基于矿井矸石减量在煤质管理中的应用与研究

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。