一般情況下，矸石處理系統(tǒng)設備都布置在地面。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、給料機、攪拌機等設備下井。等到設備到位、施工完成后，該礦將實現(xiàn)矸石不升井。這是中國煤炭科工集團有限公司(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近平生態(tài)文明思想，強化科技創(chuàng)新，利用技術優(yōu)勢，因地制宜，為煤基固廢找個好去處，推動煤基固廢規(guī)?；?、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，回采前需掘進瓦斯抽采巷，產生大量矸石。有關政策要求，禁止新建或擴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量發(fā)展的因素之一。
傳統(tǒng)矸石規(guī)?；涮钐幹猛ǔＲ诘孛娼ㄔO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還需較長的審批周期，導致項目建設周期較長。另外，將大量矸石輸送至地面，再轉運至充填站，也需占用礦井生產資源，顯著增加矸石處置費用。
針對這些問題，中國煤科所屬科工生態(tài)開展了矸石充填處置技術研究，在王坡煤礦井下建設掘—充一體化系統(tǒng)，將巖巷盾構掘進矸石直接同步充填至鄰位采空區(qū)或廢棄巷道，構建了一整套“碎—拌—輸—充”集成化工藝系統(tǒng)，實現(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目矸石年處理能力達30萬噸，矸石不升井，可顯著節(jié)約矸石升井和外排處置費用;矸石充填至采空區(qū)，降低了充填區(qū)域新掘進巷道的支護難度;直接利用礦井水、盾構掘進廢水作為生產用水，節(jié)約了水資源，經濟、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，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、鄰位注漿充填技術、低位(原位)注漿充填技術以及老空區(qū)充填技術，形成了集固廢處理、地表減沉、保水儲水、礦壓弱化于一體的綠色開采四位一體注漿充填技術體系。
在淮河能源集團唐家會煤礦矸石處理項目中，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，實現(xiàn)矸石不外排，助力綠色開采。
智能化處理，運營簡單高效
煤礦智能化建設是一項系統(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計院聯(lián)合總承包的全國最大智能化矸石充填系統(tǒng)在陜煤集團小保當?shù)V業(yè)公司正式投運。該充填系統(tǒng)年可處理矸石量達200萬噸，創(chuàng)下了單體項目建設規(guī)模最大、單體項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等多項第一。
據(jù)了解，小保當?shù)V業(yè)公司矸石充填系統(tǒng)建成了智能控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)矸石充填系統(tǒng)成套設備一體化控制，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;各項關鍵數(shù)據(jù)可實時在線監(jiān)測，定時自動對成套設備進行健康評估，智能識別設備早期故障和異常狀態(tài)，實現(xiàn)了充填系統(tǒng)的高效運行、智能運維、智慧管理。
11月3日，由科工生態(tài)自主研發(fā)的國內首套移動式智能制充一體化系統(tǒng)在濟寧下線。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)注漿系統(tǒng)建設慢、效率低、場地要求高的限制，可用于礦山資源采前地面預注漿，采中防治水、防滅火、覆巖離層注漿、搶險救援，采后采空區(qū)治理等領域。
作為一座可移動注漿站，移動式智能制充一體化系統(tǒng)可實現(xiàn)一鍵啟車、一鍵沖洗、一鍵停車、遠程遙控控制以及無人值守，一臺設備即可完成注漿作業(yè)全部工作流程，具有自動化程度高、漿液指標穩(wěn)定、注漿控制精準、操作簡單、移動靈活、安全系數(shù)高等特點，可提高工作效率，減少運維成本。
中國煤科所屬開采研究院則基于國家能源集團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，研制出智能連采連充關鍵裝備，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，該項目已完成前期研究工作，擬建立“連采—連運—連充”規(guī)?；哔|量采充系統(tǒng);應用連采連充井上井下智能協(xié)同控制系統(tǒng)，實現(xiàn)采、充工況變化的智能感知與充填效果實時反饋。
探索更多可能，推動資源化處理
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，進一步強化科技創(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)治理相關技術力量，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、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)產業(yè)園新建了充填與固廢綜合利用重點實驗室。該實驗室由中國工程院院士王雙明領銜，致力于煤炭充填開采技術與裝備開發(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實驗室，科工生態(tài)構建了“采空區(qū)覆巖破壞機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”等多項關鍵基礎理論與技術裝備體系，并將研究成果應用于張官莊等原村址場地采空區(qū)治理項目，累計釋放土地資源約7000畝，產生經濟效益數(shù)百億元。
為實現(xiàn)煤基固廢規(guī)模化處置和分質分級、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，包括改性固廢膠凝材料、高效燃燒碳利用技術等。
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則可根據(jù)不同煤基固廢材料的化學組分、物理特性，對高含碳材料進行懸浮脫碳，并通過超細粉磨、定向分選、化學分離等技術措施，生產偏高嶺土、化工填料、白炭黑、水玻璃、凈水劑、氧化鋁等高附加值產品，提升煤基固廢資源化和高值化利用水平。
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