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鉴于煤矸石对矿区环境的影响，国家制定了很多关于煤矸石的规定和规范，《煤矸石综合利用管理办法(2014年修订版)》强调要提高煤矸石利用量和利用率。《中华人民共和国环境保护税法》规定：每吨煤矸石固体废物的税额为5元/t，但纳税人综合利用的固体废物，符合国家和地方环境保护标准的，暂予免征环境保护税。国家发展改革委办公厅、工业和信息化部办公厅《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》要求：因地制宜地注重煤矸石的整体规划与资源整合；加大采空区煤矸石回填、煤矸石充填和筑基修路的力度；合理推动煤矸石发电、生产建材、复垦绿化等规模化利用。开展煤矸石多元素、多组分梯级利用，推进煤矸石高值化利用，提取有用矿物元素，重点研发煤矸石生产农业肥料、净水材料、胶结充填专用胶凝材料等高附加值产品。 从上述煤矸石造成的危害、煤矸石利用的相关政策法规及环保压力可看出，矿区煤矸石综合治理与利用已迫在眉睫，国内外针对煤矸石综合利用进行了大量的探索与实践，形成以发电、铺路、生产建筑材料、生产化工原料、农业应用及井下充填的综合处理与利用体系，但是煤矸石综合利用率不足30%；随着我国煤矿大型现代化矿井建设的推进，以及开采深度增加、洗选技术发展，煤矿排矸呈集中化、高产化和规模化的发展趋势。以神东煤炭集团布尔台选煤厂为例，该选煤厂承担了附近布尔台煤矿、寸草塔一矿和寸草塔二矿的煤炭分选任务，年分选排矸500万t；兖州煤业股份有限公司转龙湾煤矿年产量1000万t，年排矸约230万t，以目前已有的煤矸综合利用和处理方法，都不能在比较经济的条件下高效规模化地处理这么多煤矸石。 本文归纳总结国内外已有煤矸石综合利用与处理方法，分析各处理方法的原理、优缺点、处理效率和适用条件等，并提出煤矸石井下高效规模化处理技术，为我国煤矸石的处理提供支撑。 1 我国煤矸石排放现状 煤矸石是煤矿开采洗选加工过程中产生的固体废物，属于一种含碳率低、热值利用价值低、质地坚硬的黑灰色岩石，从产生环节可分为井下掘进矸石和洗选过程中的分选矸石。煤矿传统的方式是将这种固体废物堆放在地表，形成矸石山，煤矸石整体分布呈“北多南少，西多东少”的特点。全国煤矸石排放量分布如图1所示，华北、西北地区煤矸石排放量较多，华南、东北地区排放量较少。其中，华北地区的煤矸石排放量近35亿t，远超其他区域的排放量，占总排放量的50%左右。  图1 全国各地区矸石累计排放量 《煤炭工业发展“十三五”规划》指出，我国煤炭生产向集约高效方向发展。随着我国煤矿产业结构的优化，煤炭生产集约化、规模化水平明显提升，千万吨级矿井数量不断增加，矿井高产能的同时产生了大量煤矸石；同时，煤、电、化一体化进程加快，单个选煤厂往往承担附近多个煤矿的选煤任务，选煤厂产矸呈现集中化趋势。部分大型矿井及选煤厂产矸量统计见表1，2。 表1 部分大型选煤厂产矸量统计表  表2 部分大型矿井产矸量统计表  目前，大多数煤矿的矸石处理方式为矸石外排，交由其他企业进行矸石的综合利用，但仍有大量煤矸石堆存在矿区，不仅占用土地，且容易自燃，对矿山正常生产和周围居民生产、生活构成极大的威胁。我国在煤矸石利用方面，虽然取得较大进展，但是其综合利用率仍不足30%。处理煤矸石对于煤矿来说是顺应低碳经济发展要求，不设地面矸石山、减少或取缔矸石升井是发展低碳经济的必然趋势，但目前还没有从根本上解决问题。 煤矸石堆放不仅压占大量土地，影响生态环境，矸石淋溶水污染周围土壤和地下水，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在适宜条件下发生自燃，排放二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体污染大气环境，影响矿区居民的身体健康。矸石中所含重金属矿物较多时，若这些重金属渗入水中，则会使水体变得有毒，产生严重危害。人类周围所需的水体一旦遭到破坏、污染，这些水体会借助各种食物链危害人体并破坏整个生态系统。 2 煤矸石地面处理技术 目前对煤矸石地面处理方法的研究利用主要集中在以下几个方面：煤矸石发电、铺路、生产建筑材料、生产化工原料及农业应用等，如图2所示。  图2 煤矸石地面处理方法主要途径 2.1 煤矸石发电 煤矸石内含有一定量的碳，可用于燃烧发电。一般认为，发热量大于1500kcal/kg的煤矸石可直接用作锅炉的燃料，发热量在1000~1500kcal/kg的煤矸石则需要混杂一定比例发热量较高的煤泥、中煤等才能进入锅炉。破碎后的煤矸石颗粒在炉内进行多次往复的循环燃烧和反应，能够实现充分燃烧，产生的热量可用于发电。统计表明，我国各地煤矸石发热量普遍较低且差别很大，发热量超过1000kcal/kg的不足总量的30%。国外利用煤矸石发电起步较早，如德国、荷兰等，从20世纪70年代起，就有将煤矿电厂和选煤厂建在一起以利用煤矸石发电的案例，但由于一些发达国家对煤炭的依赖性逐渐减少，煤矸石发电项目逐渐停滞。 国内煤矸石发电项目虽然起步较晚，但近年迅速发展，据统计，我国至少有1.4亿t/a的煤矸石被用于发电，其效果相当于节约3800万t/a标准煤，根据《煤矸石综合利用技术政策要点》，煤矸石发电多采用循环流化床锅炉，同时煤矸石发电厂技术逐渐完善，取得了较大的进步。国内部分煤矸石发电厂及其规模见表3。 表3 部分煤矸石发电厂规模统计表  煤矸石电厂有利于节约能源，改善环境质量，化害为利，变废为宝；节省优质煤资源，缓解煤矿企业电力紧张局面；同时促进产业转移和劳动力再就业以及节省耕地。但是煤矸石发热量低、灰分高、硬度大，锅炉磨损严重，经常造成锅炉停机检修，影响电厂运行，随着我国环境保护政策趋严形势，这些煤矸石发电企业同样也面临飞灰及锅炉渣处理、烟尘检测与控制技术难度高等环保问题，不同地区的煤矸石化学成分不相同，其含硫量也决定着煤矸石能否作为发电燃料；与此同时，煤矸石的运输距离制约着其在发电领域的作用，年处理量十分有限，并且会产生大量的粉煤灰，粉煤灰产量大约是普通火电厂的2~3倍。以黄陵矿业煤矸石发电公司为例，730MW/a的矸石发电站，年处理112万t矸石，年产粉煤灰70万t，这些粉煤灰也需要进行处理。 2.2 煤矸石铺路 为探索工业废弃物的处置，国内外试验将很多工业废渣应用于公路填料。在各种工业废渣中，煤矸石产量大且具有较高的承载能力，满足公路路基填料的要求，因此进行了较多的应用。 煤矸石特别是自燃后具有一定活性的煤矸石，是一种优质的工程填筑材料，可单独或与黏性土、粉煤灰、熟石灰等混合作为路基填料。其施工流程主要包括基底处理、煤矸石储运、摊铺、洒水、碾压与养护等。煤矸石中普遍含有Si，Al，Ca等氧化物，在一定水分与温度条件下发生水化反应，生成水化铝酸钙和水化硅酸钙等，还生成部分Ca(OH)2和CaCO3结晶，提高煤矸石颗粒之间的黏结力。实践表明：在采用较为合适的粒径级配、保证含水率和压实度的情况下，煤矸石路基较普通土路具有更好的强度、稳定性、承载能力和更小的弯沉值。 从20世纪60年代后期开始，许多欧美国家做了大量的试验论证煤矸石作为基层材料的可行性。美国、德国、荷兰等国家对于煤矸石的利用程度相对较高，并制定出相应的技术标准。法国、德国、英国等国公路干线采用煤矸石作为道路路基或基层的填筑材料。我国从20世纪80年代开始尝试在道路工程的路基上使用煤矸石材料作为填料对路基进行加固，铺筑后效果良好，能够完全满足相关规范要求。部分煤矸石铺路实例见表4。 表4 部分煤矸石铺路实例  矸石混合料代替灰土填筑公路路面基层，能够消耗大量煤矸石、粉煤灰等煤矿固体废弃物，减少煤矸石、粉煤灰等对环境的危害，生态效益非常明显；同时减少煤矸石堆存占地，节省大量土地资源；由于煤矸石用于筑路工程时，其品类和品质要求不严，对矸石中含有的有害成分要求宽松，且煤矸石一般无需特殊处理，因此多种煤矸石均可适用于筑路工程。但各地区煤矸石性质的差异性较大，目前没有统一的规范指导施工，导致施工的随意性较大；再者，接触范围内煤矸石含有的重金属及硫化物的污染问题目前也没有监测结果。煤矸石铺路只适用于煤矿附近的道路建设，否则运输成本较大，不符合经济效益要求。由于道路建设的时间和地点不确定且每公里煤矸石消耗量较少，将煤矸石用于道路建设，只能应用于煤矸石的分散处理，而无法实现集中、连续和规模化利用，更不适应我国煤矸石处理的发展要求。 2.3 煤矸石生产建筑材料 2.3.1 煤矸石生产水泥 煤矸石中的SiO2，Al2O3及Fe2O3总含量一般在80%以上，它是一种天然黏土质原料，可以代替黏土配料烧制普通硅酸盐水泥、特种水泥和无熟料水泥等。 生产煤矸石普通硅酸盐水泥的主要过程是将石灰石、煤矸石、铁粉混合磨成生料与煤混拌均匀加水制成生料球，在1400~1450℃的温度下得到以硅酸三钙为主要成分的熟料，然后将烧成的熟料与石膏一起磨细。在生产过程中，应对煤矸石进行破碎和预均化处理。用煤矸石生产的普通硅酸盐水泥熟料，硅酸钙含量在10%以上，硅酸二钙含量在10%以上，铝酸三钙含量在5%以上，铁铝酸钙含量在20%以上。这种水泥凝结硬化快，各项性能指标均符合国家有关标准。 利用煤矸石Al2O3含量高的特点，应用中、高铝煤矸石代替黏土和部分矾土，可为水泥熟料提供足够的Al2O3，制造出具有不同凝结时间、快硬、早强的特种水泥，以及普通水泥的早强掺合料和膨胀剂。这种速凝早强特种水泥28d抗压强度可达49~69MPa，并具有微膨胀特性和良好的抗渗性能，在土建工程上应用能够缩短施工周期，提高水泥制品生产效率，尤其可有效用于地下铁道、隧道、井巷工程，并可应用于墙面喷复材料及抢修工程。 煤矸石无熟料水泥是以自燃煤矸石或经过800℃温度煅烧的煤矸石为主要原料，与石灰、石膏共同混合磨细制成，亦可加入少量的硅酸盐水泥熟料或高炉矿渣。这种水泥无须生料磨细和熟料煅烧，而是直接将活性材料和激发剂按比例混合磨细。此种水泥的水化热较低，适宜作各种建筑砌块、大型板材及其预制构件的胶凝材料。 煤矸石生产水泥对于煤矸石成分含量的要求较高，含硫量不能过高，否则会影响水泥生产，生产工艺较为复杂，并且受限于运输费用问题，水泥厂不能距离煤矸石产地过远且周围要有较为稳定的建筑用户，因此不能形成规模化的煤矸石水泥厂，从而对于煤矸石的处理作用有限。 2.3.2 煤矸石制砖 煤矸石烧结砖是一种新型建筑砌体材料，以煤矸石为主要原料，一般占坯料量的80%以上，有的甚至全部以煤矸石为原料，有的外掺少量黏土。运用制砖工艺对地面堆积的煤矸石进行充分利用，缓解煤矸石对地面环境造成的影响，按其生产工艺过程可分为原料选择、原料处理、成型、干燥和焙烧5个环节。 煤矸石烧结砖质量较好，颜色均匀，密度一般为1400~1700kg/m³，抗压强度为4.8~14.7MPa，抗折强度为2.94~5MPa，抗冻、耐火、耐酸、耐碱等性能均较好，可用来代替黏土砖，是利废、节能、保护土地和绿色环保的工业产品。煤矸石制砖不但节约能源，而且有效利用工业废渣，实现变废为宝，减少环境污染，产生良好的经济效益和社会效益；但对煤矸石要求较高，工艺复杂，同样由于运输成本及用户需求问题，只能在一定范围和一定程度上消耗矸石，处理量较小。 2.3.3 煤矸石生产混凝土轻骨料 用煤矸石生产轻骨料的工艺大致可分为2类：用烧结剂生产烧结型的煤矸石多孔烷结料和用回转窑生产膨胀型的煤矸石陶粒。用煤矸石生产的轻骨料性能良好，用该种轻骨料可配制高性能混凝土。 用煤矸石生产的轻骨料所配制的轻质混凝土具有密度小、强度高、吸水率低的特点，适于制作各种建筑的预制件。煤矸石陶粒是大有发展前途的轻骨料，它不仅为处理煤炭工业废料、减少环境污染找到了新途径，还为发展优质、轻质建筑材料提供了新资源，是煤矸石综合利用的一条途径，但是处理量小，相对于煤矸石现存储量来说作用有限。 2.3.4 煤矸石微晶玻璃 煤矸石微晶玻璃主要是用煤矸石等矿物原料和化工原料，经过配制、熔融、成型、切割和抛光后形成的一种高档工业用材料，具有玻璃和陶瓷的双重特性。微晶玻璃装饰材料已经是当今国际上开始流行的高级建筑装饰新材料，它结构致密、晶粒分布均匀、高强、耐磨、耐蚀、外观纹理清晰、色彩鲜艳、无色差、不褪色，较天然花岗石、陶瓷更具有灵活的装饰设计和更佳的装饰效果，而且利用工业废渣为原料，有利于环境治理，被认为是21世纪现代建筑群理想的高级绿色建材。但该建筑材料只能少量使用煤矸石，其引领意义大于其现实意义，对于大规模处理矸石远远不够。 2.4 煤矸石化工业应用 煤矸石中除含有碳外，一般以氧化物为主，如SiO2，Fe2O3，CaO，MgO，K2O等，此外还有少量稀有元素如矾、硼、镍、铍等微量元素。虽然煤矸石的化学成分不稳定，不同地区的煤矸石成分变化较大，但一般在表5所列的范围内。 表5 煤矸石的化学成分  由表5可看出，大部分矸石材料中Si，C，Al等元素含量丰富，可直接作为化工原料生产相应的化工产品。20世纪90年代起，国内开始了对煤矸石的深加工，加快了煤矸石化学品开发。由于煤矸石中Al2O3和SiO2成分较高，因此开发研制的化学产品主要为铝盐系列化学品和硅盐系列化学品。 2.4.1 铝系列化学品 Al2O3作为矸石的主要组成物质之一，在矸石中占很高的比重，是生产铝盐系列化学品的良好原料。利用高铝煤矸石为原料开发的铝盐系列产品有硫酸铝、结晶氯化铝、聚合氯化铝、氢氧化铝和三氧化铝等20多种。 硫酸铝广泛用于造纸、水处理、石油除臭脱色及合成其他铝盐等方面。聚合氯化铝是一种无机高分子化合物，在水质混凝处理中做混凝剂。氧化铝是一种重要的化工原料，在电子制造、橡胶及陶瓷材料补强、制造催化剂、人造宝石等方面具有广泛的应用。氢氧化铝是一种良好的硝烟阻燃材料，在电解制铝和有机高分子材料等领域也有着良好的应用，但我国生产氧化铝和氢氧化铝的铝土资源相对稀缺。煤矸石作为一种铝含量较高的固体废弃物资源，可作为制备氧化铝和氢氧化铝的资源，但要求所用煤矸石氧化铝含量达20%以上。 利用矸石制备铝系化学品具有价格便宜、原材料易得的特点；但需对矸石进行灼烧磨碎处理，在去除内部的碳质还原剂的同时，保证矸石可以与化学试剂充分反应，工艺比较复杂，对煤矸石成分要求较高。 2.4.2 硅系列化学品 煤矸石中还有大量的二氧化硅，利用这些硅元素可以生产碳化硅、硅合金和硅酸钠等多种硅系化工产品。 碳化硅是一种理想的高温结构材料，作为烧结体原料有较好的活性，并具有硬度大及良好的导热、导电和高温抗氧化等特性。利用煤矸石合成碳化硅在处理煤矿废料的同时，减少了原来碳化硅在生产过程中产生的废气、废液对环境的污染。 Al-Si-Fe合金目前已被较多钢铁厂用作炼钢的脱氧剂。以煤矸石为原料生产硅合金的方法具有生产流程短、能耗低、成本低、无工业废料等优点。 2.4.3 碳系化工产品 利用煤矸石制备的主要碳系产品有白炭黑和硅铝炭黑2大类。 白炭黑是一种白色、无定形、质轻、多孔的细粉状无机化工产品，常被用作橡胶、塑料、合成树脂等材料的填充剂以及纸张的上胶剂和强化剂，还可以用作润滑剂和绝缘材料。制取白炭黑的主要原理是用碱液反应煤矸石酸浸后的滤渣，用水调整其密度，连续通入二氧化碳和空气混合气体，冷却抽滤，即得白炭黑。 硅铝炭黑是一种由无机化合物和有机化合物组合而成的复合材料，在橡胶制品及塑料制品中应用广泛。以煤矸石为原料生产硅铝炭黑的主要工艺流程为烘干、粗破碎、细粉碎、高温热处理、研磨、混配、造粒、包装。 2.4.4 橡胶补强填料 煤矸石经过磨碎、焙烧和表面活性处理后可作为环氧化天然橡胶(ENR)的补强填充剂，大大增强橡胶的强度和耐磨性。这种以煤矸石为主原料生产有机高分子聚合物的填料，可取代或部分取代昂贵的炭黑和陶土粉，从而降低橡胶制品的生产成本，取得良好的经济效益。 2.4.5 生产4A分子筛 4A分子筛是一种人工合成的NaA型沸石，在我国石油、化工、冶金、电子技术和医疗卫生等部门有着广泛的应用，尤其在合成洗涤剂领域的应用日益受到人们重视，需求量不断增加。通过对高岭石含量较多、全碱(K2O+Na2O)含量较少的煤矸石进行磨粉、灼烧和烘焙等活化处理后，经过加碱成胶、陈化、晶化合成、过滤和干燥等步骤合成4A分子筛，大大降低了4A分子筛的合成成本，既有效推广了沸石分子筛材料的应用，又提高了矸石的综合利用水平。 以上煤矸石化工领域的应用对煤矸石的综合利用有重要意义，但由于化工原料生成过程和工艺十分复杂，有些技术条件不是很成熟，因而对于煤矸石的限制较多，造成其消耗量有限，不能从根本上解决煤矸石处理问题。 2.5 农业应用 煤矸石中有机质含量15%~20%，且其中还含有植物生长所需的Zn，Cu，Mn等微量元素，将煤矸石磨碎并按比例与过磷酸钙混合，加入活化剂和水，搅匀充分反应后，形成实用新型肥料用于农业生产。此外，煤矸石还可做固氮等微生物的基质和载体，做微生物肥料。但是，农业应用对矸石的品质要求很高，也只能消耗很少一部分矸石。 3 煤矸石井下处理技术 煤矸石地面处理技术对于矸石的综合利用有着积极的作用，但相关技术不够成熟，工艺较为复杂，矸石处理能力较低，处理成本较高。为了提高煤矸石处理能力，煤矸石井下处理技术开始发展。 煤矸石井下处理目前经历了2个阶段： 第一阶段主要是为了井下掘进矸石不升井，提出以掘巷抛矸充填采煤技术和普采抛矸充填采煤技术为主的抛矸充填采煤技术，该技术利用高速动力抛矸机将原生矸石以较快的冲击速度抛投至采空区，达到废弃矸石井下处理和岩层移动控制的目的； 第二阶段是为了解决我国存在的“三下”压煤问题，研发了以综合机械化固体充填采煤技术与胶结充填采煤技术为核心的“三下”压煤开采技术，该技术实现密实充填，既减少煤矿固体废弃物地面排放，又可以减轻开采沉陷灾害，提高资源回收率，达到安全开采和保护矿区生态环境的目的。 煤矸石井下处理是针对矸石不升井问题和“三下”压煤问题而研发出的矸石处理方法，是实现煤矿绿色开采的关键技术之一。目前，全国范围内部分煤矿井下矸石处理技术应用情况实例见表6。 表6 部分煤矸石井下处理应用情况  4 煤矸石处理技术发展趋势 4.1 目前煤矸石处理技术的对比 目前煤矸石处理技术主要分为煤矸石地面处理技术和煤矸石井下处理技术，各种处理技术均有其特点，具体处理技术的优缺点见表7。 表7 煤矸石处理技术对比  通过分析现有煤矸石处理技术可以看出，煤矸石井上处理存在着如下问题：煤矸石井上综合处理厂矿分散不集中；对于煤矸石需求不定时、需求量不确定，不能稳定处理煤矸石；受煤矸石运输距离及用户范围等限制，使用不长久、处理量小，不能满足规模化的煤矸石处理要求；受工艺复杂、技术限制，煤矸石利用率不足30%，绝大多数煤矸石仍以堆积的方式进行处置，因此，煤矸石的井上综合处理仅能作为煤矸石规模化处理的补充技术，仅发展煤矸石井上综合处理技术不能满足我国日益增大的煤矸石处理量的要求。 煤矸石井下充填处理技术具有处理效率高、产矸地点就是处理地点、处理位置集中等优点，因此，相对于煤矸石井上综合处理技术来说，是我国煤矸石处理的发展趋势；但目前煤矸石的井下充填处理技术主要应用于“三下”压煤资源的开采，受充填效果要求、装备工艺及自动化程度的限制，目前抛矸充填采煤技术矸石处理能力仅为20万~30万t/a，胶结充填采煤技术矸石处理能力为40万~60万t/a，综合机械化固体充填采煤技术最高处理能力只能达到150万t/a，依旧有限。现存的技术仍然不能满足我国目前煤矸石集中化、高产化、规模化的处理要求，需要发展高效充填处理技术，以便从根本上解决煤矸石处理难题。 4.2 煤矸石高效自动化充填处理技术 目前煤矸石井下处理技术大部分需要考虑控制地表及含水层等问题，需要满足设定的充实率以保证地表建(构)筑物及含水层的稳定性，因此需要以充填效果确定煤炭产量及矸石消耗量，在一定程度上影响正常采煤作业，造成煤矸石处理效率不高。同时，充填采煤液压支架夯实机构作业影响充填效率，多孔底卸式输送机输送量较小，充填关键设备自动化程度不高、可靠性不够强、工作效率较低，使得现有的井下煤矸石处理技术的最大能力只能达到150万t/a，不能满足我国现阶段煤矸石规模化处理的要求。因此，需要发展煤矸石高效自动化充填处理技术，其主要思路是在现有综合机械化固体充填采煤技术的基础上，改变充填目的和工艺、改进充填采煤关键设备，提高充填工作面的自动化程度等，实现煤矸石的井下集中化规模化处理。 4.2.1 改变充填目的和工艺 首先需要将以“三下”开采及保护地表建(构)筑物为目的的充填采煤思路转变为以采煤为主及大规模处理矸石为目的的充填采煤思路。这一思路的转变关系到充填采煤产量的提高，并可以从根本上解决矸石处理难题。具体来说，以采煤为主的充填开采的主战场从“三下”采煤转移到需要处理大量矸石而不涉及或很少涉及地表建(构)筑物保护的煤矿开采，在不影响正常采煤作业的情况下，尽可能充填更多的矸石，能够处理更多矸石，不再是“以充定采”。充填工艺也不再以保证充填效果为主，而是当一个步距采煤作业完成需要移架时，不再考虑矸石的充填量，及时完成移架作业，保证正常采煤生产，从而有更多的充填空间处理矸石。 4.2.2 改进充填采煤关键装备 煤矸石高效自动化充填处理技术以高效充填为目的，是高效充填的发展方向与实现途径。为了满足以采煤为主的充填开采，更进一步地提高矸石处理能力，在一定的采煤时间内充填更多的矸石，需要改进充填采煤关键设备，主要包括充填采煤液压支架和多孔底卸式输送机。 新型采充一体化液压支架向结构紧凑型方向设计，实现支架结构尺寸紧凑、空间利用率高和支护效率高的效果。主要优化四连杆尺寸、连杆与立柱位置关系，实现紧凑的空间布局，并整合人行通道，减小无效空间，从而实现采充一体化液压支架结构的紧凑、安全和有效。优化分割前后顶梁长度，使支架支护性能与顶板变形更为适应，把原来“提高后顶梁强度防止充填前顶板变形”的思路改变为“把支架切顶线后移至后顶梁尾部以适应顶板垮落”的思路。不再安装夯实机构，采用安装位移传感器等方法，现场实测采充一体化液压支架的支护性能，满足设计指标要求，以及满足以采煤为主的充填采煤需求。 研发新型多孔底卸式输送机要做到：优化充填材料中矸石的级配，其粒径级配及黏结力要符合卸料要求，减少对多孔底卸式输送机磨损较大的矸石颗粒，并在充填材料中添加利于减少磨损的配料，从而降低充填材料对多孔底卸式输送机主要部件的磨损影响；优化多孔底卸式输送机吊挂方式、优化刮板间连接方式、提高关键部件的强度，从而降低充填输送机故障率，增加刮板链运行速度，提高运输效率；将输送机中双链改为边双链，从而增加卸料孔的有效卸料面积；在卸料孔的设计方面，在保证输送机强度要求的基础上，考虑充填材料运输速度、充填材料运输状态等因素，优化卸料孔位置、尺寸、开关方式等，从而实现充填材料的高效、定点、定量卸载。保证新型多孔底卸式输送机的输送能力不小于1000t/h，满足规模化充填处理技术的输送能力要求。 4.2.3 提高充填工作面自动化程度 目前的充填采煤技术以人工操作为主，为了提高充填处理煤矸石的效率，引入电液控系统和位移传感器、倾角传感器等硬件，开发充填采煤液压支架控制程序，实现支架的移架、推溜、开合护帮板等各种功能的程序自动化控制，设计多孔底卸式输送机拉移的自动化，实现充填-移架-采煤的全自动化操作。总体思路如图3所示。  图3 充填采煤液压支架动作与多孔底卸式输送机拉移的自动控制流程图 利用超声波探测器来检测落料高度和形态，通过集中控制实现卸料孔打开或关闭的自动控制。充填作业的自动化通过超声波探测器、位移传感器、倾角传感器和红外传感器等技术手段实现信号采集，通过系统控制器实现命令控制。在充填作业动作结束后，控制系统会接收到相关信号，给出执行支架移架、推溜的自动控制命令，在支架的移架完成之后再反馈给控制系统，再次执行后部充填的自动化控制，形成充填采煤液压支架、多孔底卸式输送机的相互协调配套循环控制系统，实现整个充填采煤过程的自动化控制。充填自动化控制系统示意如图4所示。  图4 充填自动化控制系统示意图 在不影响采煤机正常割煤作业，保证安全生产的同时，实现高效自动化充填，及时充填尽可能多的煤矸石，达到矿井废弃物零排放，力争年充填煤矸石达300万t以上，从而适应我国煤矸石排放的集中化、高产化和规模化发展趋势，做到生态环境低损害开采，从而从根本上解决矸石处理难题，保障煤矿开采的绿色可持续发展。 5 结 论 1) 我国煤矸石排放呈逐年增加的趋势，预计2020年将排放7.95亿t煤矸石，并且随着煤矿大型现代化矿井建设的推进，以及开采深度增加、洗选技术的发展，煤矿排矸呈集中化、高产化和规模化的发展趋势，急需发展煤矸石处理技术。 2) 目前煤矸石井上综合利用技术主要包括煤矸石发电、铺路、生产建筑材料、生产化工原料、农业应用等，取得了不错的应用效果；但煤矸石综合利用率不足30%，绝大多数煤矸石仍以堆积的方式进行处置，仅发展煤矸石井上综合处理技术不能满足我国日益增大的煤矸石处理量的要求。 3) 煤矸石井下充填处理技术是我国煤矸石处理技术的发展趋势，现有井下充填处理技术主要应用于“三下”压煤的开采，受限于充填效果、装备工艺及自动化程度等因素，不能满足煤矸石处理的发展要求。 4) 煤矸石高效自动化充填处理技术是我国煤矸石处理技术的发展趋势，在目前综合机械化固体充填采煤技术的基础上，通过改变充填目的和工艺，改进充填关键装备，提高充填工作面自动化程度，可以实现煤矸石井下充填处理能力达300万t/a以上，满足我国煤矸石处理的发展需求，从根本上解决煤矸石处理难题。 作者简介 周楠(1988—)，男，安徽省宿州市人，副教授，主要从事充填开采与岩层控制方面的研究。 |
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