位,减少扩修、维修量

改进支护方式,增加支护强度,提高巷道施工质量,争取巷道一次支护到位,减少巷道扩修、维修工作量。如三水平开拓巷道剩余下延工程施工时层位选择在己14顶板坚硬岩石里面,加强支护确保一次支护到位。

4.5优化采煤工作面设计,减少矸石量

新规划设计的采面按照“长走向、大采长、大储量”的原则进行设计,尽量减少区域瓦斯治理工程量。借鉴先进单位的采煤工艺,一次采全高,减少掘进巷道施工量,从而减少矸石量。

4.6 采煤工作面设计时避开较大的地质构造

根据地质情况,采煤工作面设计时合理避开较大的断层、褶区、薄煤带等地质构造。回采工作面根据受地质构造带影响程度,合理选取降低采高、跳眼等安全技术措施,减少矸石采出量。掘进工作面要严格按照设计断面施工,遇到构造带时,要加强顶板支护,杜绝顶板矸石冒落。

4.7 优先选择薄煤层综采设备

保护层工作面综采设备招标选型,优选采用采高范围控制更低的薄煤层综采设备。下保护层采面采用了ZY4000/10/20型液压支架,由设计采高2.0m,降低为1.7m。解决了多采岩石的问题。

4.8 积极组织矸石回填,减少矸石升井

矸石回填是减少矸石量的关键办法,也是最有效的途径。根据十二矿实际,生产采空区回填、现有巷道、废弃巷道等回填方式中,选取合适的充填方法,实现矸石不升井。2020年根据十二矿实际,选取了己14-31050上进风和己14-31040上进风进行了充填。其中:己14-31050上进风回填78m,回填量3144吨;己14-31040上进风回填474m,回填量11164吨;合计回填552m,回填矸石14308吨。

4.9 加强源头控制,控制采高,减少破岩量

己15采面根据煤厚情况沿顶、沿底回采,己16-17采面采高控制在2.0m以下,煤厚不足1.9m,采高控制在1.9m以下。上保护层工作面采高控制在2.0m;下保护层工作面控制在1.7m一下。掘进工作面严禁超掘超挖,超过设计尺寸0.2m,进行严厉处罚。

5.矸石减量实施过程中存在的困难和问题

5.1矸石减量的最大障碍

5.1.1保护层开采是矸石减量的最大障碍

以2020年为例,己14-31090采面及31040下保护层采面产矸量27万吨,占矿井矸石量的68.89%。现在还没有比开采保护层更好的治理瓦斯方案。只要开采保护层矸石就无法彻底减下来。

5.1.2瓦斯治理抽放巷道是矸石减量的第二大障碍

随着矿井采深增加瓦斯含量、瓦斯压力显著增加,开采保护层治理瓦斯需要施工必要的高、低位抽采巷道,产生不少矸石。以2020年为例,瓦斯治理巷道2122米,产生矸石6.3万吨,占矿井量的16.27%。

5.1.3开拓工程是矸石减量的第三大障碍

随着矿井的下延开掘工程(轨道、总回、运矸皮带、运煤皮带等)有增无减,每年至少需施工600~800m岩巷。产生矸石2.1吨,占矿井量的5.37%。

5.1.4随着环保形势严峻,矸石运输和处理难度增加

一是近几年矿区周边矸石砖厂由于环保要求纷纷关门或者外迁,造成矸石销路萎缩,远距离运输又成本较大,二是矸石带来的污染。矸石本身来自于井下,其中含有大量的有毒有害物质,在露天的状况下长期堆放对周围的环境有很大的影响。

5.2矸石回填中存在的问题

一是成本高问题,以巷道回填为例,回填一吨矸石成本达到70~80元;二是回填劳动强度大,效率低。由于没有先进的回填工艺,还是停留在用人工的方法进行回填。三是废旧巷道变形严重,回填量较小。四是废弃巷道由于存在瓦斯释放因素,安全管理难度较大,如己14-31040上进风回填时,多次出现瓦斯超标的现象。

6.经济效益分析

6.1矸石减量测算

以1-10月份矸石减量情况分析,己14-31050上进风巷和己14-31040上进风巷合计回填14308吨;设备选型、控制采高源头减量40933吨;优化巷道设计、杜绝超掘超挖25044吨,合计矸石减量80285吨。

6.2矸石减量前销售收入测算

原煤量为1597208吨(其中矸石量为80285吨),灰分为38.97%,对应售价为598.23元/吨(税后,下同)。销售收入为9.55亿元(598.23×1597208)。

6.3矸石减量后销售收入测算

1-10月销量1516923吨,灰分36.53%,售价642.08元/吨。销售收入9.74亿元(642.08*1516923)。

6.4矸石减量后提质增效测算

矸石减量后实现提质增收1900万元(9.74-9.55)。

6.5减少处理矸石的费用测算

如果矸石不减量进入流通环节的费用,洗选费用,环境生态修复费用共计903万元。其中减少流通费用27.52 元/吨,减少洗选费用 40元/吨,减少环保处理费用45元/吨。每吨矸石减少费用112.52元/吨。

其计算方法:(27.52+40+45)×80285=903万元

6.6矸石减量综合增收测算

其计算方法:1900+903=2803万元

6.7矸石减量净收益分析

根据核算,矸石回填月运行费用为133.52万元(含设备投入、折旧,人工工资,电费等)。那么净投资收益为:2803-133.52*10=1467.8万元。

综上所述,矸石减量直接净增加收入达到1467.8万元。

7.结论

《基于矿井矸石减量在煤质管理中的应用与研究》科技项目在十二矿的成功实施,取得了良好的效果。该项目工程于2020年1月份进入正常工业性试验。1-10月通过利用废弃巷道回填矸石14308吨;设备选型、控制采高源头减量40933吨;优化巷道设计、杜绝超掘超挖25044吨;合计矸石减量80285吨。通过该科技项目的实施,对今后十二矿加强矸石源头控制,达到矸石不升井或少升井,实现绿色开采起到积极的推广作用,必将取得更大的经济效益。

7.1经济效益

项目实施期周期内,合计矸石减量80285吨,净投资收益1467.8万元。

7.2社会效益

通过该项目的实施不再使80285吨矸石产生,以及不再混入煤中进入流通环节,将会大大降低流通成本和洗选成本,同时对提高洗煤厂的精煤产率,对减少洗选设备磨损率、延长洗选设备的使用寿命,都能起到积极的意义。

7.3生态效益

通过实施该项目,在巷道设计、综采综掘设备选型、生产施工管理、瓦斯治理、矸石运转、井下充填等过程中,充分考虑矸石井下减量化处理,从源头上控制矸石升井量,进而减少矸石地面堆积造成的一系列问题,最终实现矿井的安全、高效、绿色开采。

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