一般情況下，矸石處理系統(tǒng)設(shè)備都布置在地面。而山西天地王坡煤業(yè)有限公司(以下簡稱王坡煤礦)近日卻在組織矸石破碎機(jī)、給料機(jī)、攪拌機(jī)等設(shè)備下井。等到設(shè)備到位、施工完成后，該礦將實(shí)現(xiàn)矸石不升井。這是中國煤炭科工集團(tuán)有限公司(以下簡稱中國煤科)在煤基固廢綜合處置方面的一次探索。

近年來，中國煤科深入踐行習(xí)近平生態(tài)文明思想，強(qiáng)化科技創(chuàng)新，利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因地制宜，為煤基固廢找個(gè)好去處，推動(dòng)煤基固廢規(guī)模化、智能化、資源化處理。

矸石不外排，助力綠色開采

王坡煤礦是高瓦斯礦井，回采前需掘進(jìn)瓦斯抽采巷，產(chǎn)生大量矸石。有關(guān)政策要求，禁止新建或擴(kuò)建永久性煤矸石堆放場。王坡煤礦所處的黃河流域中上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，矸石用于生產(chǎn)建材、填路等方面需求較少，矸石利用率僅 20%左右。矸石無害化處理已成為制約該礦高質(zhì)量發(fā)展的因素之一。

傳統(tǒng)矸石規(guī)模化充填處置通常要在地面建設(shè)規(guī)模較大的矸石處置系統(tǒng)，包括破碎站、制漿站、充填站等，需要一定規(guī)模的地面場地。地面矸石破碎站建設(shè)還需較長的審批周期，導(dǎo)致項(xiàng)目建設(shè)周期較長。另外，將大量矸石輸送至地面，再轉(zhuǎn)運(yùn)至充填站，也需占用礦井生產(chǎn)資源，顯著增加矸石處置費(fèi)用。

針對(duì)這些問題，中國煤科所屬科工生態(tài)開展了矸石充填處置技術(shù)研究，在王坡煤礦井下建設(shè)掘—充一體化系統(tǒng)，將巖巷盾構(gòu)掘進(jìn)矸石直接同步充填至鄰位采空區(qū)或廢棄巷道，構(gòu)建了一整套“碎—拌—輸—充”集成化工藝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在井下連續(xù)穩(wěn)定處置矸石。

據(jù)介紹，王坡煤礦井下矸石處置項(xiàng)目矸石年處理能力達(dá)30萬噸，矸石不升井，可顯著節(jié)約矸石升井和外排處置費(fèi)用;矸石充填至采空區(qū)，降低了充填區(qū)域新掘進(jìn)巷道的支護(hù)難度;直接利用礦井水、盾構(gòu)掘進(jìn)廢水作為生產(chǎn)用水，節(jié)約了水資源，經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益明顯。

中國煤科所屬北京華宇則以環(huán)境低損傷開采理念為出發(fā)點(diǎn)，圍繞矸石、粉煤灰等煤基固廢處置難題，采用高位離層注漿充填技術(shù)、鄰位注漿充填技術(shù)、低位(原位)注漿充填技術(shù)以及老空區(qū)充填技術(shù)，形成了集固廢處理、地表減沉、保水儲(chǔ)水、礦壓弱化于一體的綠色開采四位一體注漿充填技術(shù)體系。

在淮河能源集團(tuán)唐家會(huì)煤礦矸石處理項(xiàng)目中，北京華宇提出以井下采空區(qū)注漿充填方式處理矸石，每年可在地下無害化注漿充填處理矸石100萬噸，實(shí)現(xiàn)矸石不外排，助力綠色開采。

智能化處理，運(yùn)營簡單高效

煤礦智能化建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，也體現(xiàn)在煤基固廢處理上。

今年3月，由中國煤科所屬武漢設(shè)計(jì)院聯(lián)合總承包的全國最大智能化矸石充填系統(tǒng)在陜煤集團(tuán)小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司正式投運(yùn)。該充填系統(tǒng)年可處理矸石量達(dá)200萬噸，創(chuàng)下了單體項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模最大、單體項(xiàng)目矸石處置能力最大、高濃度矸石漿體單泵水平管道輸送距離最遠(yuǎn)等多項(xiàng)第一。

據(jù)了解，小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司矸石充填系統(tǒng)建成了智能控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)矸石充填系統(tǒng)成套設(shè)備一體化控制，包括矸石破碎系統(tǒng)、矸石給料系統(tǒng)、制漿及泵送系統(tǒng)等;各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，定時(shí)自動(dòng)對(duì)成套設(shè)備進(jìn)行健康評(píng)估，智能識(shí)別設(shè)備早期故障和異常狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了充填系統(tǒng)的高效運(yùn)行、智能運(yùn)維、智慧管理。

11月3日，由科工生態(tài)自主研發(fā)的國內(nèi)首套移動(dòng)式智能制充一體化系統(tǒng)在濟(jì)寧下線。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)注漿系統(tǒng)建設(shè)慢、效率低、場地要求高的限制，可用于礦山資源采前地面預(yù)注漿，采中防治水、防滅火、覆巖離層注漿、搶險(xiǎn)救援，采后采空區(qū)治理等領(lǐng)域。

作為一座可移動(dòng)注漿站，移動(dòng)式智能制充一體化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一鍵啟車、一鍵沖洗、一鍵停車、遠(yuǎn)程遙控控制以及無人值守，一臺(tái)設(shè)備即可完成注漿作業(yè)全部工作流程，具有自動(dòng)化程度高、漿液指標(biāo)穩(wěn)定、注漿控制精準(zhǔn)、操作簡單、移動(dòng)靈活、安全系數(shù)高等特點(diǎn)，可提高工作效率，減少運(yùn)維成本。

中國煤科所屬開采研究院則基于國家能源集團(tuán)郭家灣煤礦矸石井下排放需求，“三下”壓煤問題突出以及煤層埋深淺、特厚的特點(diǎn)，研制出智能連采連充關(guān)鍵裝備，攻克低壓縮率矸石膏體充填材料、高接頂率充填工藝，破解矸石充填效率低、成本高等難題。目前，該項(xiàng)目已完成前期研究工作，擬建立“連采—連運(yùn)—連充”規(guī)模化高質(zhì)量采充系統(tǒng);應(yīng)用連采連充井上井下智能協(xié)同控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采、充工況變化的智能感知與充填效果實(shí)時(shí)反饋。

探索更多可能，推動(dòng)資源化處理

科技是中國煤科的鮮明特色。在煤基固廢處理上，中國煤科集合科研力量，進(jìn)一步強(qiáng)化科技創(chuàng)新，探索煤基固廢處理的更多可能。

2019年，中國煤科整合生態(tài)治理相關(guān)技術(shù)力量，成立科工生態(tài)，致力于解決采煤沉陷區(qū)綜合治理與開發(fā)、露天礦開采損害及生態(tài)修復(fù)、煤基固廢綜合處置和利用等問題。

2022年8月，科工生態(tài)在陜西省榆林市榆神工業(yè)區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園新建了充填與固廢綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室由中國工程院院士王雙明領(lǐng)銜，致力于煤炭充填開采技術(shù)與裝備開發(fā)，大宗煤基工業(yè)固體廢棄物 (煤研石、粉煤灰、氣化渣等) 處置研究。

依托充填與固廢綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，科工生態(tài)構(gòu)建了“采空區(qū)覆巖破壞機(jī)理與地表殘余沉降變形規(guī)律”“城市建筑固體廢棄物資源化利用裝備”等多項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)理論與技術(shù)裝備體系，并將研究成果應(yīng)用于張官莊等原村址場地采空區(qū)治理項(xiàng)目，累計(jì)釋放土地資源約7000畝，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益數(shù)百億元。

為實(shí)現(xiàn)煤基固廢規(guī)模化處置和分質(zhì)分級(jí)、資源化利用，科工生態(tài)研發(fā)形成了煤基固廢協(xié)同處置與資源化利用技術(shù)，包括改性固廢膠凝材料、高效燃燒碳利用技術(shù)等。

據(jù)介紹，改性固廢凝膠材料可替代水泥，制備全煤基固廢協(xié)同新型膏體材料，解決了目前煤基固廢處置能力小的問題。高效燃燒碳利用技術(shù)則可根據(jù)不同煤基固廢材料的化學(xué)組分、物理特性，對(duì)高含碳材料進(jìn)行懸浮脫碳，并通過超細(xì)粉磨、定向分選、化學(xué)分離等技術(shù)措施，生產(chǎn)偏高嶺土、化工填料、白炭黑、水玻璃、凈水劑、氧化鋁等高附加值產(chǎn)品，提升煤基固廢資源化和高值化利用水平。