煤矸石是煤礦開采洗選加工過程中產(chǎn)生的固體廢物，屬于一種含碳率低、熱值利用價值低、質(zhì)地堅硬的黑灰色巖石，從產(chǎn)生環(huán)節(jié)可分為井下掘進(jìn)矸石和洗選過程中的分選矸石。煤礦傳統(tǒng)的方式是將這種固體廢物堆放在地表，形成矸石山，煤矸石整體分布呈“北多南少，西多東少”的特點。全國煤矸石排放量分布如圖1所示，華北、西北地區(qū)煤矸石排放量較多，華南、東北地區(qū)排放量較少。其中，華北地區(qū)的煤矸石排放量近35億t，遠(yuǎn)超其他區(qū)域的排放量，占總排放量的50%左右。

《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，我國煤炭生產(chǎn)向集約高效方向發(fā)展。隨著我國煤礦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，煤炭生產(chǎn)集約化、規(guī)?；矫黠@提升，千萬噸級礦井?dāng)?shù)量不斷增加，礦井高產(chǎn)能的同時產(chǎn)生了大量煤矸石；同時，煤、電、化一體化進(jìn)程加快，單個選煤廠往往承擔(dān)附近多個煤礦的選煤任務(wù)，選煤廠產(chǎn)矸呈現(xiàn)集中化趨勢。部分大型礦井及選煤廠產(chǎn)矸量統(tǒng)計見表1，2。

目前，大多數(shù)煤礦的矸石處理方式為矸石外排，交由其他企業(yè)進(jìn)行矸石的綜合利用，但仍有大量煤矸石堆存在礦區(qū)，不僅占用土地，且容易自燃，對礦山正常生產(chǎn)和周圍居民生產(chǎn)、生活構(gòu)成極大的威脅。我國在煤矸石利用方面，雖然取得較大進(jìn)展，但是其綜合利用率仍不足30%。處理煤矸石對于煤礦來說是順應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，不設(shè)地面矸石山、減少或取締矸石升井是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的必然趨勢，但目前還沒有從根本上解決問題。

煤矸石堆放不僅壓占大量土地，影響生態(tài)環(huán)境，矸石淋溶水污染周圍土壤和地下水，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在適宜條件下發(fā)生自燃，排放二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和煙塵等有害氣體污染大氣環(huán)境，影響礦區(qū)居民的身體健康。矸石中所含重金屬礦物較多時，若這些重金屬滲入水中，則會使水體變得有毒，產(chǎn)生嚴(yán)重危害。人類周圍所需的水體一旦遭到破壞、污染，這些水體會借助各種食物鏈危害人體并破壞整個生態(tài)系統(tǒng)。

目前對煤矸石地面處理方法的研究利用主要集中在以下幾個方面：煤矸石發(fā)電、鋪路、生產(chǎn)建筑材料、生產(chǎn)化工原料及農(nóng)業(yè)應(yīng)用等，如圖2所示。

煤矸石內(nèi)含有一定量的碳，可用于燃燒發(fā)電。一般認(rèn)為，發(fā)熱量大于1500kcal/kg的煤矸石可直接用作鍋爐的燃料，發(fā)熱量在1000~1500kcal/kg的煤矸石則需要混雜一定比例發(fā)熱量較高的煤泥、中煤等才能進(jìn)入鍋爐。破碎后的煤矸石顆粒在爐內(nèi)進(jìn)行多次往復(fù)的循環(huán)燃燒和反應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)充分燃燒，產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電。統(tǒng)計表明，我國各地煤矸石發(fā)熱量普遍較低且差別很大，發(fā)熱量超過1000kcal/kg的不足總量的30%。國外利用煤矸石發(fā)電起步較早，如德國、荷蘭等，從20世紀(jì)70年代起，就有將煤礦電廠和選煤廠建在一起以利用煤矸石發(fā)電的案例，但由于一些發(fā)達(dá)國家對煤炭的依賴性逐漸減少，煤矸石發(fā)電項目逐漸停滯。

國內(nèi)煤矸石發(fā)電項目雖然起步較晚，但近年迅速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計，我國至少有1.4億t/a的煤矸石被用于發(fā)電，其效果相當(dāng)于節(jié)約3800萬t/a標(biāo)準(zhǔn)煤，根據(jù)《煤矸石綜合利用技術(shù)政策要點》，煤矸石發(fā)電多采用循環(huán)流化床鍋爐，同時煤矸石發(fā)電廠技術(shù)逐漸完善，取得了較大的進(jìn)步。國內(nèi)部分煤矸石發(fā)電廠及其規(guī)模見表3。

煤矸石電廠有利于節(jié)約能源，改善環(huán)境質(zhì)量，化害為利，變廢為寶；節(jié)省優(yōu)質(zhì)煤資源，緩解煤礦企業(yè)電力緊張局面；同時促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和勞動力再就業(yè)以及節(jié)省耕地。但是煤矸石發(fā)熱量低、灰分高、硬度大，鍋爐磨損嚴(yán)重，經(jīng)常造成鍋爐停機(jī)檢修，影響電廠運行，隨著我國環(huán)境保護(hù)政策趨嚴(yán)形勢，這些煤矸石發(fā)電企業(yè)同樣也面臨飛灰及鍋爐渣處理、煙塵檢測與控制技術(shù)難度高等環(huán)保問題，不同地區(qū)的煤矸石化學(xué)成分不相同，其含硫量也決定著煤矸石能否作為發(fā)電燃料；與此同時，煤矸石的運輸距離制約著其在發(fā)電領(lǐng)域的作用，年處理量十分有限，并且會產(chǎn)生大量的粉煤灰，粉煤灰產(chǎn)量大約是普通火電廠的2~3倍。以黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電公司為例，730MW/a的矸石發(fā)電站，年處理112萬t矸石，年產(chǎn)粉煤灰70萬t，這些粉煤灰也需要進(jìn)行處理。

為探索工業(yè)廢棄物的處置，國內(nèi)外試驗將很多工業(yè)廢渣應(yīng)用于公路填料。在各種工業(yè)廢渣中，煤矸石產(chǎn)量大且具有較高的承載能力，滿足公路路基填料的要求，因此進(jìn)行了較多的應(yīng)用。

煤矸石特別是自燃后具有一定活性的煤矸石，是一種優(yōu)質(zhì)的工程填筑材料，可單獨或與黏性土、粉煤灰、熟石灰等混合作為路基填料。其施工流程主要包括基底處理、煤矸石儲運、攤鋪、灑水、碾壓與養(yǎng)護(hù)等。煤矸石中普遍含有Si，Al，Ca等氧化物，在一定水分與溫度條件下發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣等，還生成部分Ca(OH)2和CaCO3結(jié)晶，提高煤矸石顆粒之間的黏結(jié)力。實踐表明：在采用較為合適的粒徑級配、保證含水率和壓實度的情況下，煤矸石路基較普通土路具有更好的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、承載能力和更小的彎沉值。

從20世紀(jì)60年代后期開始，許多歐美國家做了大量的試驗論證煤矸石作為基層材料的可行性。美國、德國、荷蘭等國家對于煤矸石的利用程度相對較高，并制定出相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。法國、德國、英國等國公路干線采用煤矸石作為道路路基或基層的填筑材料。我國從20世紀(jì)80年代開始嘗試在道路工程的路基上使用煤矸石材料作為填料對路基進(jìn)行加固，鋪筑后效果良好，能夠完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。部分煤矸石鋪路實例見表4。

矸石混合料代替灰土填筑公路路面基層，能夠消耗大量煤矸石、粉煤灰等煤礦固體廢棄物，減少煤矸石、粉煤灰等對環(huán)境的危害，生態(tài)效益非常明顯；同時減少煤矸石堆存占地，節(jié)省大量土地資源；由于煤矸石用于筑路工程時，其品類和品質(zhì)要求不嚴(yán)，對矸石中含有的有害成分要求寬松，且煤矸石一般無需特殊處理，因此多種煤矸石均可適用于筑路工程。但各地區(qū)煤矸石性質(zhì)的差異性較大，目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范指導(dǎo)施工，導(dǎo)致施工的隨意性較大；再者，接觸范圍內(nèi)煤矸石含有的重金屬及硫化物的污染問題目前也沒有監(jiān)測結(jié)果。煤矸石鋪路只適用于煤礦附近的道路建設(shè)，否則運輸成本較大，不符合經(jīng)濟(jì)效益要求。由于道路建設(shè)的時間和地點不確定且每公里煤矸石消耗量較少，將煤矸石用于道路建設(shè)，只能應(yīng)用于煤矸石的分散處理，而無法實現(xiàn)集中、連續(xù)和規(guī)?；茫贿m應(yīng)我國煤矸石處理的發(fā)展要求。

2.3.1 煤矸石生產(chǎn)水泥

煤矸石中的SiO2，Al2O3及Fe2O3總含量一般在80%以上，它是一種天然黏土質(zhì)原料，可以代替黏土配料燒制普通硅酸鹽水泥、特種水泥和無熟料水泥等。

生產(chǎn)煤矸石普通硅酸鹽水泥的主要過程是將石灰石、煤矸石、鐵粉混合磨成生料與煤混拌均勻加水制成生料球，在1400~1450℃的溫度下得到以硅酸三鈣為主要成分的熟料，然后將燒成的熟料與石膏一起磨細(xì)。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)對煤矸石進(jìn)行破碎和預(yù)均化處理。用煤矸石生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥熟料，硅酸鈣含量在10%以上，硅酸二鈣含量在10%以上，鋁酸三鈣含量在5%以上，鐵鋁酸鈣含量在20%以上。這種水泥凝結(jié)硬化快，各項性能指標(biāo)均符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

利用煤矸石Al2O3含量高的特點，應(yīng)用中、高鋁煤矸石代替黏土和部分礬土，可為水泥熟料提供足夠的Al2O3，制造出具有不同凝結(jié)時間、快硬、早強(qiáng)的特種水泥，以及普通水泥的早強(qiáng)摻合料和膨脹劑。這種速凝早強(qiáng)特種水泥28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)49~69MPa，并具有微膨脹特性和良好的抗?jié)B性能，在土建工程上應(yīng)用能夠縮短施工周期，提高水泥制品生產(chǎn)效率，尤其可有效用于地下鐵道、隧道、井巷工程，并可應(yīng)用于墻面噴復(fù)材料及搶修工程。

煤矸石無熟料水泥是以自燃煤矸石或經(jīng)過800℃溫度煅燒的煤矸石為主要原料，與石灰、石膏共同混合磨細(xì)制成，亦可加入少量的硅酸鹽水泥熟料或高爐礦渣。這種水泥無須生料磨細(xì)和熟料煅燒，而是直接將活性材料和激發(fā)劑按比例混合磨細(xì)。此種水泥的水化熱較低，適宜作各種建筑砌塊、大型板材及其預(yù)制構(gòu)件的膠凝材料。

煤矸石生產(chǎn)水泥對于煤矸石成分含量的要求較高，含硫量不能過高，否則會影響水泥生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，并且受限于運輸費用問題，水泥廠不能距離煤矸石產(chǎn)地過遠(yuǎn)且周圍要有較為穩(wěn)定的建筑用戶，因此不能形成規(guī)?；拿喉肥鄰S，從而對于煤矸石的處理作用有限。

2.3.2 煤矸石制磚

煤矸石燒結(jié)磚是一種新型建筑砌體材料，以煤矸石為主要原料，一般占坯料量的80%以上，有的甚至全部以煤矸石為原料，有的外摻少量黏土。運用制磚工藝對地面堆積的煤矸石進(jìn)行充分利用，緩解煤矸石對地面環(huán)境造成的影響，按其生產(chǎn)工藝過程可分為原料選擇、原料處理、成型、干燥和焙燒5個環(huán)節(jié)。

煤矸石燒結(jié)磚質(zhì)量較好，顏色均勻，密度一般為1400~1700kg/m3，抗壓強(qiáng)度為4.8~14.7MPa，抗折強(qiáng)度為2.94~5MPa，抗凍、耐火、耐酸、耐堿等性能均較好，可用來代替黏土磚，是利廢、節(jié)能、保護(hù)土地和綠色環(huán)保的工業(yè)產(chǎn)品。煤矸石制磚不但節(jié)約能源，而且有效利用工業(yè)廢渣，實現(xiàn)變廢為寶，減少環(huán)境污染，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；但對煤矸石要求較高，工藝復(fù)雜，同樣由于運輸成本及用戶需求問題，只能在一定范圍和一定程度上消耗矸石，處理量較小。

2.3.3 煤矸石生產(chǎn)混凝土輕骨料

用煤矸石生產(chǎn)輕骨料的工藝大致可分為2類：用燒結(jié)劑生產(chǎn)燒結(jié)型的煤矸石多孔烷結(jié)料和用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)膨脹型的煤矸石陶粒。用煤矸石生產(chǎn)的輕骨料性能良好，用該種輕骨料可配制高性能混凝土。

用煤矸石生產(chǎn)的輕骨料所配制的輕質(zhì)混凝土具有密度小、強(qiáng)度高、吸水率低的特點，適于制作各種建筑的預(yù)制件。煤矸石陶粒是大有發(fā)展前途的輕骨料，它不僅為處理煤炭工業(yè)廢料、減少環(huán)境污染找到了新途徑，還為發(fā)展優(yōu)質(zhì)、輕質(zhì)建筑材料提供了新資源，是煤矸石綜合利用的一條途徑，但是處理量小，相對于煤矸石現(xiàn)存儲量來說作用有限。

2.3.4 煤矸石微晶玻璃

煤矸石微晶玻璃主要是用煤矸石等礦物原料和化工原料，經(jīng)過配制、熔融、成型、切割和拋光后形成的一種高檔工業(yè)用材料，具有玻璃和陶瓷的雙重特性。微晶玻璃裝飾材料已經(jīng)是當(dāng)今國際上開始流行的高級建筑裝飾新材料，它結(jié)構(gòu)致密、晶粒分布均勻、高強(qiáng)、耐磨、耐蝕、外觀紋理清晰、色彩鮮艷、無色差、不褪色，較天然花崗石、陶瓷更具有靈活的裝飾設(shè)計和更佳的裝飾效果，而且利用工業(yè)廢渣為原料，有利于環(huán)境治理，被認(rèn)為是21世紀(jì)現(xiàn)代建筑群理想的高級綠色建材。但該建筑材料只能少量使用煤矸石，其引領(lǐng)意義大于其現(xiàn)實意義，對于大規(guī)模處理矸石遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

煤矸石中除含有碳外，一般以氧化物為主，如SiO2，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO，K2O等，此外還有少量稀有元素如礬、硼、鎳、鈹?shù)任⒘吭?。雖然煤矸石的化學(xué)成分不穩(wěn)定，不同地區(qū)的煤矸石成分變化較大，但一般在表5所列的范圍內(nèi)。

由表5可看出，大部分矸石材料中Si，C，Al等元素含量豐富，可直接作為化工原料生產(chǎn)相應(yīng)的化工產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代起，國內(nèi)開始了對煤矸石的深加工，加快了煤矸石化學(xué)品開發(fā)。由于煤矸石中Al2O3和SiO2成分較高，因此開發(fā)研制的化學(xué)產(chǎn)品主要為鋁鹽系列化學(xué)品和硅鹽系列化學(xué)品。

2.4.1 鋁系列化學(xué)品

Al2O3作為矸石的主要組成物質(zhì)之一，在矸石中占很高的比重，是生產(chǎn)鋁鹽系列化學(xué)品的良好原料。利用高鋁煤矸石為原料開發(fā)的鋁鹽系列產(chǎn)品有硫酸鋁、結(jié)晶氯化鋁、聚合氯化鋁、氫氧化鋁和三氧化鋁等20多種。

硫酸鋁廣泛用于造紙、水處理、石油除臭脫色及合成其他鋁鹽等方面。聚合氯化鋁是一種無機(jī)高分子化合物，在水質(zhì)混凝處理中做混凝劑。氧化鋁是一種重要的化工原料，在電子制造、橡膠及陶瓷材料補(bǔ)強(qiáng)、制造催化劑、人造寶石等方面具有廣泛的應(yīng)用。氫氧化鋁是一種良好的硝煙阻燃材料，在電解制鋁和有機(jī)高分子材料等領(lǐng)域也有著良好的應(yīng)用，但我國生產(chǎn)氧化鋁和氫氧化鋁的鋁土資源相對稀缺。煤矸石作為一種鋁含量較高的固體廢棄物資源，可作為制備氧化鋁和氫氧化鋁的資源，但要求所用煤矸石氧化鋁含量達(dá)20%以上。

利用矸石制備鋁系化學(xué)品具有價格便宜、原材料易得的特點；但需對矸石進(jìn)行灼燒磨碎處理，在去除內(nèi)部的碳質(zhì)還原劑的同時，保證矸石可以與化學(xué)試劑充分反應(yīng)，工藝比較復(fù)雜，對煤矸石成分要求較高。

2.4.2 硅系列化學(xué)品

煤矸石中還有大量的二氧化硅，利用這些硅元素可以生產(chǎn)碳化硅、硅合金和硅酸鈉等多種硅系化工產(chǎn)品。

碳化硅是一種理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，作為燒結(jié)體原料有較好的活性，并具有硬度大及良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和高溫抗氧化等特性。利用煤矸石合成碳化硅在處理煤礦廢料的同時，減少了原來碳化硅在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、廢液對環(huán)境的污染。

Al-Si-Fe合金目前已被較多鋼鐵廠用作煉鋼的脫氧劑。以煤矸石為原料生產(chǎn)硅合金的方法具有生產(chǎn)流程短、能耗低、成本低、無工業(yè)廢料等優(yōu)點。

2.4.3 碳系化工產(chǎn)品

利用煤矸石制備的主要碳系產(chǎn)品有白炭黑和硅鋁炭黑2大類。

白炭黑是一種白色、無定形、質(zhì)輕、多孔的細(xì)粉狀無機(jī)化工產(chǎn)品，常被用作橡膠、塑料、合成樹脂等材料的填充劑以及紙張的上膠劑和強(qiáng)化劑，還可以用作潤滑劑和絕緣材料。制取白炭黑的主要原理是用堿液反應(yīng)煤矸石酸浸后的濾渣，用水調(diào)整其密度，連續(xù)通入二氧化碳和空氣混合氣體，冷卻抽濾，即得白炭黑。

硅鋁炭黑是一種由無機(jī)化合物和有機(jī)化合物組合而成的復(fù)合材料，在橡膠制品及塑料制品中應(yīng)用廣泛。以煤矸石為原料生產(chǎn)硅鋁炭黑的主要工藝流程為烘干、粗破碎、細(xì)粉碎、高溫?zé)崽幚怼⒀心?、混配、造粒、包裝。

2.4.4 橡膠補(bǔ)強(qiáng)填料

煤矸石經(jīng)過磨碎、焙燒和表面活性處理后可作為環(huán)氧化天然橡膠(ENR)的補(bǔ)強(qiáng)填充劑，大大增強(qiáng)橡膠的強(qiáng)度和耐磨性。這種以煤矸石為主原料生產(chǎn)有機(jī)高分子聚合物的填料，可取代或部分取代昂貴的炭黑和陶土粉，從而降低橡膠制品的生產(chǎn)成本，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4.5 生產(chǎn)4A分子篩

4A分子篩是一種人工合成的NaA型沸石，在我國石油、化工、冶金、電子技術(shù)和醫(yī)療衛(wèi)生等部門有著廣泛的應(yīng)用，尤其在合成洗滌劑領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到人們重視，需求量不斷增加。通過對高嶺石含量較多、全堿(K2O+Na2O)含量較少的煤矸石進(jìn)行磨粉、灼燒和烘焙等活化處理后，經(jīng)過加堿成膠、陳化、晶化合成、過濾和干燥等步驟合成4A分子篩，大大降低了4A分子篩的合成成本，既有效推廣了沸石分子篩材料的應(yīng)用，又提高了矸石的綜合利用水平。

以上煤矸石化工領(lǐng)域的應(yīng)用對煤矸石的綜合利用有重要意義，但由于化工原料生成過程和工藝十分復(fù)雜，有些技術(shù)條件不是很成熟，因而對于煤矸石的限制較多，造成其消耗量有限，不能從根本上解決煤矸石處理問題。

煤矸石中有機(jī)質(zhì)含量15%~20%，且其中還含有植物生長所需的Zn，Cu，Mn等微量元素，將煤矸石磨碎并按比例與過磷酸鈣混合，加入活化劑和水，攪勻充分反應(yīng)后，形成實用新型肥料用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。此外，煤矸石還可做固氮等微生物的基質(zhì)和載體，做微生物肥料。但是，農(nóng)業(yè)應(yīng)用對矸石的品質(zhì)要求很高，也只能消耗很少一部分矸石。

煤矸石地面處理技術(shù)對于矸石的綜合利用有著積極的作用，但相關(guān)技術(shù)不夠成熟，工藝較為復(fù)雜，矸石處理能力較低，處理成本較高。為了提高煤矸石處理能力，煤矸石井下處理技術(shù)開始發(fā)展。

煤矸石井下處理目前經(jīng)歷了2個階段：

第一階段主要是為了井下掘進(jìn)矸石不升井，提出以掘巷拋矸充填采煤技術(shù)和普采拋矸充填采煤技術(shù)為主的拋矸充填采煤技術(shù)，該技術(shù)利用高速動力拋矸機(jī)將原生矸石以較快的沖擊速度拋投至采空區(qū)，達(dá)到廢棄矸石井下處理和巖層移動控制的目的；

第二階段是為了解決我國存在的“三下”壓煤問題，研發(fā)了以綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)與膠結(jié)充填采煤技術(shù)為核心的“三下”壓煤開采技術(shù)，該技術(shù)實現(xiàn)密實充填，既減少煤礦固體廢棄物地面排放，又可以減輕開采沉陷災(zāi)害，提高資源回收率，達(dá)到安全開采和保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的目的。

煤矸石井下處理是針對矸石不升井問題和“三下”壓煤問題而研發(fā)出的矸石處理方法，是實現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，全國范圍內(nèi)部分煤礦井下矸石處理技術(shù)應(yīng)用情況實例見表6。

目前煤矸石處理技術(shù)主要分為煤矸石地面處理技術(shù)和煤矸石井下處理技術(shù)，各種處理技術(shù)均有其特點，具體處理技術(shù)的優(yōu)缺點見表7。

通過分析現(xiàn)有煤矸石處理技術(shù)可以看出，煤矸石井上處理存在著如下問題：煤矸石井上綜合處理廠礦分散不集中；對于煤矸石需求不定時、需求量不確定，不能穩(wěn)定處理煤矸石；受煤矸石運輸距離及用戶范圍等限制，使用不長久、處理量小，不能滿足規(guī)?；拿喉肥幚硪?；受工藝復(fù)雜、技術(shù)限制，煤矸石利用率不足30%，絕大多數(shù)煤矸石仍以堆積的方式進(jìn)行處置，因此，煤矸石的井上綜合處理僅能作為煤矸石規(guī)模化處理的補(bǔ)充技術(shù)，僅發(fā)展煤矸石井上綜合處理技術(shù)不能滿足我國日益增大的煤矸石處理量的要求。

煤矸石井下充填處理技術(shù)具有處理效率高、產(chǎn)矸地點就是處理地點、處理位置集中等優(yōu)點，因此，相對于煤矸石井上綜合處理技術(shù)來說，是我國煤矸石處理的發(fā)展趨勢；但目前煤矸石的井下充填處理技術(shù)主要應(yīng)用于“三下”壓煤資源的開采，受充填效果要求、裝備工藝及自動化程度的限制，目前拋矸充填采煤技術(shù)矸石處理能力僅為20萬~30萬t/a，膠結(jié)充填采煤技術(shù)矸石處理能力為40萬~60萬t/a，綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)最高處理能力只能達(dá)到150萬t/a，依舊有限?，F(xiàn)存的技術(shù)仍然不能滿足我國目前煤矸石集中化、高產(chǎn)化、規(guī)?；奶幚硪螅枰l(fā)展高效充填處理技術(shù)，以便從根本上解決煤矸石處理難題。

目前煤矸石井下處理技術(shù)大部分需要考慮控制地表及含水層等問題，需要滿足設(shè)定的充實率以保證地表建(構(gòu))筑物及含水層的穩(wěn)定性，因此需要以充填效果確定煤炭產(chǎn)量及矸石消耗量，在一定程度上影響正常采煤作業(yè)，造成煤矸石處理效率不高。同時，充填采煤液壓支架夯實機(jī)構(gòu)作業(yè)影響充填效率，多孔底卸式輸送機(jī)輸送量較小，充填關(guān)鍵設(shè)備自動化程度不高、可靠性不夠強(qiáng)、工作效率較低，使得現(xiàn)有的井下煤矸石處理技術(shù)的最大能力只能達(dá)到150萬t/a，不能滿足我國現(xiàn)階段煤矸石規(guī)?；幚淼囊蟆Ｒ虼?，需要發(fā)展煤矸石高效自動化充填處理技術(shù)，其主要思路是在現(xiàn)有綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)的基礎(chǔ)上，改變充填目的和工藝、改進(jìn)充填采煤關(guān)鍵設(shè)備，提高充填工作面的自動化程度等，實現(xiàn)煤矸石的井下集中化規(guī)?；幚怼?/p>

4.2.1 改變充填目的和工藝

首先需要將以“三下”開采及保護(hù)地表建(構(gòu))筑物為目的的充填采煤思路轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆擅簽橹骷按笠?guī)模處理矸石為目的的充填采煤思路。這一思路的轉(zhuǎn)變關(guān)系到充填采煤產(chǎn)量的提高，并可以從根本上解決矸石處理難題。具體來說，以采煤為主的充填開采的主戰(zhàn)場從“三下”采煤轉(zhuǎn)移到需要處理大量矸石而不涉及或很少涉及地表建(構(gòu))筑物保護(hù)的煤礦開采，在不影響正常采煤作業(yè)的情況下，盡可能充填更多的矸石，能夠處理更多矸石，不再是“以充定采”。充填工藝也不再以保證充填效果為主，而是當(dāng)一個步距采煤作業(yè)完成需要移架時，不再考慮矸石的充填量，及時完成移架作業(yè)，保證正常采煤生產(chǎn)，從而有更多的充填空間處理矸石。

4.2.2 改進(jìn)充填采煤關(guān)鍵裝備

煤矸石高效自動化充填處理技術(shù)以高效充填為目的，是高效充填的發(fā)展方向與實現(xiàn)途徑。為了滿足以采煤為主的充填開采，更進(jìn)一步地提高矸石處理能力，在一定的采煤時間內(nèi)充填更多的矸石，需要改進(jìn)充填采煤關(guān)鍵設(shè)備，主要包括充填采煤液壓支架和多孔底卸式輸送機(jī)。

新型采充一體化液壓支架向結(jié)構(gòu)緊湊型方向設(shè)計，實現(xiàn)支架結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、空間利用率高和支護(hù)效率高的效果。主要優(yōu)化四連桿尺寸、連桿與立柱位置關(guān)系，實現(xiàn)緊湊的空間布局，并整合人行通道，減小無效空間，從而實現(xiàn)采充一體化液壓支架結(jié)構(gòu)的緊湊、安全和有效。優(yōu)化分割前后頂梁長度，使支架支護(hù)性能與頂板變形更為適應(yīng)，把原來“提高后頂梁強(qiáng)度防止充填前頂板變形”的思路改變?yōu)椤鞍阎Ъ芮许斁€后移至后頂梁尾部以適應(yīng)頂板垮落”的思路。不再安裝夯實機(jī)構(gòu)，采用安裝位移傳感器等方法，現(xiàn)場實測采充一體化液壓支架的支護(hù)性能，滿足設(shè)計指標(biāo)要求，以及滿足以采煤為主的充填采煤需求。

研發(fā)新型多孔底卸式輸送機(jī)要做到：優(yōu)化充填材料中矸石的級配，其粒徑級配及黏結(jié)力要符合卸料要求，減少對多孔底卸式輸送機(jī)磨損較大的矸石顆粒，并在充填材料中添加利于減少磨損的配料，從而降低充填材料對多孔底卸式輸送機(jī)主要部件的磨損影響；優(yōu)化多孔底卸式輸送機(jī)吊掛方式、優(yōu)化刮板間連接方式、提高關(guān)鍵部件的強(qiáng)度，從而降低充填輸送機(jī)故障率，增加刮板鏈運行速度，提高運輸效率；將輸送機(jī)中雙鏈改為邊雙鏈，從而增加卸料孔的有效卸料面積；在卸料孔的設(shè)計方面，在保證輸送機(jī)強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，考慮充填材料運輸速度、充填材料運輸狀態(tài)等因素，優(yōu)化卸料孔位置、尺寸、開關(guān)方式等，從而實現(xiàn)充填材料的高效、定點、定量卸載。保證新型多孔底卸式輸送機(jī)的輸送能力不小于1000t/h，滿足規(guī)?；涮钐幚砑夹g(shù)的輸送能力要求。

4.2.3 提高充填工作面自動化程度

目前的充填采煤技術(shù)以人工操作為主，為了提高充填處理煤矸石的效率，引入電液控系統(tǒng)和位移傳感器、傾角傳感器等硬件，開發(fā)充填采煤液壓支架控制程序，實現(xiàn)支架的移架、推溜、開合護(hù)幫板等各種功能的程序自動化控制，設(shè)計多孔底卸式輸送機(jī)拉移的自動化，實現(xiàn)充填-移架-采煤的全自動化操作。總體思路如圖3所示。

利用超聲波探測器來檢測落料高度和形態(tài)，通過集中控制實現(xiàn)卸料孔打開或關(guān)閉的自動控制。充填作業(yè)的自動化通過超聲波探測器、位移傳感器、傾角傳感器和紅外傳感器等技術(shù)手段實現(xiàn)信號采集，通過系統(tǒng)控制器實現(xiàn)命令控制。在充填作業(yè)動作結(jié)束后，控制系統(tǒng)會接收到相關(guān)信號，給出執(zhí)行支架移架、推溜的自動控制命令，在支架的移架完成之后再反饋給控制系統(tǒng)，再次執(zhí)行后部充填的自動化控制，形成充填采煤液壓支架、多孔底卸式輸送機(jī)的相互協(xié)調(diào)配套循環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)整個充填采煤過程的自動化控制。充填自動化控制系統(tǒng)示意如圖4所示。

在不影響采煤機(jī)正常割煤作業(yè)，保證安全生產(chǎn)的同時，實現(xiàn)高效自動化充填，及時充填盡可能多的煤矸石，達(dá)到礦井廢棄物零排放，力爭年充填煤矸石達(dá)300萬t以上，從而適應(yīng)我國煤矸石排放的集中化、高產(chǎn)化和規(guī)?；l(fā)展趨勢，做到生態(tài)環(huán)境低損害開采，從而從根本上解決矸石處理難題，保障煤礦開采的綠色可持續(xù)發(fā)展。

1) 我國煤矸石排放呈逐年增加的趨勢，預(yù)計2020年將排放7.95億t煤矸石，并且隨著煤礦大型現(xiàn)代化礦井建設(shè)的推進(jìn)，以及開采深度增加、洗選技術(shù)的發(fā)展，煤礦排矸呈集中化、高產(chǎn)化和規(guī)模化的發(fā)展趨勢，急需發(fā)展煤矸石處理技術(shù)。

2) 目前煤矸石井上綜合利用技術(shù)主要包括煤矸石發(fā)電、鋪路、生產(chǎn)建筑材料、生產(chǎn)化工原料、農(nóng)業(yè)應(yīng)用等，取得了不錯的應(yīng)用效果；但煤矸石綜合利用率不足30%，絕大多數(shù)煤矸石仍以堆積的方式進(jìn)行處置，僅發(fā)展煤矸石井上綜合處理技術(shù)不能滿足我國日益增大的煤矸石處理量的要求。

3) 煤矸石井下充填處理技術(shù)是我國煤矸石處理技術(shù)的發(fā)展趨勢，現(xiàn)有井下充填處理技術(shù)主要應(yīng)用于“三下”壓煤的開采，受限于充填效果、裝備工藝及自動化程度等因素，不能滿足煤矸石處理的發(fā)展要求。

4) 煤矸石高效自動化充填處理技術(shù)是我國煤矸石處理技術(shù)的發(fā)展趨勢，在目前綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過改變充填目的和工藝，改進(jìn)充填關(guān)鍵裝備，提高充填工作面自動化程度，可以實現(xiàn)煤矸石井下充填處理能力達(dá)300萬t/a以上，滿足我國煤矸石處理的發(fā)展需求，從根本上解決煤矸石處理難題。