建筑物下特厚煤层镁渣基全固废连采连充开采技术与实践

我国建筑物下压煤量巨大,同时煤矸石、粉煤灰等煤基工业固体废弃物排放量日益增加,严重制约地方经济社会发展。以榆林麻黄梁煤矿为试验矿井,针对其特厚煤层、建筑物下压煤、充填成本高等问题,提出了特厚煤层全固废连采连充开采技术。采用四阶段工序并将特厚煤层分为上、下2部分二次回采压覆煤炭,最大程度控制地面沉降。为降低充填原材料成本,采用化学优化剂对镁渣进行源头改性,抑制镁渣冷却粉化,稳定水化活性,协同粉煤灰、脱硫石膏等煤基固废,研发了改性镁-煤渣基胶凝材料。采用改性镁-煤渣基胶凝材料胶结煤矸石、粉煤灰制备了全固废充填材料。针对麻黄梁煤矿四阶段强、弱充填强度要求,设计不同配比的改性镁渣基充填材料试验,优选配比并应用于井下充填。论述了膏体充填系统与充填接顶方法。麻黄梁煤矿全固废胶结充填工艺试验显示,井下28 d龄期充填体钻芯平均单轴抗压强度超设计强度27%,钻芯浸出毒性满足相关国家标准要求,成功回收了建筑物下压覆煤炭资源,社会经济效益显著。麻黄梁煤矿特厚煤层全固废胶结充填开采实践为国内类似矿井提供了有益借鉴,同时为我国大型煤炭基地的“煤-电-化-冶”固废大规模资源化利用提供了新的思路。     

新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究

新疆煤炭资源储量丰富,是我国重要的煤炭生产接续区和战略性储备区,开发利用过程中产生的煤基固废合理处置与资源化问题是制约矿区环境保护的难题之一。总结分析了新疆煤基固废的理化特征和分类形式及其产生的地质背景。分析表明:吐哈、准噶尔、伊犁、库拜4大煤田产生的煤基固废的理化特征存在明显地区差异,以低阶烟煤为主的低变质煤田区域的煤矸石多以砂岩、黏土岩、钙质岩为主;通过对典型煤基固废的综合评价,提出了新疆煤基固废梯级资源化利用的产业链布局模式;提出了以煤基固废的就地充填为基础,协同发展保水开采、净水开采、储能开采等煤基固废利用的新方法,探讨了煤基固废-电-化、煤基固废-电-建等高附加值开发利用产业布局模式,详细阐述了煤基固废在发电利用、建材利用、化工产品制备、充填处置及工程填料等方面综合资源化利用方法的原理和技术路线,提出了以合理处置矸石和水资源保护为目标的煤炭资源高效集约化开采技术。研究成果对新疆地区优化煤炭产业布局、煤基固废梯级资源化利用及矿区生态环境保护具有重要的指导意义。     

山西省典型煤电基地煤基固废综合利用研究与资源化分析

通过对山西省典型煤电基地潞安矿区煤矸石和粉煤灰综合利用途径进行深入的研究,对煤矸石和粉煤灰样品的化学组成、矿物组成、发热量、重金属含量、灰分含量、水分含量、含碳量和全硫量等物理化学性质进行检测试验,结合煤基固废综合利用的总体原则和对应用过程中对环境污染风险的考虑,选择适合不同物理化学性质的煤矸石的利用途径和优先发展产业链。研究发现,山西地区大部分煤矸石适合制备水泥和建筑材料,部分煤矸石适合回收硫铁矿、制作高级陶瓷、制备分子筛、用作燃料和发电材料;而山西地区的粉煤灰不适于做混凝土掺料、水泥混合材、硅酸盐制品、砂浆原料、回填材料、泡沫绝热材料、粉煤灰三渣和陶质材料,适合用做填料、农用、提铝,也可用于水处理剂和其他高附加值应用。该研究可为提高山西省典型煤电基地固废利用率和产业化实际应用提供参考。     

神东高强度开采煤矸石规模化利用模式研究

针对神东高强度开采矸石产量大且现有各种矸石利用、处置方式均存在一定局限性，导致矸石消化能力不足的问题，提出了神东高强度开采煤矸石规模化利用模式，分析了神东各矿井矸石产量及实际生产条件、神东矿区矿井实际情况及周边产业分布情况、各矿煤矸石利用途径，总结了煤矸石发电、煤矸石铺路、煤矸石生产建筑材料、煤矸石制高岭土、煤矸石用于农业和工业、煤矸石井下充填利用等，构建了神东矿区煤矸石规模化利用模式，实现煤矸石地面资源化利用，结合矿井回收煤柱、灾害治理等进行矸石充填开采，消耗剩余大部分矸石，且应用充填开采不得影响矿井产量，同时对充填方式进行适当优化，精准落实“一矿一策”,形成条带胶结膏体充填、综采膏体充填、注浆充填、固体充填、“采选充”一体化充填和多模式综合充填等神东井下分类精准化充填模式。这种“地面资源化利用+井下精准化充填”矸石规模化利用模式，能够实现经济效益和矸石处置、灾害治理效益最大化。     

煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法

矿山固废处置与利用是我国煤矿开采中面临的主要问题之一，严重制约着煤炭资源开发与环境保护协调发展。井下充填是矿山固废绿色高效处置的重要技术途径之一，但现有充填技术增加了工作面生产工序，降低了15%～20%采煤效率，亟需解决矿山固废充填与煤炭开采之间时空干涉难题，突破矿山固废井下充填处置的技术瓶颈。为此，综述了矸石处置利用现状与存在问题，提出了煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法，系统阐述了嗣后空间矸石注浆充填方法内涵及关键科学与技术问题，给出了嗣后空间矸石注浆充填系统空间布局方式，探讨了非均质矸石料浆流动性稳态控制机理、嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律、嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律、嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理等理论的研究重点，分析了毫米级矸石注浆充填材料研发、矸石料浆高效制备与输送、注浆钻孔布局及时效控制、矸石注浆充填效果智能监控等技术的研究难点。煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法创新了矸石井下高效处置新模式，完善了矸石综合处置与利用技术体系，引领了我国煤炭资源绿色安全高效开发新方向，在矿山固废高效处置及生态环境保护等方面具有广阔应用前景，可促进矿山矸石固废的源头减排、就地处置、循环利...     

煤矿矸石井下分选协同原位充填开采方法

煤矿开采伴随着矸石等固废排放和采场矿压与地表沉陷控制问题,推进煤矿绿色开发将是从源头上保护矿区生态环境的重要手段,统筹考虑煤炭采掘、原煤加工和固废排放的关系对于建设绿色矿山尤为重要,而煤矿井下采-选-充协同将是从根本上解决上述问题的技术途径。基于此,在充分考虑采煤、分选和充填基础上,以井下分选为核心,围绕充填开采方法构建了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式,阐述了煤矿井下采、选、充系统的时空协同关系,揭示了"就近分选+原位充填"的科学内涵,实现了充填能力与分选能力匹配、采充系统与分选系统布置、采充工艺与分选工艺组织和矸石物流运输与调控4个方面的协同;提出了实现不同目标层次的煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术体系,主要包括全粒级分选、煤矸分离和毛煤排矸3个不同等级的井下煤矸分选技术和实现采场矿压与地表沉陷控制、矸石处理和资源回收不同目标的井下原位充填技术2个方面;分析评价了新型跳汰分选、旋流器分选、重介浅槽分选、动筛跳汰分选和γ射线分选5种井下煤矸分选方法的适用性,给出了煤矿矸石井下分选方法选择流程,确定了煤矿矸石井下分选系统及巷硐布置要求,探讨了煤矿井下全粒级分选的发展方向;提出了...     

煤基固废制备纳米多孔材料研究进展

作为典型的铝硅酸盐固体废物,粉煤灰、煤矸石、气化渣等煤基固废中SiO2和Al2O3含量可达60%～90%,因此可将其作为硅源和铝源以制备具有高附加值的纳米多孔材料。主要综述了国内外利用粉煤灰、煤矸石、气化渣等煤基固废以制备纳孔材料的研究进展与反应机理,并对煤基固废制备纳孔材料进行总结与展望,以期为煤基固废高值化利用的进一步发展提供参考。指出目前煤基固废制备纳孔材料研究大多处在实验室研究阶段,尚未实现工业化生产,需解决合成过程中存在的沸石分子筛产品纯度低、成本高以及环境污染等问题,但以廉价煤基固体废物合成高值化纳孔材料的研究方向极具价值与潜力;合成纳米多孔材料的工艺种类和路线极其多样,难以找到相对普遍适用的方法,其合成机理有待进一步探究,且缺乏利用气化渣或数种煤基固废协同制备沸石分子筛等纳孔材料方面的研究。根据各煤基固废的具体矿相、物化成分等性质,有针对地设计并制备特定的纳孔材料,可发挥纳孔材料具有较大的比表面积、较窄的孔径分布、较大的孔隙体积等优良性质,使其具有良好的吸附能力。未来研究可集中于寻找更加经济、简便的活化和后续处理方法以提高纳孔材料的纯度和固体原料转化率,缩短工艺流程、减少药品消耗、降低合成成本以实现工业化生产,提高纳孔材料的性能如增大比表面积和孔隙体积等,开发多种煤基固废协同作用制备工艺及探究协同机理以求优势互补。     

济宁三号煤矿生态建设体系的设计与实践

 基于煤炭开采对生态环境造成的主要影响,探索了煤矿生态建设的技术体系。因地制宜进行了生态产业的规划设计,确定了煤炭—电力—港运－旅游的产业链延伸方式;优化矿区水资源配置,使矿区污废水循环利用;创建了煤矸石减量化、资源化、无害化绿色处置模式及矸石边排放边绿化的处置技术;优化开拓布局,实施矸石井下充填、无煤柱沿空留巷、放顶煤条件下上行开采等清洁开采技术,提高了煤炭回采率,减少了地面沉降、矸石产出量及矿区环境污染。取得了较好的经济效益、环境效益和社会效益。为我国煤矿的生态建设提供了有效途径和技术支持。     

“双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路

在“双碳”目标背景与当前技术条件下,“煤”“废”“碳”构成了煤炭的“不可能三角”,严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废”“从哪里来到哪里去”的原则,着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角,探索“煤”“废”“碳”协同发展路径,为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体包括：①阐明了“煤”的减损化开采科学内涵,明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题,提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术;②阐明了“废”的功能化利用科学内涵,明确了固废功能化利用的科学问题,包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面,形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系;③阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵,提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径,厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存...     

煤矸石资源化利用技术研究新进展

在分析我国过去30年能源结构及其变化趋势的基础上,简述了伴随煤炭开采过程中煤矸石排放对生态环境造成的巨大危害,并介绍了煤矸石的物理、化学性质和现有利用方式。综合目前利用方式的弊端,提出了以离层区注浆充填为代表的煤矸石有效大宗利用新工艺。离层区注浆充填技术前期投资小、运行期间与采煤作业相互影响小,在抑制开采沉陷的同时实现了煤矸石废弃物的有效资源化转化,减少了对生态环境的负面影响,为我国煤矸石有效资源化利用提供了有益尝试。     

深部煤炭资源采选充绿色化开采理论与技术

深部煤炭资源开采已势在必行,但面临更加复杂的开采环境、更加危险的开采扰动诱导潜在灾变过程。结合深部煤炭开采“四高一扰动”的挑战与充填开采在岩层控制等方面的技术优势,总结分析了深部充填开采面临的五大技术难题,提出深部煤炭资源采选充绿色化开采构想,即直接在井下构建煤炭开采、煤矸分选与矸石就地充填一体化生产系统,形成深部煤炭采选抽充防协同生产模式,实现深部煤炭及伴生资源的安全高效及绿色开采。该构想的初步技术体系已基本形成,并在平煤集团十二矿、开滦集团唐山矿等深部矿井建立了示范工程或基地。后续将继续深入开展深部充填开采岩层控制等6个基础理论方面的研究工作,创新采选充绿色化系统布置、自动化充填、物料大流量输送、煤矸智能分选等7项关键技术,形成深部煤炭资源采选充绿色化开采的系列理论与技术体系,为实现深部资源绿色化开采提供可靠基础。     

淮南顾桥矿区绿色矿山建设探讨

为减少地下开采对生态环境的破坏及合理利用固气废弃物,以淮南顾桥矿区为例,简述了对其进行绿色矿山建设过程中的指导思想与框架,介绍了建设过程中对矿井水、瓦斯、煤矸石、粉煤灰、沉陷地的处理,以及绿色矿山建设过程中的一些保障措施;形成了"水资源综合利用—固体废弃物资源化处理—瓦斯抽采与利用—沉陷区综合治理"的综合矿山产业链模式,可为其他矿区的绿色矿山建设提供参考。     

面向绿色矿山的注浆关键技术与工程示范

针对地表塌陷、水资源破坏、煤基固废堆积等问题,系统性提出了煤炭绿色开采“减沉、增载、处废、控水”一体化的多元耦合注浆技术体系,并成功示范。具体内容有：(1)综合利用理论分析、数值模拟、现场探测(钻探、超声成像、井下电视、光纤监测)等手段,研究了采动空隙空间与原生裂隙空间发育演化规律,尤其是将分布式光纤技术应用于离层空间探测,实现了注浆空间的精准识别。(2)利用煤基固废(煤矸石、粉煤灰)等制备了应用于不同场景的多源无机高性能注浆材料,将煤矸石作为离层注浆材料实现了规模化处置,同时研发了具有水下抗分散性、高体积系数、高塑性强度的新型KEP注浆堵水材料。(3)将丛式井技术运用到离层注浆孔钻探施工,有效规避采动超前破坏;集成研制了全天候、高泵压、大流量智能化注浆系统;应用补强注浆工艺,强化注浆减沉效果。(4)提出了注浆效果监测检测技术体系,重点阐述了钻探取芯与测井相结合的钻孔检测方法。(5)形成了以离层注浆减沉处废、垮落带注浆处废、老空区注浆增载处废和顶板裂隙注浆控水为核心的智能化技术体系,并在夏店煤矿、新浦磷矿、曹家滩煤矿、高家堡煤矿进行了工程示范,为我国绿色矿山建设提供了新思路。     

井下煤矸分离与综合机械化固体充填采煤技术

在总结综合机械化固体充填采煤技术研究进展的基础上,提出实施煤矸井下分离的现实需求与意义,并着重综述了煤矸选择性破坏法、重介质选煤法、动筛跳汰法等常用井下煤矸分离方法的技术原理、系统及关键装备,提出了井下煤矸分离与固体充填采煤系统设计的基本原理。结合唐山煤矿存在"三下"压煤开采、矿区环境保护以及煤矸井下分离的工程案例,介绍了该矿"采煤→煤矸分离→矸石充填→采煤"闭合循环的采分充采一体化开采技术的基本原理、分离与充填系统设计及实际工程应用效果。研究表明:井下煤矸分离与矸石充填技术的有机结合可实现矸石减排、井下洗选以及地表沉陷控制,是实现绿色开采的重要途径。     

专栏特约主编寄语

2021年,国家发展和改革委员会等十部委联合下发了《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》(以下简称《指导意见》),提出在“十四五”时期,要深入贯彻落实相关法律法规,大力推进大宗固废源头减量、资源化利用和无害化处置,强化全链条治理,着力解决突出矛盾和问题,推动资源综合利用产业实现新发展。《指导意见》的发布为加强固体废弃物的资源化利用指明了方向。作为资源综合利用的核心领域,大宗工业固体废弃物的高效、高值、规模消纳对于提高资源综合利用效率、改善环境质量、促进经济社会全面低碳绿色转型具有重要意义。     

充填开采城下煤炭 打造绿色生态矿山

5月7日,在第三批国家级绿色矿山试点单位、国土资源部和财政部确立的煤炭资源综合利用示范基地——安徽淮北矿业集团杨庄煤矿364综采工作面,源源不断的矸石、粉煤灰等充填材料被输送到井下用于回填。杨庄煤矿是一座开采了47年的老矿,目前仅城市下压煤就达1 000多万吨,严重影响生产接续。为实现绿色开采,杨庄煤矿积极与中国矿业大学合作,推广应用城下密实矸石充填综合机械化开采技术,今年以来已成功采出城市下压煤2万多吨。据了解,这项技术是通过向井下采空区送入矸石、粉煤灰等充填材料,并在充填体保护下进行采     

微波加热技术在冶金渣资源化利用中的应用

冶金渣中含有大量的有价金属元素。为提高冶金渣的资源化利用率,实现固废无害化、减量化、资源化处理,进而推动我国冶金工业的增值增效、健康稳定持续发展。对近年来冶金渣的资源化利用研究进展进行了综述,重点介绍微波加热技术在冶金渣资源化中的应用,旨在为合理开发利用不同的冶金渣提供借鉴。      

双碳背景下龙王沟煤矿新型绿色矿山建设

在我国大力推进“碳达峰、碳中和”的背景下，加快建设安全、高效、可持续发展的绿色矿山变得尤为迫切。因此，以龙王沟煤矿为例，建设了符合龙王沟煤矿的新型绿色矿山模式。通过对龙王沟煤矿的地区资源及矿井现状开展调研分析，综合考虑矿山存在的煤矸石堆存困难、采煤沉陷面积大以及风光资源丰富的特点，笔者对龙王沟煤矿煤矸石综合处理、采煤沉陷区治理和风光微电网建设的可行性及可操作性进行了研究，并结合龙王沟煤矿新型绿色矿山建设实况对未来绿色矿山发展提出了逐步向智能化靠近的展望。研究取得了以下成果：首次提出了龙王沟矿产资源生产—煤基固废回填—风光电网建设—生态环境修复—风能光能发电—矿产资源生产的新型绿色矿山资源开发内循环和“采-选-充-控-平-建”一体化的新型绿色矿山建设技术；构建了从煤矸石中提取高岭土，废矸石用于充填采煤沉陷区的煤矸石综合利用模式（实现了经济增益，处理了煤矸石约625.2万t）；建设了清洁、低碳、安全的风光微电网（初步估算平均年上网电量约13 924.6万kW·h）；减少了矿井二氧化碳排放量13 367.6万kg；治理并利用了采煤沉陷区土地面积1 060 m2。龙王沟新型绿色矿山建设大幅提高...     

煤矸石高水喷射充填材料制备及使用方法

随着煤炭行业的深入发展,煤矿井下优质资源不断减少,为了尽量释放煤炭资源,充填开采及残煤复采成为各煤炭企业技术革新与延长矿井服务年限的一项重要技术手段。于此同时,根据环保政策的不断变化,煤矸石等矿山固体废弃物的处置逐步成为各大煤炭企业不得不面对的问题。本文通过对煤矸石及充填材料的研究,提出了煤矸石高水喷射充填材料的制备及使用方法,解决井下综合机械化矸石充填采煤技术中两隅角无法有效充填,以及井下老巷及空巷治理成本高、难度大、回填后容易对煤质造成影响等问题,同时满足了煤矿对矸石处理的需求。     

政策·法规

煤矸石综合利用出新政策　为进一 步推动煤矸石综合利用工作,近 日,国家经贸委、科技部联合发布了《煤 歼石综合利用技术政策要点》。 《要点》提出,煤矸石综合利用要坚 持“因地制宜,积极利用”的指导思想, 实行“谁排放、谁治理,谁利用、谁受益” 的原则,将资源化利用与企业发展相结 合,资源化利用与污染相结合,实现经 济、环境和社会效益的统一。煤矸石综合 利用要以煤矸石发电、煤矸石建材和制　品、复垦回填以及煤矸石无害化处理等　大宗量利用煤矸石技术作为主攻方向,　发展高科技含量、高附加值的煤矸石综　合利用技术和产…