西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢多態(tài)充填技術應用與實踐

朱 磊

(1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；2.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

我國西部生態(tài)脆弱區(qū)主要是指寧夏、陜北、蒙西的農(nóng)牧交錯區(qū)，這些區(qū)域的農(nóng)耕區(qū)和草原牧區(qū)地理上相連接，氣候上降水量少、氣候半干旱，屬于典型的生態(tài)環(huán)境變化過渡地帶[1-3]。同時，西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源賦存豐富、開采條件好，建設有陜北、神東等大型煤炭生產(chǎn)基地，配套建設了多個大型、特大型煤電一體化及煤化工一體化的煤礦。根據(jù)《2019年BP世界能源統(tǒng)計年鑒》[4]，鄂爾多斯盆地西北部的寧夏、陜北、蒙西原煤產(chǎn)量占我國原煤總產(chǎn)量50%以上，在我國能源安全供應中具有舉足輕重的地位。煤炭資源大規(guī)模、高強度開采的同時，帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題：一是生態(tài)破壞問題，煤炭資源的開采造成了地表沉降，每年新形成的沉陷土地面積約為 3.34萬hm2，由于西部生態(tài)脆弱區(qū)自身內部結構的不穩(wěn)定性，導致農(nóng)牧交錯區(qū)呈現(xiàn)出嚴重的草地退化、沙化和鹽堿化；二是環(huán)境污染問題，根據(jù)《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[5]，西部生態(tài)脆弱區(qū)產(chǎn)生煤矸石4.03億t、煤泥9 120萬t，粉煤灰6 320萬t，鍋爐粗渣4 488萬t，如此體量的固體廢棄物排至地面后會造成地表水污染、占用土地、自燃發(fā)火等問題，超出西部生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)環(huán)境承受閾值，進而使草地嚴重退化、沙化和鹽堿化。

國家多次強調要保持加強西北生態(tài)文明建設的戰(zhàn)略定力，牢固樹立生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的導向。2020年4月29日，新修訂的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》[6]特別關注固體廢物污染的“源頭防控”，明確規(guī)定產(chǎn)廢單位對工業(yè)固廢的全程性責任；2020年5月28日新頒布的《中華人民共和國民法典》[7]體現(xiàn)了“綠色原則”，制定了生態(tài)環(huán)境損害的懲罰性賠償制度。因此，科學、綠色、合法、合規(guī)地處置煤矸石、粉煤灰、鍋爐粗渣等固體廢棄物已成為西部生態(tài)脆弱區(qū)能否實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟社會高質量發(fā)展的關鍵。

1 固廢多態(tài)充填技術優(yōu)勢及生態(tài)需求

1.1 西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢綜合利用現(xiàn)狀

近年來我國專家、學者在固廢綜合利用方面取得了長足的發(fā)展[8-9]，以煤矸石為例，其利用量逐年增加(如圖1所示)，綜合利用途徑不斷擴展(如圖2所示)。

圖1 2013—2019年我國煤矸石產(chǎn)量與利用情況

圖2 2019年我國煤矸石主要利用途徑

1)能源領域應用

目前研究發(fā)現(xiàn)煤矸石中夾雜有10%～25%的炭質可燃物，屬于低熱值燃料。使用煤矸石作燃料發(fā)電，在實現(xiàn)變廢為寶的同時，可降低煤炭資源的用量。然而煤矸石發(fā)電企業(yè)受市場競爭、運輸成本、技術條件、發(fā)電裝機容量、電能轉換效率低等因素影響，經(jīng)濟效益走低。另外，煤矸石發(fā)電產(chǎn)生的粉煤灰、脫硫石膏、廢煙氣脫硝催化劑等固體廢棄物仍面臨固廢處置難題。

2)建筑材料領域應用

煤矸石和鍋爐粗渣中主要含有SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分，是一種近似于黏土質的原料，可以通過相關工藝燒制成普通硅酸鹽水泥、無熟料水泥等多種建筑材料，但由于不同地區(qū)的煤矸石、鍋爐粗渣等受所在地區(qū)地質情況影響，構成的礦物種類組成及含量差別較大，僅有少部分煤矸石和鍋爐粗渣可被利用。

3)農(nóng)業(yè)領域應用

利用固廢的酸堿性及其中含有的多種微量元素和營養(yǎng)成分，可將其用于土壤改良，調節(jié)土壤的酸堿度和疏松度，并可增加土壤的肥效。但由于具有利用價值的固廢數(shù)量有限，因此并不能將大規(guī)模的固廢處理手段運用在農(nóng)業(yè)領域。

1.2 固廢多態(tài)充填技術優(yōu)勢

固廢多態(tài)充填技術是指將煤矸石、粉煤灰、鍋爐粗渣等固體廢棄物直接制成膏體、漿體等不同流態(tài)形式填充至井下采動空間中，從而起到處理固廢、控制巖層移動、減緩地表下沉、保護地下水資源的作用[10-12]?；谖鞑可鷳B(tài)脆弱區(qū)固廢產(chǎn)量大、固廢綜合利用量有限的現(xiàn)狀，固廢井下充填是一項符合國家產(chǎn)業(yè)政策、前景光明的技術手段[13-14]。

1.3 固廢多態(tài)充填技術生態(tài)需求

“缺氣、少油、富煤”的能源格局決定了以煤炭作為主導能源是國家經(jīng)濟社會發(fā)展的必然選擇。我國西部生態(tài)脆弱區(qū)煤電一體化、煤化工一體化是煤炭資源規(guī)模開發(fā)利用的主要方式，固廢處理、地面生態(tài)保護、地下水資源保護是綠色開采的難點。固廢多態(tài)充填技術將煤炭采掘洗選、加工利用活動產(chǎn)生的伴生廢棄物原位返還井下采動空間，實現(xiàn)了在源頭消納固廢及原態(tài)控制地表，把煤炭開發(fā)、資源利用和環(huán)境保護有機協(xié)調統(tǒng)一，固廢多態(tài)充填已成為西部生態(tài)脆弱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關鍵之一。

2 固廢多態(tài)化充填技術內涵

圍繞西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢處理難題，以生態(tài)保護需求為導向，以新時代生態(tài)文明思想為根本遵循，以固廢井下充填技術為載體，集成跨界先進技術，優(yōu)化生產(chǎn)適性技術、提升系統(tǒng)匹配技術，突破傳統(tǒng)技術瓶頸，構建地區(qū)適應型、工藝匹配型和經(jīng)濟高效型西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢多態(tài)化充填的理論、技術與裝備，實現(xiàn)固廢零排放、環(huán)境低損傷、生態(tài)弱擾動功能，最終實現(xiàn)西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢綠色化處理。西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢多態(tài)化充填技術框架如圖3所示。

圖3 西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢多態(tài)化充填技術框架

3 固廢多態(tài)化充填技術體系

3.1 固體充填技術

1)發(fā)展簡況

固體充填技術在我國發(fā)展于2000年以后，由于固體充填系統(tǒng)投資大、運營成本高，最初的固體充填技術應用目的在于控制巖層移動。歷經(jīng)20 a的發(fā)展，固體充填技術不斷完善成熟、充填效率大幅提高，目前低生態(tài)環(huán)境損傷已成為固體充填技術主要應用目標[15-17]。

2)技術原理

固體充填技術是指將煤矸石、粉煤灰及鍋爐粗渣等固體廢棄物直接通過連續(xù)或半連續(xù)運輸方式輸送至井下，并利用充填液壓支架、拋夯一體機等設備將固廢填充至充填區(qū)域。其中,固體充填技術按照在井下充填區(qū)域的不同分為工作面固體充填技術(刮板輸送機卸矸充填)和巷道充填技術(短壁干式充填)。工作面固體充填技術原理如圖4所示。

圖4 工作面固體充填技術原理示意圖

3)設計方法

固體充填技術設計流程如圖5所示,主要包括固廢地面運輸與破碎系統(tǒng)設計、固廢下井系統(tǒng)設計、充填工作面(或充填巷)排矸系統(tǒng)設計。

圖5 固體充填技術設計流程

固廢地面運輸和破碎作為固體充填技術的準備環(huán)節(jié)，在其設計上應充分考慮地面和井下生產(chǎn)系統(tǒng)、固廢運輸破碎系統(tǒng)和井下充填制度的銜接，保障其系統(tǒng)獨立、生產(chǎn)可靠；固廢下井系統(tǒng)在設計上應從源頭減量的角度重點關注固廢下井方式選擇、下井系統(tǒng)結構設計及物料投放關鍵參數(shù)計算；充填工作面(或充填巷)排矸系統(tǒng)設計應從工作面設備布置形式、充填面生產(chǎn)能力、關鍵設備選型及充填工藝方面展開。

4)技術適用條件

工作面固體充填技術固廢處理能力最大可達1.0 Mt/a以上，噸矸充填成本為60～80元；巷道固體充填技術固廢處理能力一般不大于0.3 Mt/a，噸矸充填成本為40～60元。該技術主要適用于煤厚在2.5～5.0 m，頂板條件較好的礦井。

3.2 膏體充填技術

1)發(fā)展簡況

膏體充填技術始于20世紀50年代的加拿大，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，膏體充填技術已在我國的淄博、濟寧、峰峰和陜北礦區(qū)得到了應用[18-19]。

2)技術原理

膏體充填技術是指將固廢在地面或井下進行篩分破碎，并輔以水泥、粉煤灰、添加劑和水，加工制成無臨界流速、不需脫水的高濃度膏體，利用充填工業(yè)泵，通過管道輸送到井下采空區(qū)，適時進行置換采煤的新型采煤方法。膏體充填技術原理如圖6所示。

圖6 膏體充填技術原理示意圖

3)設計方法

膏體充填技術設計流程如圖7所示，主要包括充填站設計、充填工作面設計、膏體充填料配比設計和充填子系統(tǒng)設計。

圖7 膏體充填技術設計流程

充填站是膏體制備場所，其選址時應兼顧充填原料運輸和井下膏體運輸。充填工作面設計包括充填區(qū)域選擇、充填能力與采充參數(shù)設計、工作制度與充填步距確定；膏體充填配料比設計包括充填原材料選擇、充填原材料性能分析、充填材料配比和輸送可靠性分析；充填子系統(tǒng)設計包括固廢供給系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、膏體配比攪拌系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、充填管路系統(tǒng)、充填專用控制閥系統(tǒng)、電氣集中控制系統(tǒng)設計等。

4)技術適用條件

膏體充填技術因其控制頂板效果良好，在“三下”壓煤充填開采中應用較多，噸矸充填成本為 50～70元。

3.3 漿體充填技術

1)發(fā)展簡況

漿體充填技術最早由蘇聯(lián)學者發(fā)明，并被稱為覆巖離層注漿減沉技術。20世紀80年代被范學理教授引進國內后先后在撫順、大屯、新汶、兗州、開灤、淮南礦區(qū)進行了工業(yè)應用，積累了一定的實踐經(jīng)驗[20-21]，但由于離層注漿不能對采動空間有實質性的介入，目前注漿效果存在爭議。近年來，中煤能源研究院在覆巖離層注漿、黃泥灌漿、礦漿管道輸送的基礎上進行優(yōu)化和集成創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)技術瓶頸，提出了漿體管道立體充填技術[22]。

2)技術原理

漿體管道立體充填技術的基本原理是將矸石等固體廢棄物破碎、研磨成微小顆粒，然后以水為載體，以管路為通道，以泵壓為動力，將固廢顆粒高效遷移至井下開采垮落后的殘余空間，利用“水—砂”混合物在開放空間的沉淀特性及采空區(qū)的過濾能力，使固廢顆粒滯留于井下廢棄空間，并根據(jù)需要將水從低位進行回收，以達到固廢的高效處理和水資源的分區(qū)調配及重復利用。漿體充填技術原理如圖8所示。

圖8 漿體充填技術原理示意圖

3)設計方法

漿體管道立體充填技術設計流程如圖9所示，主要包括地面制漿及泵送系統(tǒng)設計、長距離管道輸送系統(tǒng)設計和充填系統(tǒng)設計。

圖9 漿體充填技術設計流程

4)技術適用條件

漿體管道立體充填技術主要特征是實現(xiàn)了固廢流態(tài)化充填，充填與采煤作業(yè)相互平行、互不干擾，矸石充填能力可達1.0 Mt/a以上，噸矸充填成本為35～50元。適用于矸石量大、矸石運距長、固廢處理難的礦井，尤其適宜于綜放采煤工藝的礦井。

4 固廢多態(tài)化充填技術工程實踐

1)葫蘆素煤礦煤矸石固體充填項目

葫蘆素煤礦在已實施固體充填開采的礦井中，是投放井深度最大(600.8 m)、投放量(1.0 Mt/a)最大的礦井。針對該礦井，中煤能源研究院應用氣固兩相流理論對物料投放速度進行了深入的研究，得到了此種條件下投放井、投放管的關鍵參數(shù)，并研發(fā)了控制物料下落沖擊力的緩沖技術、控制物料下落速度的穩(wěn)壓技術。同時由于葫蘆素煤礦充填量較大，設計工作面推進速度較快，通過放矸工藝由單孔順序到成組聯(lián)動、工藝控制由人為干預到系統(tǒng)集控、固定方式由單機懸掛到平臺支撐3項工藝優(yōu)化實現(xiàn)了高效充填。

2)龍王溝煤礦矸石漿體充填項目

龍王溝煤礦主采的6號煤層平均厚度約為18.34 m，采用綜采放頂煤開采。礦井達產(chǎn)后年產(chǎn)矸石約 2.0 Mt。采用流態(tài)化漿體充填技術將矸石在地面制成漿體，利用管道輸送至采空區(qū)附近，通過高位注漿(約 120萬t/a)、鄰位注漿(約60萬t/a)和低位灌漿(約20萬t/a)工藝的匹配，做到采充平行作業(yè)，在不影響礦井正常生產(chǎn)的情況下，實現(xiàn)了煤礦矸石的流態(tài)化漿體零排放處置。

3)永樂煤礦固廢膏體充填項目

永樂煤礦采用短壁膏體充填方式進行保水采煤。膏體充填采煤首試工作面為CT3114工作面和CT3243工作面，工作面長度為100 m，工作面內平行于開切眼每26.4 m劃分為一組，每組分四輪開采并充填。膏體密度2 100 kg/m3，料漿質量分數(shù)70%，充填體28 d齡期單軸抗壓強度達到3 MPa，材料性能滿足彈性模量不低于100 MPa的要求。一個開采循環(huán)內煤柱極限狀態(tài)下位移為20.62 mm，最大垂直應力為8.84 MPa，煤柱穩(wěn)定性良好。開采過程中煤層頂板巖層沒有發(fā)生破斷，且涌水量沒有發(fā)生明顯的變化，工程應用效果良好。

5 結論

1)大宗固廢處理問題是實現(xiàn)西部生態(tài)脆弱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，在總結西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢綜合利用的基礎上，指出了現(xiàn)有固廢綜合利用方式存在的問題，并通過技術比較，指出在西部生態(tài)脆弱區(qū)實施多態(tài)化充填是解決固廢處理難題的有效途徑。

2)介紹了固廢多態(tài)化充填技術的內涵和技術體系，相應的工程實踐表明，西部生態(tài)脆弱區(qū)因地制宜采用固廢多態(tài)化充填技術可從源頭上保護生態(tài)環(huán)境，經(jīng)濟、社會效益顯著。

3)通過關鍵技術重點攻關、共性技術集成創(chuàng)新，研發(fā)形成了適用于淺埋深、厚煤層的漿體充填技術，該技術利用采動空間內矸石碎脹特性和固廢漿體流動特性，可實現(xiàn)采充平行、減壓減水、高效處理固廢，并在積極構建20%～25%矸石產(chǎn)率的礦井“一區(qū)一站、一面一機”的充填模式和裝備配套，為西部生態(tài)脆弱區(qū)千萬噸級礦井大排量固廢零排放探索出一條路徑。