基於礦井矸石減量在煤質管理中的應用與研究

基於礦井矸石減量在煤質管理中的應用與研究

前 言

十二礦為了瓦斯區域治理的需要，採用開採保護層方法治理瓦斯，於2008年開始開採己14保護層，開採保護層後，產生了大量矸石。矸石主要來源於三水平保護層開採和高、低抽巷巖石巷道的掘進。2019年每月產生矸石量約3.83萬噸，年產生量共計約46萬噸。2020計劃開採保護層和瓦斯治理工程較多、矸石產量大，合計產生矸石量約32萬噸。對煤質灰分影響較大。十二礦煤質急劇下降，入洗煤灰分由開採前的20%-25%上升到開採後的35-45%。為應對保護層開採造成灰分升高的局面，結合集團實施的礦井矸石三年減量規劃，制定了《十二礦矸石減量化處理實施方案（2020年-2022年）》。通過矸石減量的實施，逐步提高十二礦煤炭質量，通過近一年來的實施，收到了較好的效果。

1.礦井概況

1.1交通位置

平頂山天安煤業股份有限公司十二礦（以下簡稱十二礦）位於平頂山市區東部，距市區7.5km，行政區劃屬平頂山市東高皇鄉。井田地理座標：東經113°21′21″～113°22′48″，北緯33°44′35″～33°47′54″。井田南北長約4km，東西寬約3km。十二礦距市區7.5km，交通便利。漯（河）寶（豐）鐵路支線斜穿井田，東與京廣鐵路相接；西與焦枝鐵路相連；平（頂山）舞（陽）支線與地方小鐵路漯（河）南（陽）支線連接；礦區鐵路專用線從十二礦主井、煤倉直達田莊集配站，並與漯寶鐵路相接。礦井始建於1958年6月，於1960年7月簡易投產，礦井原設計能力為30萬噸/年，其後經過多次改擴建和技術改造，核定礦井綜合生產能力130萬噸/年。

1.2井田地質構造

東部邊界：與八礦井田邊界相鄰。

西部邊界：與十礦井田邊界相鄰。

南部邊界：與二水平己七採區相鄰。

北部邊界：靠近李口向斜軸。

採區走向長2250m，傾斜寬1800m，面積為4.05Km2。適宜佈置一個單一採區，開採已15、已16-17煤層。該採區煤層產狀主要受李口向斜控制，位於李口向斜南翼，屬於單斜構造，自南向北，煤層傾角由10°逐漸減小到2°，靠近向斜軸部近於水平。由於離李口向斜軸較近，受區域構造應力影響，中、小斷層構造較為發育，而且同沉積斷層與沉積巖石組合相關的構造也可能在一定部位出現。將對生產造成較大的影響。另外，局部地區可能會有次生小褶皺存在。

圖1-1平煤集團十二礦位置圖

1.3煤層賦存

井田範圍內主要可採煤層和局部可採煤層8層，礦井只開採山西組（己組）和太原組（庚組）的煤層，現將礦井煤層自下而上敍述如下。

①庚20煤層

庚20煤層位於太原組的L5和L6灰巖之間，上距己16-17煤層64m左右。煤層厚度在0.45～1.10m之間，平均0.89m。頂底板均為泥巖和砂質泥巖互層，局部夾雜煤線，可採性指數為0.78，屬不穩定煤層。

②己16-17煤層

己16-17煤層位於山西組下部，井田東北部煤厚1.7m左右，南部1.1m，西部與己15煤層合併，平均煤厚1.53m，可採性指數為1。

煤層上覆頂板為砂質泥巖或泥巖，直接頂平均厚3.3m，底板為灰色砂質泥巖。上距香炭砂巖（Sx）30m，砂鍋窯砂巖（Ss）68m，上距戊9-10煤層175m，距己15煤層0～13.73m，一般2～5m。下距本溪組鋁質泥巖84m，間距雖有一定變化，但層位清楚，全區可採，易於對比。

③己15煤層

己15煤層位於山西組中部偏下位置，煤厚在0.8～5.50m之間，一般厚度3.00～3.7m，平均厚度3.4m，簡單結構，煤厚變異係數10.3%～23.6%，可採指數為1，屬中厚可採煤層。己15煤層間接頂板為灰白色細粒砂巖和中粒砂巖，平均厚11m左右，全區發育。

④己14煤層

己14煤層位於山西組中下部，井田南部鑽孔及井下工程偶見己14煤層，井田北部鑽孔及井下工程均有見己14煤層，煤層厚度0～1.0m，平均厚0.6m，屬薄煤層。直接頂為砂質泥巖和細砂巖，平均厚度6m，間接頂板為淺灰白色細粒砂巖或中粒砂巖，平均厚17m左右，底板是灰白色細粒砂巖和中粒砂巖，平均厚11m；下距己15煤層8～17m，一般為10～12m。

1.4礦井開拓方式、開採方法和水平及採區劃分

①開拓方式：礦井開拓方式採取斜、立井混合多水平上下山開拓全井田。

②開採方法：礦井採用走向長壁後退式綜合機械化採煤法採煤，全部跨落法管理頂板。

③開採煤層及順序。礦井主採煤層為已15、已16-17煤層，先開採已15煤層，後開採已16-17煤層。

④水平、採區劃分：十二礦共劃分為三個水平，分別是一水平（-150m），二水平（-270m），三水平（-600m）。七個採區，分別為己一、己二、己三、己四、己五、己六、己七採區。其中一水平己一、己二、己四、己五采區已回採完畢，己三採區為三下充填開採，二水平己六採區已經封閉，三水平採區為目前的生產採區。三水平走向長2250m，傾斜寬1800m，佈置為單一採區，雙翼開採。

1.5 礦井排矸方式

十二礦根據平煤神馬集團瓦斯綜合治理的需要，為釋放三水平瓦斯，確定了開採保護層，把東翼開採己14煤層作為己15煤層上保護層進行開採，西翼開採下保護層及高抽巷作為己15煤層上保護層進行開採釋放瓦斯。在排矸路線上，自洗選硐室以下有獨立的排矸和矸石回填系統，東翼保護層開採（如己14-31010、31050、31070、31090，31040下保護層工作面及其他瓦斯治理巷排放）的砟煤都經過洗選硐室篩分後，矸石進入矸石倉；西翼排矸路線是西翼 （如第二、第三、己15-31020）瓦斯治理巷的矸石經過西翼排矸巷直接進入三水平矸石倉。到達三水平矸石倉的矸石在經過170主運輸皮帶系統措施運到地面。

2.課題實施背景

平煤股份十二礦自然條件得天獨厚，素以煤質優良而著稱。礦井主要開採己組煤，煤種為肥煤、焦煤、低灰、低硫、高熱值，是優良的入洗原料煤，隨着採掘工作面向下延伸，分佈在一、二水平的主採面相繼開採完畢，現在工作面全部分佈在三水平的己14、己15、己16-17煤層。根據平煤集團瓦斯區域綜合治理的需要，自2008年8月份開始進行保護層開採和高低抽巷釋放瓦斯，從而造成煤質下降、運輸壓力增大、地面環境破壞等諸多問題，是十二礦前所未有的。

一方面，自2009年保護層開採和高低抽巷的掘進，對煤質的影響開始顯現出來，以2009年保護層開採開始為界，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個百分點,煤中之“味精”的美譽不復存在。

另一方面，環保壓力增大，礦區矸石堆放成為礦區重大污染源，為徹底解決礦區矸石堆放對環境的影響，必須實施矸石減量化。

綜上所述，為解決上述問題，實施矸石減量化已迫在眉睫。通過巷道設計優化、設備選型、矸石回填、源頭控制、杜絕超掘超挖等措施，實現矸石不升井或少升井，既解決了環境問題，又節約了土地資源，達到綠色開採目的。

2.1確定矸石減量化目標

本着“減頭減量化，存量零增長”的矸石管理要求，集團出台了《中國平煤神馬集團煤礦矸石減量化處理指導意見》（中平〔2019〕228號）。根據集團要求，經過實施矸石減量化處理：到2020年底，實現矸石產生量在2019年底基礎上減少15%。到2021年底，實現矸石產生量在2019年底基礎上減少40%。到2022年底，實現矸石產生量在2019年底基礎上減少50%的目標。

2.2十二礦矸石產量和矸石處理現狀

2.2.1十二礦2020年矸石來源、產量情況

十二礦2020年計劃開採保護層2個，分別為己14-31090採面和下保護層31040採面，共計開採495m，瓦斯治理工程2122m。其中保護層開採所產矸石量約24萬噸，瓦斯治理工程產矸量約8萬噸，合計產生矸石量32萬噸。

2.2.2矸石處理現狀

十二礦積極採取措施，對升井矸石進行有效合規處置，減少對環境造成的影響。

治理礦東矸石山

建立了1.1萬m2的矸石轉運場臨時儲矸大棚，對升井的矸石進行合規暫存，棚內設置有灑水降塵噴頭、噴霧炮等抑塵設施，可以有效控制落矸、裝車過程中產生的粉塵，在臨時儲矸棚門口建立洗車裝置，嚴格運矸車輛沖洗、覆蓋後出礦。對臨時儲矸棚周邊的區域進行覆土綠化，綠化面積達到3萬m2。

實現綜合利用

十二礦升井矸石與綜合利用磚廠簽訂綜合利用協議，所有升井矸石全部拉至磚廠做成砌塊磚實現綜合利用。

綠化北山矸石堆放點

2017年完成綠化面積9500m2，2019年對剩餘的部分除留有自由落矸區外，全部進行了覆土綠化和地面硬化，綠化面積達到7500 m2，硬化（鋪設彩磚）面積4100 m2，另外對翻矸架進行了封閉，封閉面積300 m2，可以有效抑制粉塵飛揚。

2.3矸石減量的目的

2.3.1實現綠色開採目的

通過矸石減量課題的實施，使瓦斯治理巷道和保護層開採的渣煤經洗選硐室篩分後，篩上矸石直接充（回）填，一方面將減少井下運輸系統的壓力；另一方面減少了大量矸石排至地面後佔用土地，不但有粉塵污染，而且若矸中有煤，堆積發熱後產生SO2、CO2等對大氣造成污染。最重要的是實現了矸石不升井，達到了綠色開採的目的。

2.3.2實現煤質增收目的

通過矸石減量實現煤質增收目的，2020年為了實現全年40%的煤質考核指標，通過採取矸石井下回填、優化巷道設計、設備選型、控制採面採高、掉（冒）頂、杜絕掘進工作面超掘超挖、嚴查違規排矸等措施，減少矸石產量，加大煤質增收、增加銷售收入。

3.課題研究方向

堅持“以安全環保為前提，以質量效益為中心”的理念，把《十二礦矸石源頭減量方案》落到實處，把矸石減量融入到煤質管理工作中去，優化採面佈置，優化系統設計，不斷完善全巖掘進巷道排矸方式，實現煤矸分運，減少矸石產量，為提質增收創造條件，為淨化礦區周邊環境奠定基礎。加大監督考核力度，嚴格考核兑現，確保各項制度措施執行到位，做到人人身上有責任，各個環節有保障，形成全員參與、全過程控制的矸石減量管理體系，力爭完成矸石減量目標。

4.主要採取措施

4.1把矸石減量工作寫進煤質管理辦法中去

完善《十二礦煤炭質量管理辦法》，使矸石減量作為降灰提質的重要手段。成立了以礦黨委書記、礦長為組長的十二礦矸石減量領導小組，明確部門分工及責任，統一指揮協調矸石減量工作，研究解決相關問題。

落實以“質量效益為中心”的質量理念，就要把矸石減量工作作為重中之重來抓。堅持從源頭設計減少矸石量。採煤工作面設計前，應先進行矸石減量、經濟效益論證。在滿足礦井生產安全的前提下，考慮源頭矸石減量，減少巖石巷道設計，合理設計巷道斷面，從而提高煤質。

4.2 明確十二礦三年矸石減量規劃指標

認真貫徹落實集團關於煤礦矸石減量的管理要求，紮實開展矸石減量化處理的各項工作。結合十二礦目前的矸石生產狀況，制定了《十二礦矸石減量化處理實施方案（2020年-2022年）》。

4.2.1 2020年計劃

2020年，減少矸石產生量約7萬噸，在2019年底基礎上約減少15%。

（1）減少矸石產生量規劃

①己15-31060進風巷低位瓦斯治理巷，計劃施工457m，斷面優化後，預計減少矸石8554噸。

②己14-31110進風巷，計劃施工150m，斷面優化後，預計減少矸石1404噸。

③己14-31220進風巷，計劃施工630m，斷面優化後，預計減少矸石11794噸。

④己14-31220迴風巷，計劃施工370m，斷面優化後，預計減少矸石6926噸。

⑤己14-31110高抽巷，計劃施工250m，斷面優化後，預計減少矸石585噸。

⑥31040下保護層採高由1.8m優化為1.6m，計劃開採370m，預計減少矸石23088噸。

⑦開拓工程根據計劃調整施工，2020年暫不施工488m，預計減少矸石量17864噸。

綜上，2020年預計減少矸石量共計69585噸，約為7萬噸。

（2）矸石回填規劃

2020年上半年由總辦室組織，與中國礦業大學等高校科研組進行合作，完成回填方案初步方案的設計、論證工作， 充分分析十二礦矸石回填的可行性與回填方案、設備選型等，確定回填總體規劃方案。

2020年下半年，根據回填總體規劃方案，開展巷道工程、設備設備配套等相關工程建設。

4.2.2 2021年計劃

2021年，減少矸石產生量約6萬噸，回填矸石量約12萬噸，共計減量18萬噸，在2019年底基礎上約減少40%。

（1）減少矸石產生量規劃

①31060下保護層迴風巷，計劃施工780m，斷面優化後，預計減少矸石7301噸。

②己14-31110進風巷，計劃施工928m，斷面優化後，預計減少矸石8686噸。

③己14-31220進風巷，計劃施工370m，斷面優化後，預計減少矸石6926噸。

④己14-31220迴風巷，計劃施工630m，斷面優化後，預計減少矸石11794噸。

⑤己14-31110高抽巷，計劃施工500m，斷面優化後，預計減少矸石1170噸。

⑥31040下保護層採高優化，計劃開採343m，預計減少矸石21403噸。

綜上，2020年預計減少矸石產生量共計57280噸，約為5.7萬噸。

（2）矸石回填規劃

2021年實施矸石回填，預計回填矸石量約1.8萬噸。

4.2.3 2022年計劃

2022年，減少矸石產生量6萬噸，回填矸石量17萬噸，共計減量23萬噸，在2019年底基礎上約減少50%。

（1）減少矸石產生量規劃

①31060下保護層進風巷，計劃施工800m，斷面優化後，預計減少矸石7488噸。

②己15-31050裏採面第一瓦斯治理巷，計劃施工1000m，斷面優化後，預計減少矸石18720噸。

③31080下保護層進風巷，計劃施工655m，斷面優化後，預計減少矸石6131噸。

④己15-31050裏採面第四瓦斯治理巷，計劃施工1300m，斷面優化後，預計減少矸石24336噸。

⑤31080下保護層迴風巷，計劃施工800m，斷面優化後，預計減少矸石7488噸。

綜上，2022年預計減少矸石產生量共計64163噸，約為6.4萬噸。

（2）矸石回填規劃

2022年實施矸石回填，預計回填矸石量17萬噸。

4.3從源頭設計方面，減小巖石巷道斷面

根據十二礦實際，在滿足安全生產的前提下，對巷道斷面進行優化設計，減小巷道斷面。如在設計瓦斯治理巷道時，由原淨寬×淨高=4.6m×3.4m的矩形斷面優化為淨寬×淨高=4.4m×3.2m的拱形斷面。通過優化巷道設計斷面、杜絕超掘超挖，2020年減少矸石產生量25044噸。

4.4巷道一次支護到位，減少擴修、維修量

改進支護方式，增加支護強度，提高巷道施工質量，爭取巷道一次支護到位，減少巷道擴修、維修工作量。如三水平開拓巷道剩餘下延工程施工時層位選擇在己14頂板堅硬巖石裏面，加強支護確保一次支護到位。

4.5優化採煤工作面設計，減少矸石量

新規劃設計的採面按照“長走向、大采長、大儲量”的原則進行設計，儘量減少區域瓦斯治理工程量。借鑑先進單位的採煤工藝，一次採全高，減少掘進巷道施工量，從而減少矸石量。

4.6 採煤工作面設計時避開較大的地質構造

根據地質情況，採煤工作面設計時合理避開較大的斷層、褶區、薄煤帶等地質構造。回採工作面根據受地質構造帶影響程度，合理選取降低採高、跳眼等安全技術措施，減少矸石採出量。掘進工作面要嚴格按照設計斷面施工，遇到構造帶時，要加強頂板支護，杜絕頂板矸石冒落。

4.7 優先選擇薄煤層綜採設備

保護層工作面綜採設備招標選型，優選採用採高範圍控制更低的薄煤層綜採設備。下保護層採面採用了ZY4000/10/20型液壓支架，由設計採高2.0m，降低為1.7m。解決了多采巖石的問題。

4.8 積極組織矸石回填，減少矸石升井

矸石回填是減少矸石量的關鍵辦法，也是最有效的途徑。根據十二礦實際，生產採空區回填、現有巷道、廢棄巷道等回填方式中，選取合適的充填方法，實現矸石不升井。2020年根據十二礦實際，選取了己14-31050上進風和己14-31040上進風進行了充填。其中：己14-31050上進風回填78m，回填量3144噸；己14-31040上進風回填474m，回填量11164噸；合計回填552m，回填矸石14308噸。

4.9 加強源頭控制，控制採高，減少破巖量

己15採面根據煤厚情況沿頂、沿底回採，己16-17採面採高控制在2.0m以下，煤厚不足1.9m，採高控制在1.9m以下。上保護層工作面採高控制在2.0m；下保護層工作面控制在1.7m一下。掘進工作面嚴禁超掘超挖，超過設計尺寸0.2m，進行嚴厲處罰。

5.矸石減量實施過程中存在的困難和問題

5.1矸石減量的最大障礙

5.1.1保護層開採是矸石減量的最大障礙

以2020年為例，己14-31090採面及31040下保護層採面產矸量27萬噸，佔礦井矸石量的68.89%。現在還沒有比開採保護層更好的治理瓦斯方案。只要開採保護層矸石就無法徹底減下來。

5.1.2瓦斯治理抽放巷道是矸石減量的第二大障礙

隨着礦井採深增加瓦斯含量、瓦斯壓力顯著增加，開採保護層治理瓦斯需要施工必要的高、低位抽採巷道，產生不少矸石。以2020年為例，瓦斯治理巷道2122米，產生矸石6.3萬噸，佔礦井量的16.27%。

5.1.3開拓工程是矸石減量的第三大障礙

隨着礦井的下延開掘工程（軌道、總回、運矸皮帶、運煤皮帶等）有增無減，每年至少需施工600～800m巖巷。產生矸石2.1噸，佔礦井量的5.37%。

5.1.4隨着環保形勢嚴峻，矸石運輸和處理難度增加

一是近幾年礦區周邊矸石磚廠由於環保要求紛紛關門或者外遷，造成矸石銷路萎縮，遠距離運輸又成本較大，二是矸石帶來的污染。矸石本身來自於井下，其中含有大量的有毒有害物質，在露天的狀況下長期堆放對周圍的環境有很大的影響。

5.2矸石回填中存在的問題

一是成本高問題，以巷道回填為例，回填一噸矸石成本達到70～80元；二是回填勞動強度大，效率低。由於沒有先進的回填工藝，還是停留在用人工的方法進行回填。三是廢舊巷道變形嚴重，回填量較小。四是廢棄巷道由於存在瓦斯釋放因素，安全管理難度較大，如己14-31040上進風回填時，多次出現瓦斯超標的現象。

6.經濟效益分析

6.1矸石減量測算

以1-10月份矸石減量情況分析，己14-31050上進風巷和己14-31040上進風巷合計回填14308噸；設備選型、控制採高源頭減量40933噸；優化巷道設計、杜絕超掘超挖25044噸，合計矸石減量80285噸。

6.2矸石減量前銷售收入測算

原煤量為1597208噸（其中矸石量為80285噸），灰分為38.97%，對應售價為598.23元/噸(税後，下同)。銷售收入為9.55億元（598.23×1597208）。

6.3矸石減量後銷售收入測算

1-10月銷量1516923噸，灰分36.53%，售價642.08元/噸。銷售收入9.74億元（642.08*1516923）。

6.4矸石減量後提質增效測算

矸石減量後實現提質增收1900萬元（9.74-9.55）。

6.5減少處理矸石的費用測算

如果矸石不減量進入流通環節的費用，洗選費用，環境生態修復費用共計903萬元。其中減少流通費用27.52 元/噸，減少洗選費用 40元/噸，減少環保處理費用45元/噸。每噸矸石減少費用112.52元/噸。

其計算方法：（27.52+40+45）×80285=903萬元

6.6矸石減量綜合增收測算

其計算方法：1900+903=2803萬元

6.7矸石減量淨收益分析

根據核算，矸石回填月運行費用為133.52萬元（含設備投入、折舊，人工工資，電費等）。那麼淨投資收益為：2803-133.52*10=1467.8萬元。

綜上所述，矸石減量直接淨增加收入達到1467.8萬元。

7.結論

《基於礦井矸石減量在煤質管理中的應用與研究》科技項目在十二礦的成功實施，取得了良好的效果。該項目工程於2020年1月份進入正常工業性試驗。1-10月通過利用廢棄巷道回填矸石14308噸；設備選型、控制採高源頭減量40933噸；優化巷道設計、杜絕超掘超挖25044噸；合計矸石減量80285噸。通過該科技項目的實施，對今後十二礦加強矸石源頭控制，達到矸石不升井或少升井，實現綠色開採起到積極的推廣作用，必將取得更大的經濟效益。

7.1經濟效益

項目實施期週期內，合計矸石減量80285噸，淨投資收益1467.8萬元。

7.2社會效益

通過該項目的實施不再使80285噸矸石產生，以及不再混入煤中進入流通環節，將會大大降低流通成本和洗選成本，同時對提高洗煤廠的精煤產率，對減少洗選設備磨損率、延長洗選設備的使用壽命，都能起到積極的意義。

7.3生態效益

通過實施該項目，在巷道設計、綜採綜掘設備選型、生產施工管理、瓦斯治理、矸石運轉、井下充填等過程中，充分考慮矸石井下減量化處理，從源頭上控制矸石升井量，進而減少矸石地面堆積造成的一系列問題，最終實現礦井的安全、高效、綠色開採。