李 超，周 扬

（1.神华国能（神华电力）集团 大南湖二号露天煤矿，新疆 哈密 839000；2.大地工程开发（集团）有限公司，北京 100102）

目前电厂灰（粉煤灰）、渣（炉底灰），除少部分可被综合利用以外，大部分需要单独排放，单独排放的缺陷首先是费用较大，其次是灰渣中的可溶盐析出后，以及灰渣飞尘对周围的污染较大，为了消除此环境影响，还需要额外花费治理费用。我国仅在2000年燃煤电厂灰渣排放量就达1.6 亿t，占地已达3 万hm3以上。如果将我国地下贮煤全部开采并燃烧后，仍由此方法排放，对环境的污染将不堪设想[1]。针对上述问题，提出了在“煤电一体化”模式下，将电厂灰渣排弃至配套露天矿的排土场，一方面节约土地资源，另一方面利用灰渣回填已开采露天矿坑，实现矿坑恢复治理。

以大南湖二号露天煤矿为例，将花园电厂和大南湖电厂的灰渣排弃至大南湖二矿内排土场中，来解决灰渣单独排弃的占地费用问题以及对环境的影响问题。而灰渣由矿外电厂运至采掘场内，经常与矿内作业设备交叉运行，存在影响露天矿正常生产、作业安全及运营管理的不利因素，因此，研究灰渣在矿坑内排弃的运输系统，减少对露天矿正常作业的影响显得尤为必要。

1 灰渣运输方案确定的主要影响因素

1）排弃位置。在采掘场内排时，各个排土水平为松散物料堆砌，有可能会发生不规则沉降的现象，根据贮灰场的防渗要求，选择在满足承载力要求的地基上，以避免地基下沉的影响，特别是不均匀或局部下沉的影响[2]。因此，将贮灰场设置在采掘场坑底位置，以保证基底稳定。

2）排弃规模。2018 年花园电厂实际排弃灰渣总量1.69 Mt，折算满负荷情况下年排弃灰渣量2.50 Mt，2018 年大南湖电厂实际排弃灰渣总量0.40 Mt，折算满负荷情况下年排弃灰渣量0.45 Mt，考虑一定灰渣运输富余量，灰渣运输量按3.0 Mt/a 进行计算。

3）灰渣特性。粉煤灰是一种火山灰质材料，来源于煤中无机组分，而煤中无机组分以黏土矿物为主，另外有少量黄铁矿、方解石、石英等矿物。因此粉煤灰化学成分以二氧化硅和三氧化二铝为主（氧化硅含量在48%左右，氧化铝含量在27%左右），其他成分以二氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠、三氧化硫及未然尽有机质（烧失量）[3]。通过对灰渣的分析，花园电厂和大南湖电厂产生的灰渣中含有的CaO、SO3等化学成分，以及砷（As）、氟（F）、汞（Hg）、Cr（铬）等有害元素，渗水后使地下水产生不同程度的污染，比较明显的是pH 值升高、有毒有害的铬、砷等元素增加[4]。因此，在灰渣的运输和排弃过程中应当充分考虑对周边环境的影响，做好相应的防护措施。

4）露天煤矿采排工艺。大南湖二号露天煤矿采剥工程采用单斗－卡车的开采工艺，设备水平为4.5 m3液压挖掘机与60 t 自卸卡车。根据目前大南湖二号露天煤矿的工程发展，预计2020 年年末将满足开始内排的条件。届时，便可将灰渣运输至内排土场进行排弃。

2 灰渣运输系统的选择原则和运输方案

运输系统的选择原则为：①工艺系统尽可能简单化，便于生产管理；②在满足环保要求的前提下，经济效益最优；③设备规格尽量大型化、通用化、系列化[5]；④满足与露天矿排弃物料进行混合排弃的要求；⑤结合灰渣物料性质，充分考虑灰渣对周围环境的影响。

大南湖二矿采用露天开采方式，每年有大量的剥离固体废物需要排弃，目前排至外排土场，随着采掘场工作帮推进降深至深部境界，将具备内排条件且释放较大的内排空间，内排空间上具备排弃电厂灰渣的条件。

电厂拟在露天矿采掘场东北角与排土场西北角相交处建设2 座φ12 m 钢筋混凝土圆筒仓，单仓储量为1 000 t，可以缓存带式输送机2 h 运量。电厂灰渣通过带式输送机将灰渣运至该灰渣仓。随着生产的不断发展，设备的不断更新，用于电厂灰渣的运输方式也变得多种多样，目前灰场的输送方式有卡车运输、带式输送机输送（管状和槽型）、气力管道输送、水力输送等。

2.1 方案1—汽车运输方式

1）方案1 输送方式概述及工艺布置。灰仓中的物料，通过仓下设置的给料机，输送至仓下的40 m3运灰汽车，操作工人在仓下操作室进行装车操作。装满后，装载灰渣的汽车，经由采掘场中的运输道路，运输至采掘场坑底，进行排弃。

2）方案1 优点：①机动灵活，适应复杂地形；②初期投资低；③便于管理。

3）方案1 缺点：①在运输过程中易产生扬尘；②运输距离不宜过长；③一次运量少。

2.2 方案2—普通带式输送机输送方式

1）方案2 输送方式概述及工艺布置。方案2 的工艺流程为灰渣进入电厂灰仓存储后，由电厂灰仓的电机搅拌式给料机将灰渣送至带式输送机，输送机能力为1 000 t/h。灰渣经布置于采掘场北端帮的带式输送机运输，最后卸载至内排土场中的贮灰场。

2）方案2 优点：①保证连续工作，运输能力大；②易于实现自动控制，提高劳动生产率[6]。

3）方案2 缺点：①带式输送机最大允许倾角小，所需布设胶带较长；②带式输送机移设较为困难；③每年需投入较多人力对设备进行维护检修，运营成本较大。

2.3 方案3—管状带式输送机输送方式

1）方案3 输送方式概述及工艺布置。工艺流程为灰渣进入电厂灰仓存储后，由电厂灰仓的电机搅拌式给料机将灰渣送至1 000/h 的管状带式输送机。灰渣经布置于采掘场北端帮的管状带式输送机运输，最后卸至距坑底20 m 高时，脱离管带机，由卸料斗经软管落至内排土场贮灰场。

2）方案3 优点：①运营管理模式相对成熟；②传送带输送方式对物料输送最大倾角可达30°，特别适合于陡峭复杂地形的运输线路布置，具有较好的经济性和实用性，对于地形的适应性极强；③管带机除进料出料端为开放式外，输送过程为密闭输送，可省去建廊道的费用，并能有效的防止所输送物料遭受雨水或风吹，从而减小运送物料过程中对环境的影响；④管带机输送过程密闭，对于输送的粉煤灰受气候风力等影响从而污染环境的现象有很大改善。

3）方案3 缺点：①每年需投入较多人力对设备维护检修，运营成本较大；②考虑到随着内排土场的推进，输送机需要定期移设，移设困难。

2.4 方案4—气力管道输送方式

1）方案4 输送方式概述及工艺布置。气力输送系统根据工作原理可分为吸送式气力输送系统、压送式气力输送系统、混合式气力输送系统3 种类型。吸送式气力输送系统，是通过使输送装置处于负压状态，将物料吸到料仓，可提升一定的高度和一定的运输距离，该系统可有效降低粉尘对环境的污染，减少物料和粉尘外溢飞扬，适用于物料的集中运输，以及大面积堆积或深处存放的物料运输。在现有技术下，压送式系统技术成熟、工程实践多，输送效率较高、不会受运输条件变化而变化。电厂灰渣由电厂炉渣、粉煤灰和石膏组成，其比例为1∶9∶1，由于灰渣粒度不均，灰渣内排初期输送高差－147 m，输送距离为600 m，随着露天矿排土场工作帮推进，输送机逐渐增加，按照灰渣特性和输送距离，适宜选用中相气力输送。由于电厂来灰系统输灰能力为1 000 t/h，而单套气力输送系统目前的输送能力一般不超过300 t/h，需设置3 套气力输送系统方能满足输灰需要，具体工艺流程为在电厂灰渣仓下安装碎渣机，将灰渣中块状物料破碎至粗灰级粒度，卸载至缓冲仓，再由输送泵通过输送管道输送至贮灰场内的卸灰仓，管道输送最大压力0.25 MPa。

2）方案4 优点：①为封闭的管道输送可最大限度地避免灰尘外逸，利于保护环境；②较少的运动部件降低了维护工程量；主要适用于相对固定的输送终点。

3）方案4 缺点：①输送能力小，1 套系统无法满足灰渣输送要求；②灰渣中含有石子煤及块状胶结炉渣，输送管道易堵塞；③贮灰场地随着露天矿排土工程及时移设，造成气力输灰系统移设及改造频繁，并对露天矿生产影响大；④灰渣输送投资高，成本高。

2.5 方案5—水力输送方式

1）方案5 输送方式概述及工艺布置。管道水力输送是一种以液体通常为水为载体通过封闭管道输送固体物料的输送方式[7]，具有占地少，无污染，安全可靠等优点，目前已被广泛用于冶金矿山的尾矿、精矿，煤炭行业洗选工艺，电厂的灰渣等细颗粒的输送上，另外在化工、水利和环保等众多工业领域均有应用。将灰渣破碎至适合管道运输的粒度，加水混合成一定浓度的物料。然后用泵将混合物料输入管道，完成输送过程。管道露天架设在露天矿首采区南端帮。当运输距离较大时，需要根据泵的能力设置多个接力泵站，防止管道压力不足。浆料到目的地后，进行脱水、干燥，使物料达到合用的湿度，污水处理后循环利用。

2）方案5 优点：①从地表铺设1 条到坑底的排弃管道，基建工程量少，投资少；②灰渣与水混合排弃，排弃过程中不会产生扬尘，不污染环境。

3）方案5 缺点：①由于将灰渣与水混合，运营过程中需要大量的水资源，水资源需求量过大；②由于灰渣与水混合向坑底排弃，坑底做防渗漏处理，需要排出坑底析出水量才能进行正常的排弃作业，同时需对排出水进行无害化处理；③水灰配比控制难度大，受季节影响大，在运行过程中可能存在管道堵塞现象，同样也会导致排弃工作不能进行。

2.6 方案比较

由于贮灰场地随着露天矿排土工程及时移设，灰渣的排弃位置是跟随采掘场的向前推进而不断变化的。因此，排灰设施的位置也会随之不断改变。这会对灰渣内排工艺的选择产生一定的影响。

根据上述对各个运输方案的优缺点比较，考虑到对灰渣运输对周边环境的影响，发现：方案2 与方案3 相比，方案3 更具有优势，对环境的影响更小，而方案5 的水力输送，对地下水环境的影响较大。因此，从技术角度考虑，方案1、方案3、方案4 更为可行。对该3 种方案进行经济比较，各方案投资及成本比较见表1。

表1 各方案投资及成本比较

由表1 可知，方案1 的投资为5 000 万元，相比于方案3 的7 872 万元与方案4 的8 874 万元，方案1 的投资有明显的优势；在年运营成本方面，方案1 的运营成本为1 557 万元，也优于方案3 与方案4。虽然方案1 可能对周边的环境造成的影响略大于方案3 与方案4，但是，只要强化运行管理，采用环保型设备，这些问题都是可以解决的[8]。

综上所述，对各方案的技术、经济分析，结合大南湖二号露天煤矿的生产实际情况，推荐汽车运输方案作为灰渣排弃的运输方案。方案的工艺流程为灰渣进入电厂灰仓存储后，由电厂灰仓直接装至运灰汽车，运灰汽车通过端帮固定坑线→采掘场工作帮移动坑线→内排土场移动坑线运至内排土场贮灰场堆放。

3 结语

以“煤电一体化”模式下的大南湖二矿及配套电厂为例，对电厂灰渣排弃至露天矿内排土场的灰渣运输方法从技术与经济上进行分析研究，最终确定灰渣运输采用汽车运输的方式。所选择的排弃工艺与露天矿剥采工艺相匹配，不会对露天矿的生产造成较大影响，工艺简单化，便于生产管理，技术可行，经济合理。电厂灰渣排弃至内排土场对集约利用土地资源和保护生态环境具有重要意义，为我国“煤电一体化”模式下煤矿和电厂的深度融合提供了有价值的参考。