摘要：以斜沟煤矿为研究对象进行了煤矸石处置与综合利用方案研究，主要从智能分选及井下充填、煤矸石制备生态土、煤矸石水泥原料、土地复垦及碳汇林等绿色产业四个方面进行了分析阐述。通过此次煤矸石处置与综合利用系统规划，有效解决斜沟煤矿消纳问题，为企业的可持续发展提供基本保障。同时建立“梯级回收+生态修复+封存保护”体系，可为煤矿企业提供模式借鉴。
关键词：斜沟煤矿,煤矸石,处置,综合利用
1工程概况
斜沟煤矿及选煤厂隶属于山西焦煤西山煤电有限公司，设计生产能力1500万t/a。根据相关审批要求，斜沟煤矿及选煤厂前期煤矸石用于矸石制砖，后期用于矸石电厂做燃料，项目建成投运以来，受政策、市场等所限，未按审批要求将煤矸石用于制砖和电厂燃料[1]。除少量用于场区生态恢复治理和修建道路外，前期排矸进入原审批排矸场，该排矸场填满封场后，即作为填充材料进行填沟造地。当前根据环评要求，斜沟煤矿设计了煤矸石处置与综合利用方案。
2斜沟煤矿及选煤厂煤矸石产生和利用分析
2.1煤矸石产生情况
斜沟煤矿煤矸石主要为洗选煤矸石。现开采8#原煤和13#原煤，配套选煤厂入洗本矿原煤。现8#原煤和13#原煤同时开采，混合洗选。其中，8#原煤和13#原煤洗选质量比例约1∶2，洗选量分别约500万t/a和1 000万t/a。
2.1.1选煤厂工艺及产矸环节
选煤厂采用分级选煤方式，选煤工艺为150~50mm级块煤采用重介浅槽排矸；50~1.5 mm级末煤采用有压两产品重介旋流器主、再选；1.5~0.2 mm级粗煤泥采用TCS智能干扰床分选机排矸；-0.5 mm级细粒煤泥不分选，由沉降过滤离心机和快开压滤机联合脱水回收。块矸、末矸、TCS矸经皮带混合形成混矸，输送至矸石出料口，如图1所示。
2.1.2煤矸石产生量
选煤厂从2017年至2021年煤矸石产量分别为464、522、573、544、544万t/a，综合考虑井下地质条件变化等因素造成的排矸量变化，煤矸石产生量以550万t/a计。根据运行经验及产生比例推测混矸中块矸、末矸、TCS矸分别为242、242、66万t/a。
2.2煤矸石综合利用现状
斜沟煤矿运行初期，利用煤矸石对位于风井场地和排矸场之间荒沟进行生态治理，在排矸场北侧建设5 hm2小公园，绿化面积近3万m3，利用煤矸石约60万t。
在工业场地东南侧的荒沟内，利用煤矸石进行填沟造地，面积约56 hm2，设计总库容1 150万m3，可填充煤矸石约2 070万t。
探索了其他煤矸石综合利用方式，例如将煤矸石送至砖厂作为制作空心砖的原料，用于道路工程填充材料等，但均未实现稳定有效的综合利用。
3煤矸石处置与综合利用方案研究
3.1智能分选及井下充填
斜沟煤矿年产生煤矸石约550万t，采用智能分选及井下充填可规模化消纳煤矸石，按照150万t/a设计规模计，可消纳煤矸石27%。
3.1.1智能分选系统
在8#煤层实施井下智能分选。在北翼胶带大巷取煤，北翼大巷与斜井井筒之间、靠近井筒处建立矸石智能分选系统。原煤入选量按230万t/a考虑，分选出+50 mm粒级矸石量约17万t/a，采用无轨胶轮车运矸，矸石运至废弃巷道充填。
在8#煤层+700水平北翼大巷南侧新建筛分硐室、智能分选硐室，由+700水平北翼胶带大巷通过改向滚筒取煤，在+700水平北翼胶带上设置皮带秤，皮带秤与改向滚筒溜槽2台电液闸板做闭锁，防止瞬间来煤量太大。
3.1.2地面投料及井下充填系统
在地面现有排矸仓仓下取矸，矸石经输送、破碎后，通过地面建立的矸石投料站的垂直投料井，运送至井下，存储于井下矸石仓，再经运矸带式输送机，输送至综采矸石充填工作面架后采空区充填。可处理+50 mm粒级的矸石量133万t/a。
3.2煤矸石制备生态土
利用煤矸石制备人造土，旨在利用低温自蔓延技术，让其中的碳在脱除过程中，不损害烧高岭后续恢复成高岭土，在此基础上根据后续人造土用于矸石山原位修复或种植的目的不同，制备出无机人造土与有机种植土。有机种植土需要将园林固废、畜禽粪污等与无机人造土匹配腐熟。
煤矸石破碎到符合要求的粒径，筛出的小颗粒物料作为热值调节物料或动力煤。粒径合适的煤矸石经过检验，成分符合要求进入自蔓延低温脱碳设备。通过调配风量风压和温度，实现矸石中的碳和硫缓慢排除，制得孔隙率、烧失量和物相合适的粗品。粗品物料经过冷却后进入破碎研磨设备，通过粒级控制制得适用于矸石山或复垦用的无机土，该无机土也可以用于盐碱地改良、水泥制备等领域。如果将园林固废或畜禽粪污与无机土按比例混合进行堆肥，即可制得有机种植土。自蔓延低温脱碳过程中，煤矸石中的可燃硫会形成SO2，通过湿法脱硫处理获得脱硫石膏，脱硫石膏用作生态土的调节剂。
3.3煤矸石水泥原料
山西晋兴奥隆建材公司建设有一条日产4 500 t水泥熟料生产线，配套设计装机容量9 MW纯低温余热发电系统。熟料股烧主要用原燃材料有石灰质原料、硅质原料、铝质校正原料、铁质校正原料四组分配料股烧而成。
对该水泥厂原料的化学组分分析可知，采用大于10 mm的末矸进行配料。经过K（烧成热系数）在0.88~0.92，S（硅酸模数）在2.4~2.7范围变化，均可用末矸代替水泥厂原生料原料之一的铝矿石实现配料，而且保持良好的I（铁模数）控制。根据经验估计，利用末矸代替铝矿石后，水泥熟料的烧成过程会变得容易，同时熟料质量会提高。如K=0.9，S=2.6，I=1.65，得到表1所示配料方案。
3.4土地复垦及碳汇林等绿色产业
斜沟矿每年产生煤矸石约550万t，全部梯级回收利用不符合现实条件。因此，“地面回填+封存保护”是十分必要的。综合考虑，对斜沟矿部分煤矸石处采取土地复垦及生态修复的处置利用模式，利用斜沟煤矿的煤矸石进行土地复垦，并在其上建设光伏、碳汇林、经济林等绿色产业。
3.4.1光伏
兴县为太阳能辐射资源III类区，太阳能资源较好，气象条件满足光伏建设要求。光伏组件拟采用34°固定倾角，总装机容量20 MW，自发自用，采用分块发电、集中并网的设计方案，以约1 MW容量为1个光伏发电分系统，共20个1 MW光伏发电分系统，每个1 MW发电分系统设置若干组串式逆变器和1台1 000 kVA的升压箱式变压器，将逆变器输出的交流电直接升压至35 kV，若干台升压变再“T”接入集电线路并汇流至光伏电站的35 kV开关柜，出线1回，出线线路拟采用高压架空线路，接入矿区35 kV变电站高压侧。
3.4.2碳汇林、经济林
根据煤矸石土地复垦情况，在其上建设一定规模的碳汇林不仅可以改善当地的生态环境及景观环境，而且可以为碳减排做出一定的储备。
矿区所属区域生态环境支离破碎，植被生长稀疏，在土地复垦后种植果树、油松等经济林，不仅可为企业带来一定的经济效益，而且可为职工及周边居民提供一定的采摘休闲等场所，真正实现矿山生态修复、人与自然的和谐共生[3]。
4效益分析
设计的斜沟煤矿煤矸石处置与综合利用方案通过各种途径可全部消纳斜沟煤矿所产煤矸石，约550万t/a。其环境效益主要表现在：
1）将不同品质矸石分开，可以减少煤矸石潜在自燃所带来的系列环境问题，例如大气污染、土壤和地下水污染等。
2）煤矸石用于水泥掺加料、制备生态土，替代了铝土矿、黏土资源等的开采，减少了生态破坏。
3）规范的土地复垦项目对改善区域水土流失、改善区域生境方面起着积极作用。
4）土地复垦后建设的光伏及碳汇林，作为碳减排的主要措施，可以减排CO2约3万t/a。通过此次煤矸石处置与综合利用系统规划，将有效解决斜沟煤矿消纳问题，为企业的可持续发展提供基本保障。同时建立“梯级回收+生态修复+封存保护”体系，可为煤矿企业提供模式借鉴。
参考文献
[1]范晓平，刘京，康哲，等.煤矸石综合利用与矿山生态修复的战略思考[J].环境卫生工程，2023，31（1）：8-15.
[2]武彦辉.煤矸石与粉煤灰资源综合利用的发展路径[J].山西化工，2023，43（1）：99-101.
[3]周海亮.煤矸石的特性分析及综合利用研究[J].山西化工，2021，41（6）：221-223.
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