黃土溝壑礦區(qū)高濃度自流充填技術(shù)研究

鄧俊林，崔 鋒

(1.山西神州煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 呂梁 033000;2.天地科技股份有限公司,北京 100013)

山西省是我國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地,煤炭面積達(dá) 6.2萬km2,占全省土地總面積的39.6%,目前已探明的煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)2 353.7億t,累計(jì)開采總量約40 億t。但是經(jīng)過連年開采,目前易采可采的煤炭資源日趨減少,建(構(gòu))筑物下壓煤開采成為眾多煤礦要解決的問題。同時(shí),能源城市煤炭利用產(chǎn)生的以粉煤灰為主的固體廢棄物的無害化處理,也是困擾城市可持續(xù)發(fā)展的難題。近年來,我國(guó)中東部礦區(qū)應(yīng)用以粉煤灰、廢棄矸石為主要充填材料在建(構(gòu))筑物下進(jìn)行充填開采的技術(shù)得到快速發(fā)展[1-3]。胡炳南[4]經(jīng)過對(duì)20個(gè)典型煤礦充填開采應(yīng)用實(shí)例的研究,系統(tǒng)分析了膏體充填、長(zhǎng)壁普采矸石充填、高水充填、巷道掘進(jìn)拋矸充填和長(zhǎng)壁綜采矸石充填等的技術(shù)特點(diǎn),并得出了其適用條件。劉鵬亮[5]等以風(fēng)積沙為骨料,經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)研究開發(fā)了風(fēng)積砂似膏體機(jī)械化充填采煤技術(shù),通過榆陽煤礦的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了該充填采煤技術(shù)的合理性。

本文應(yīng)用粉煤灰基高濃度自流充填技術(shù)將粉煤灰等固體廢物制成充填材料回填至井下采空區(qū),以實(shí)現(xiàn)保護(hù)地面建(構(gòu))筑物的目的,同時(shí)提高了資源回收率,保護(hù)了礦區(qū)環(huán)境,為實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采提供了新途徑。

1 高濃度自流充填技術(shù)

高濃度自流充填技術(shù)[6-7]是以充填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～66%的料漿自流充填采空區(qū),凝固后支撐頂板達(dá)到控制開采沉陷的一種膠結(jié)充填技術(shù)。高濃度自流充填因其系統(tǒng)簡(jiǎn)單、初期投資低、系統(tǒng)可靠度高、巖層移動(dòng)控制效果好等特點(diǎn),在山東、遼寧地區(qū)應(yīng)用較廣。

1.1 高濃度自流充填材料

高濃度自流充填材料以粉煤灰、尾礦、建筑垃圾等硅質(zhì)材料為主料,以延緩劑、速凝劑、固化劑和膨脹劑等為輔料,與水充分?jǐn)嚢杌旌虾?制成水固質(zhì)量比為(1.3～1.5)∶1左右的充填料漿。該材料具有流動(dòng)性好、有一定膨脹性、成型后可保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的特點(diǎn)。

1)反應(yīng)原理。該充填材料利用堿激發(fā)原理,以輔料中的堿土氫氧化物激發(fā)主料粉煤灰中的火山灰物質(zhì)(SiO2，Al2O3),以生成具有水硬性的水化硅酸鈣(C2S2H凝膠)、水化鋁酸鈣(CAS)、CaO-SiO2-H2O等系列水化產(chǎn)物。充填材料反應(yīng)方程式如下所示:

3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O

(1)

2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(2)

3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2

(3)

2)流動(dòng)性。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了粉煤灰骨料∶粉煤灰及輔料質(zhì)量比為1∶1的情況下,不同填料含量的料漿的表觀黏度和剪切應(yīng)力，測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明:主料加輔料質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過66%時(shí),其表觀黏度在102 mPa·s以內(nèi),剪切應(yīng)力在2.82 Pa以內(nèi),初始剪切應(yīng)力在2 Pa以內(nèi),能實(shí)現(xiàn)料漿2 h不凝固且流動(dòng)性較好,故應(yīng)控制現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)主料加輔料質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于66%。

表1 不同填料含量料漿的表觀黏度和剪切應(yīng)力Table 1 Apparent viscosity and shear stress of slurry with different concentrations

為檢驗(yàn)該材料的流動(dòng)性，在煤礦井下進(jìn)行了不同填料含量的料漿實(shí)際流動(dòng)性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，輸送管道高差均為270 m條件下，填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的料漿進(jìn)行井下自流輸送試驗(yàn)時(shí)的流量為61.70 m3/h，流速為1.50 m/s，其流動(dòng)性高于63%、66%的料漿，說明主料加輔料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的料漿流動(dòng)性較好，因此確定主料加輔料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%。

表2 井下自流料漿輸送試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Underground gravity flow test data

3)材料膨脹性。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得該充填材料的膨脹率控制在3%～10%,材料具有良好的膨脹性,可有效提高現(xiàn)場(chǎng)充填作業(yè)時(shí)的充填接頂率，實(shí)現(xiàn)充填體主動(dòng)接頂。

4)充填體長(zhǎng)期強(qiáng)度[8]。在王臺(tái)鋪煤礦地面養(yǎng)護(hù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的充填體,并對(duì)井下已充填材料進(jìn)行取芯,測(cè)試各齡期地面養(yǎng)護(hù)充填體和井下取芯充填材料的強(qiáng)度,來分析時(shí)長(zhǎng)對(duì)充填體強(qiáng)度的影響,測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 充填體各齡期強(qiáng)度Fig.1 Strength of filling body at different ages

由此可知,充填體強(qiáng)度總體隨成型充填體齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),充填7 d時(shí)樣品的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到2 MPa,28 d時(shí)充填體強(qiáng)度在3 MPa以上,90 d時(shí)充填體強(qiáng)度在4 MPa以上,表明充填體可保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

5)泌水率。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定該充填材料的泌水率一般小于1%。在王臺(tái)鋪煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)充填材料的泌水率結(jié)果如圖2所示,實(shí)測(cè)結(jié)果顯示該充填材料泌水率平均值為0.28%,表明該充填材料的泌水率滿足充填開采要求。

圖2 充填體泌水率變化實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.2 Measured results of filling body’s bleeding rate

1.2 高濃度自流充填系統(tǒng)

充填開采工藝系統(tǒng)包括制漿系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和采空區(qū)充填三部分。制漿系統(tǒng)如圖3所示,由儲(chǔ)料罐、一級(jí)攪拌罐、二級(jí)攪拌罐構(gòu)成。儲(chǔ)料罐由粉煤灰罐、輔料罐構(gòu)成。充填開采工藝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),首先向一級(jí)攪拌罐內(nèi)注入定量的水,邊攪拌邊注入與水相應(yīng)配比的粉煤灰,攪拌制成初漿;然后將初漿與儲(chǔ)存在輔料罐中的輔料按照設(shè)定配比同時(shí)輸入二級(jí)攪拌罐,在攪拌器的作用下自上而下強(qiáng)力、快速的混合,邊攪拌邊輸出料漿,實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線制漿;最后料漿經(jīng)控流、過濾、管路輸送系統(tǒng),靠料漿重力自流輸送到充填工作面進(jìn)行充填。

1.3 煤礦高濃度自流充填應(yīng)用

目前高濃度自流充填技術(shù)已在王莊煤礦、埠村煤礦、彩屯煤礦、艾友煤礦、王臺(tái)鋪煤礦、榆陽煤礦等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,多數(shù)煤礦通過該技術(shù)進(jìn)行三下壓煤的回采作業(yè),均達(dá)到了控制開采沉陷的目的。

圖3 充填站制漿系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the slurry system of filling station

2 黃土溝壑礦區(qū)高濃度自流充填技術(shù)應(yīng)用研究

以呂梁某礦為背景,論證高濃度自流充填開采技術(shù)在黃土溝壑地區(qū)實(shí)施的可行性。

2.1 地質(zhì)采礦條件

山西呂梁某礦采用斜井開拓,年生產(chǎn)能力120 萬t,主采4#，8#煤層。全礦井三下壓煤約920 萬t。其中4#煤為特低灰、中等揮發(fā)性、低硫、特低磷、高發(fā)熱量的焦煤,煤質(zhì)最好,該礦六采區(qū)垃圾場(chǎng)及村莊下壓煤量約180萬t,有回采意義。目前該礦六采區(qū)地面建(構(gòu))筑物較為密集,搬遷難度較大，若采用條帶開采,預(yù)計(jì)可回收約30%的煤,回采率較低,故考慮采用充填開采。

4#煤層六采區(qū)位于井田的南端,東西長(zhǎng)約1 850 m,南北寬約1 600 m,采區(qū)面積約3 km2。采區(qū)地表有垃圾場(chǎng)、村莊等。地面標(biāo)高+915～+1 087 m。根據(jù)采區(qū)內(nèi)鉆孔的揭露,煤層底板標(biāo)高為+703～+735 m。本區(qū)煤層傾角3°～5°,一般為4°,煤層厚度為0.8～1.6 m。煤層的直接頂為砂質(zhì)泥巖,局部夾粉砂巖,厚度為2.5～6.7 m,一般在4.3 m。煤層的直接底為細(xì)砂巖,厚度為2～2.5 m,平均厚度為2.3 m。煤層依次向下對(duì)應(yīng)的底板為細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、5#煤層、泥巖、砂質(zhì)泥巖等。

2.2 地面保護(hù)等級(jí)要求

地面建(構(gòu))筑物主要為生活垃圾場(chǎng)及村莊。

垃圾場(chǎng)處于山溝中,為生活垃圾場(chǎng),南北向長(zhǎng)度約820 m,東西向平均寬度約70 m,全場(chǎng)占地面積約16.38 萬m2。垃圾場(chǎng)鋪設(shè)采用防水土工膜,為掌握垃圾場(chǎng)土工膜的性能,進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試,其縱向橫向屈服伸長(zhǎng)率均為14%,縱向斷裂伸長(zhǎng)率為767%,橫向?yàn)?57%。考慮一定的安全期系數(shù),垃圾場(chǎng)及辦公區(qū)建筑物正常使用的采動(dòng)變形在I級(jí)以內(nèi)，即下沉值小于300 mm,水平拉伸變形小于2 mm/m,水平壓縮變形小于2 mm/m,傾斜變形小于3 mm/m。

村民約400余戶,常住人口約2 000人。村莊(社區(qū))住宅以磚混、磚木結(jié)構(gòu)平房、樓房為主。建(構(gòu))筑物變形控制在I級(jí)范圍內(nèi)時(shí),可不維修或簡(jiǎn)單維修繼續(xù)使用。考慮一定的安全性,設(shè)定下沉值小于200 mm,水平拉伸變形小于1 mm/m,水平壓縮變形小于2 mm/m,傾斜變形小于3 mm/m。

2.3 充填材料

呂梁地區(qū)大部分地表被黃土覆蓋,濕陷性黃土極易受采動(dòng)影響發(fā)生裂縫或臺(tái)階下沉。呂梁市為能源大市,且離柳礦區(qū)為我國(guó)重要的焦煤產(chǎn)地,該地區(qū)分布有大量用于發(fā)電、供熱的燃煤電廠,煤炭的利用會(huì)產(chǎn)生大量的粉煤灰,全市每年粉煤灰產(chǎn)量初步估計(jì)在200 萬t以上,現(xiàn)階段一半以上的粉煤灰難以資源化利用,存在潛在污染環(huán)境的可能。

為對(duì)該地區(qū)煤炭利用所產(chǎn)生的粉煤灰進(jìn)行進(jìn)一步的資源化利用,取山西中鈺能源有限公司、山西呂梁山煤電有限公司方山電廠所產(chǎn)生的粉煤灰進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 粉煤灰成分分析Table 3 Composition analysis of fly ash

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將中鈺能源粉煤灰與方山煤電粉煤灰分別與輔料、水按質(zhì)量比1∶0.2∶1制成充填材料后,主料加輔料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%,料漿流動(dòng)度分別為190 mm和170 mm,均能滿足倍線20的自流輸送。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)中鈺粉煤灰加輔料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的料漿時(shí),成型齡期為12 h，3，7，14，28 d時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度分別為0.2，1.1，2.0，2.3，2.5 MPa,成型齡期為12 h，3，7，14，28 d時(shí)的彈性模量分別為0.1，0.3，0.5，1.0，1.2 GPa。結(jié)合該礦覆巖力學(xué)參數(shù),在充填體高度1.6 m、埋深200 m、充填體彈性模量為1.2 GPa的條件下,數(shù)值模擬所得地表下沉值為160 mm,能滿足煤礦充填開采需求。

2.4 充填制漿系統(tǒng)及管路輸送

采用如圖3所示的充填制漿工藝及系統(tǒng)進(jìn)行該礦充填開采料漿的制作。

為達(dá)到礦方設(shè)計(jì)的六采區(qū)年產(chǎn)20 萬t煤炭的生產(chǎn)計(jì)劃,設(shè)計(jì)充填系統(tǒng)的充填能力為150 m3/h。

(4)

式中:Q為體積流量,m3/h;v為流速,m/s;d為管道內(nèi)徑,mm。

將Q=150 m3/h,v=2.4 m/s代入式(4),可得d=148 mm。

綜上，六采區(qū)垂深270 m,充填管路系統(tǒng)總長(zhǎng)度約2 100 m,理論計(jì)算所得管路參數(shù)為Φ168 mm×10 mm時(shí)能滿足充填要求。

2.5 工作面充填工藝

設(shè)計(jì)六采區(qū)4604充填開采工作面充填作業(yè)采用“采煤-充填-采煤-充填”的循環(huán)模式進(jìn)行,工作面每采四刀煤后充填一次,即充填步距為2.4 m,將采空區(qū)充滿待充填體凝固后進(jìn)行下個(gè)采煤循環(huán),如圖4所示。采用在支架后方掛袋的方式,向袋內(nèi)充填漿體,來保證采空區(qū)形成密閉的充填空間。

(a)上循環(huán)充填體凝固

3 充填開采效果分析

3.1 充填開采地表變形效果預(yù)計(jì)

采用概率積分法對(duì)該礦六采區(qū)4604(1)充填工作面開采區(qū)域進(jìn)行地表變形預(yù)計(jì)[9]。采用充填開采時(shí)地表變形預(yù)計(jì)中下沉系數(shù)η=0.08,采用自然垮落法開采時(shí)下沉系數(shù)η=0.7,水平移動(dòng)系數(shù)b=0.22,主要影響角正切tanβ=2.1,拐點(diǎn)移動(dòng)距S=0,開采影響傳播角θ0=90°-0.6α。計(jì)算所得地表變形預(yù)計(jì)最大值如表4所示。

表4 地表變形預(yù)計(jì)最大值Table 4 Maximum predicted surface deformation

分析表4可知,采用充填開采時(shí)地表最大水平變形均在Ⅰ級(jí)范圍內(nèi),上覆巖層變形平緩,開采過程中產(chǎn)生的地表移動(dòng)變形值小于最終值,不影響地表建筑物的正常使用。相比垮落法,充填法開采地表下沉及變形值減少90%以上,與模擬結(jié)果相近,可以達(dá)到控制開采沉陷的目的。

3.2 充填開采地表變形實(shí)測(cè)

在該礦六采區(qū)4604(1)充填工作面回采期間,工作面對(duì)應(yīng)地表區(qū)域布置有傾向觀測(cè)線與走向觀測(cè)線進(jìn)行工作面回采期間地表變形的監(jiān)測(cè)。由于該充填工作面尚處于回采初期,故對(duì)傾向觀測(cè)線中的WA60測(cè)點(diǎn)和走向觀測(cè)線中A20測(cè)點(diǎn)的變形量進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5。

(a)傾向觀測(cè)線WA60測(cè)點(diǎn)

觀察圖5可知,在4604(1)充填工作面回采通過傾向測(cè)線WA60測(cè)點(diǎn)與走向測(cè)線A20測(cè)點(diǎn)300 m的范圍內(nèi),隨著工作面充填開采的進(jìn)行，地表傾向測(cè)點(diǎn)與走向測(cè)點(diǎn)的最大下沉量穩(wěn)定于約160 mm,與概率積分法預(yù)測(cè)的地表最大下沉值基本相同,有效地控制了地表變形。

3.3 高濃度膠結(jié)自流充填對(duì)環(huán)境影響的分析

高濃度膠結(jié)自流充填技術(shù)以粉煤灰為主料,通過堿激發(fā)原理結(jié)合輔料對(duì)粉煤灰進(jìn)行資源化利用,處理了大量粉煤灰,減輕了地面處理粉煤灰造成的環(huán)境污染。

為進(jìn)一步掌握高濃度膠結(jié)自流充填技術(shù)對(duì)地下水環(huán)境的影響,依據(jù)GB 30760-2014《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》對(duì)以粉煤灰為主料的充填料漿進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果如表5所示。

表5 粉煤灰料漿重金屬浸出檢測(cè)結(jié)果Table 5 Test results of heavy metal leaching in fly ash slurry

由表5可知,充填材料有效將粉煤灰、煤矸石中的重金屬元素進(jìn)行了固化,充填料漿可浸出重金屬及固料重金屬檢測(cè)結(jié)果均合格,因此進(jìn)行井下充填開采不會(huì)造成地下水源污染,同時(shí)減輕了粉煤灰地表外排對(duì)環(huán)境的影響。

3.4 充填開采經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)計(jì)算充填開采噸煤增加成本為188.70元,該礦4#煤層綜合機(jī)械化采煤綜合成本約450 元/t,因此充填開采噸煤成本合計(jì)638.7元。該礦4#煤層的市場(chǎng)綜合價(jià)格為900 元/t,故采用充填開采仍有較大的利潤(rùn)空間,噸煤利潤(rùn)約261.3元,六采區(qū)建筑物下壓煤的充填開采每年可帶來產(chǎn)值約1.8億元,每年產(chǎn)生約5 220萬元利潤(rùn),經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 結(jié)論

本文對(duì)以粉煤灰為主料,以延緩劑、速凝劑、固化劑和膨脹劑等為輔料,按特定比例制成的充填材料的流動(dòng)性、膨脹性、泌水率和強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,得出該充填材料滿足充填開采要求的結(jié)論,并對(duì)高濃度自流充填系統(tǒng)及工藝進(jìn)行介紹。結(jié)合呂梁某礦的具體條件,設(shè)計(jì)并進(jìn)行以粉煤灰為主料的高濃度自流充填系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,得到充填開采相比垮落法開采地表下沉及變形值減少90%以上的效果,現(xiàn)場(chǎng)充填開采地表最大下沉量穩(wěn)定于160 mm左右,并且該材料不會(huì)對(duì)地下環(huán)境造成影響。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證了黃土溝壑地區(qū)實(shí)施高濃度自流充填開采建筑物下壓煤的可行性,為呂梁及類似地區(qū)充填開采提供了有益借鑒。