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1、采区化水力采煤新技术在通化矿区的研究与实践王升宇1 , 梁金宝2 , 李成敏1 , 管仁代1（1. 通化（矿业）集团有限责任公司,吉林 白山 134300;2.煤炭科学研究总院唐山研究院, 河北 唐山 063012）摘要：针对通化矿区水采矿井“井深巷远”的特点，分析了常规水采存在的问题；结合六道江井进行了采区化水力采煤示范工程的研究：实现了水采原煤全部采区脱水，水分1215%，满足了旱运旱提的要求；采用二级斜管浅层沉淀技术，净化了煤水，水质中悬浮物含量4080mg/l,达到了闭路循环复用的技术要求；实现了小流量（150m3/h）、高转速（3000rpm/min）、高扬程（13MPa）单台泵供水
2、技术，提高了高压供水系统效率。并按采区化模式对集团公司所有水采矿井进行技术改造，取得了吨煤节电20kwh/t,节支 元/t的经济效益。关键词：水力采煤；煤炭脱水； 煤水净化； 循环复用；1.概述1.1 通化矿区煤层赋存条件通化矿区位于吉林省东南部长白山西麓的龙岗山脉与老岭山脉之间，横跨通化、白山二市，主要煤系地层为石炭、二叠系，共含7层煤，可采煤层3层，煤种以焦煤为主。通化煤田地质构造极其复杂，含煤地层呈一走向北东的拗陷槽地，摺曲十分发育，火成岩侵入严重。煤层倾角和厚度变化极大，且变化速率快又无规律可循，如在一个走向200300m的采区内，煤层倾角就可由缓斜变化到急斜，煤层厚度可由特厚变至薄煤
3、层甚至不可采。煤田内煤层普遍呈“串珠”“扁豆”状赋存。在1984年原煤炭部对当时96个统配矿务局的地质情况排查时，通化矿务局被列为第93位，属极不稳定煤田。1.2 采煤方法沿革1978年以前通化矿区一直使用巷柱式采煤方法1，由于巷柱采煤法存在生产能力小、产量低、效率低、回采率低，坑木等材料消耗大，工人劳动强度大等缺点，为了寻找出适合通化矿区煤层条件的采煤方法，原通化矿务局先后试验了长壁炮采、普采、高档普采、综采、放顶煤综采以及水力采煤等多种采煤方法2，经过多年的实践考验，其它采煤方法由于不适应煤层条件，逐步被淘汰，目前，通化矿业集团只有水力采煤和放顶煤综采两种采煤方法，其中水采产量约占60%，
4、综采只在有煤层突出危险的松树矿和煤层硬度较大的永安矿使用，由于受煤层条件限制，综采搬家倒面频繁，工作面单产只有3050万t/a左右。总之，通化矿业集团30多年的生产实践证明，水力采煤由于具有工作面设备简单、工人在有支护的巷道内作业安全、容易操作、对地质条件变化的不稳定煤层适应能力较强等优点3，是较适合通化矿区煤层条件的有效采煤方法。2.常规水采存在问题通化矿业集团自1978年使用水力开采以来，一直使用常规水采4工艺系统，如图1所示，当时由于开采标高浅，各矿均取得了较好的经济技术效果，近年来，随着开采深度的增加，开路水采工艺系统存在的问题逐渐显现出来，主要表现在如下几点：1）高压供水系统设备匹配
5、不合理、效率低。通化矿区以前主要使用D(Z)300或MD(Z)280型供水泵, 转速为1480r/min, 单台最大供水压力为10MPa, 需要两台泵串联方能达到所需压力, 总装机功率为17002500kw, 该泵设计额定流量为280300m3/h, 在煤层条件较稳定的山东枣庄八一矿和开滦吕家坨矿生产能力曾达到过100万t/a, 而通化矿区由于煤层不稳定,一套水采系统能力仅为3040万t/a,小时落煤能力为80100t/h,高压供水泵实际流量为180200m3/h,供水泵运行偏离工况点，在低效区运行,效率只有52%左右5，电能浪费严重。图1 常规开路水采工艺系统图2)煤水提升系统电耗高。通煤集
6、团所属水采矿井经过数十年开采，开采深度近千米，需要经过三段转排才能将煤水排到地面，每段煤水泵装机负荷为680kW，三段提升煤水系统运行负荷为2040kw；煤水提升浓度只有1020%2，是旱提电耗的1015倍67。3)开路供水浪费水资源，污染环境。根据多年来统计，常规水采生产1吨煤需要从地面河流中补水2吨，与此同时又要排污，既浪费了水资源有又污染了环境，为此每年需交排污罚款费 元。3.采区化水力采煤技术研究 采区化水力采煤8是为了解决常规水采存在的上述问题，由通化矿业集团与煤炭科学研究总院唐山研究院结合六道江井进行的示范工程项目，设计能力为30万t/a, 其工艺系统见图2所示，其研究内容如下：图
7、2 采区化水采工艺系统图3.1原煤采区脱水技术1）+20mm块煤脱水。水采原煤浆通过溜槽自流至采区刮板捞坑进行水力分级,+1mm煤炭通过2台由SGW-40T刮板运输机改制的多功能运输、脱水和分级筛,+ 20 mm的块煤脱水后直接进入煤仓,水分911%。2）+120 mm末煤脱水。刮板运输机分级筛下的+120 mm末煤采用TLL900A离心机脱水,水分812%。3）-1mm煤泥脱水。-1 mm煤泥分两级脱水，,+0.51 mm粗煤泥经浓缩仓浓缩后通过2台ZH1820振动弧形筛和2台GFS1533高频筛脱水，脱水后粗煤泥水分1923%;-0.5mm细煤泥通过2台XMGZ200-1250隔膜压滤机脱
8、水,水分2023%。经过脱水后的块煤、末煤及煤泥综合水分经测定为1215%，能够满足皮带运输机、矿车、箕斗等运输的要求，实现了水采原煤“旱运旱提”。3.2 煤泥水净化处理技术1) 一级沉淀净化。一级沉淀采用斜管仓9，接收浓缩仓的溢流和振动弧形筛+高频筛的筛下煤水，煤泥粒度小于0.5mm, 浓度510%，为了加速沉淀，添加聚丙烯酰胺混凝剂，浓度为千分之三，加药量为1.52g/m3,溢流水浓度控制在0.51g/l。底流浓度300500g/l，供压滤机脱水。2) 混合、絮凝反应。混合的作用是将絮凝药剂迅速、均匀的扩散到一级斜管仓的溢流水中，药剂进一步溶解和它所产生的胶体与水中的悬浮物接触后，就形成了
9、微小的矾花10。根据试验需要加两种药剂，一种是聚丙烯酰胺，另一种是聚合氯化铝铁，添加顺序是先加聚合氯化铝铁，后加聚丙烯酰胺，聚合氯化铝铁添加量为3050g/m3,聚丙烯酰胺添加量同一级斜管仓，药剂与煤水混合采用机械搅拌混合；絮凝反应是为了将混合后的细小矾花逐渐絮凝成较大的颗粒便于沉淀，反应时间1020分钟，并控制反应速度，使其平均速度梯度G达到1075S-1。为此采用垂直轴式机械搅拌反应池，设三级反应，每级叶轮桨板的线速度逐渐降低，一级为0.5m/s,三级为0.2m/s11，经反应后，矾花粒径由0.04mm长大至0.6mm左右 10，为二级沉淀去除创造条件。3）二级沉淀净化。二级沉淀净化也采用
10、斜管仓，考虑到絮状矾花较轻，上升流速快时容易将矾花带到溢流水中，影响水质，设计时采用加大沉淀面积降低上升流速的措施，二级沉淀仓面积是一级的2倍，上升流速控制在1mm/s以内，同时为了充分发挥斜管浅层沉淀的优势，将斜管孔径由一级的40mm减小到32mm，提高了沉淀效率。由于二级斜管仓底流浓度较低，直接供给压滤机效率低，采取直接回流至一级沉淀仓的做法，效果较好。经过采取上述沉淀+混合反应+沉淀的净化工艺流程，水质中悬浮物含量4080mg/l,达到了高压供水泵循环复用的要求。3.3 高压供水系统参数优化1）落煤水压P。落煤水压必须大于有效水压P效12，P效与煤的普氏硬度系数f和煤层的节理发育程度有关
11、，根据通化矿区多年来的生产实践，P效10MPa，取备用系数1.2,落煤水压P=12MPa。2）落煤能力G。落煤能力是水枪小时落煤量，落煤能力与煤层厚度、落煤压力、流量以及煤层稳定性有直接关系，根据多年统计，通化矿区水枪小时落煤能力为80100t/h。3）水枪流量Q。水枪流量不但要保证落煤需要，还要能够将落下的煤从采场运输出来，根据计算当P12MPa时，落煤能耗E=5kwh/t 12 ,水枪流量计算公式如下：Q=3.6GE/(P枪)式中: 3.6系数;枪水枪效率,枪=98%; G落煤能力,G=100t/h;P落煤水压,P=12MPa;E落煤能耗,E=5kwh/t。Q=3.6GE/(P枪)=3.6
12、1005/（120.98）=153m3/h。 水枪流量153m3/h是落煤所需流量，还要考虑采场运输所需流量，根据统计资料，当煤层倾角大于15时，采场煤水重量比大于1：1.25 12就能满足水运要求, 煤水比为1:1.53既满足了落煤需要又能满足采场运输需要。4）高压供水泵参数。根据上数计算选择DG150-13010高压供水泵，其参数为：压力P：13MPa;流量Q：150 m3/h;效率泵：70%;转数n：2950r/min；功率N：1000 kw。高压系统投入运行后，单枪生产能力10001200t/d,小时落煤能力80110t/h，由设备匹配合理，系统效率提高，负荷由17002500kw降至
13、1000kw。4.推广应用 由于采区化水力采煤节能环保效果显著，尤其适合于通煤集团井深巷远的水采矿井改造和老井挖潜，为此，在六道江井示范工程取得成功经验的基础上，集团公司决定对现有的水采矿井如八宝煤业、道清矿等进行技术改造，在综采生产能力不理想而煤质较差的永安煤矿新上一个水采区，以期在增加产量的同时改善煤质。2010年，集团公司共投入技术改造经费 万元，截止到2010底，集团公司所有水采矿井均实现了“采区化”，预计2011年水采产量能够达到300万t/a,创历史最高水平，占公司总产量的60%以上。5.经济效益1）节电效益。改造后吨煤节电约20kwh/t,水采产量按300万t/a计算，节电600
14、0万kwh，电费按 元/kwh计算，节省电费约万元。2）节水减排效益。根据多年统计显示，常规水采生产1吨煤需要补水2t/t,改造后，由于采取了井下闭路循环工艺，取消了地面补水系统，水采产量按300万t/a计算，年节水600万m3，水费按 元/kwh计算，节省水费约万元。与此同时，相应减少年排污量600万m3，节省排污费约万元。3）节约修理费。改造前集团公司有21台煤水泵在运行,每台煤水泵价格14万元, 大修期为1500小时，每年需要大修60台，年修理费按设备价格的80%计算,改造前年修理费672万元,改造后修理费为76万元,年节省修理费596万元。通过进行采区化水采技术改造，年节省开支总计为万
15、元，合吨煤降低成本元/t。6 结论1)采煤方法的选择应当与具体的煤层条件相适应，任何一种采煤方法都有一定的适应条件，多年的生产实践证明，水力采煤是目前比较适合通化矿区煤层赋存条件的采煤方法。2) 采区化水力采煤工艺及设备的研究成功与实践应用，代表了中国水力采煤技术的发展方向，为中国其他现有水采矿井改造和设计提供了可借鉴的、具有方向性的典型示范意义。3) 采区化水力采煤新工艺是一种安全、绿色、环保、经济的采煤方法，尤其适合于井深巷远、不稳定煤层、急倾斜煤层、边角煤回收等条件的开采。4) 十二五期间，国家重点发展小煤矿机械化，小煤矿由于块段小、储量小等自身条件决定了综合机械化开采存在一定的难度，而采区化水力采煤由于工作面装备简单等优点较适合于小煤矿的开采，尤其是对通化矿区小煤矿实现机械化具有重要的意义。作者简介：王升宇(19 -) , 男, 吉林白山人,高工,现任通化(矿业)集团有限公司总经理,长期从事水力采煤研究及管理工作。Tel: 010- ,Email: 。参考文献：1 孟澍森，李功伯，等. 采矿通论M. 北京：地质出版社，1998：288230。2孙克仁, 张运成. 水力采煤在通化矿区的发展及
