煤矸石注漿綜合處置技術研究與應用

孫箐彬，亓夢茹

(中煤地生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京市豐臺區(qū)，100070)

煤炭作為世界主要能源之一，在煤炭開采和選煤過程中會產(chǎn)生大量的煤矸石等固體廢棄物，且該煤基固廢居于工業(yè)固廢之首[1-3]。目前，煤矸石的處置方式主要以堆積為主，該處置方式不僅占據(jù)了大量土地，同時也會對環(huán)境造成嚴重污染[4-6]。《中華人民共和國固體廢物污染防治法》(2020年新修訂)、《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法》《煤礦充填開采工作指導意見》等相關政策法規(guī)中明確指出，新建礦山不再設立永久矸石山，優(yōu)先用于井下充填[7-9]。相關研究顯示，煤矸石利用自身所含有機物提供燃料值，可進行一系列的綜合利用[10-12]，比如發(fā)電[13]、制作免燒磚[14]、水泥[15]等建筑材料、基建材料[16]以及礦區(qū)地下充填[17-18]。其中地下充填技術可充分利用地下空間，并有效實現(xiàn)煤矸石規(guī)模化處置[19-20]。

注漿充填技術作為地下充填的方式之一，具有成本低、不影響煤礦正常生產(chǎn)等優(yōu)點，該技術將煤矸石作為注漿材料，通過地面鉆孔注入到地下采動空間，將煤矸石從堆存轉(zhuǎn)為利用，使其無害化、資源化，變廢為寶，化害為利。基于此，筆者圍繞煤矸石高位覆巖離層注漿、采空區(qū)鄰位注漿、采空區(qū)原位灌漿三位一體綜合處置技術，明確該技術原理、使用手段及使用條件，并通過工程實踐證明，該技術可為礦區(qū)解決煤矸石處置提供借鑒。

1 煤矸石處置現(xiàn)狀

目前，我國煤矸石處置途徑主要分2類，一類是無害化處置，一類是綜合利用。無害化處置方式以地面回填(筑基填路、復墾造田等)和地下充填為主；綜合利用方式主要包括發(fā)電、生產(chǎn)建材、分級分質(zhì)利用(制作化工產(chǎn)品及生產(chǎn)肥料、聚合材物及復合材料、凈水材料)等。由于地面回填和綜合利用等處置方式處理量較小，無法匹配煤矸石的生產(chǎn)量，因此煤矸石規(guī)模化處理成為當前研究的熱門課題之一。晉陜蒙等地區(qū)作為我國煤炭資源的富集區(qū)，屬于重點開發(fā)區(qū)，隨著這些地區(qū)礦產(chǎn)資源的不斷開采，煤矸石產(chǎn)出數(shù)量也在不斷增加。為了保護和改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，防止固體廢物污染環(huán)境，國家及地方出臺了一系列的政策法規(guī)規(guī)范礦山治理，進一步推動煤基固廢處理，其中地下充填技術就是實現(xiàn)煤矸石規(guī)模化處置大力推廣的方式之一。

現(xiàn)階段煤矸石地下充填技術主要包括固體充填、膏體(似膏體)充填和注漿充填這3種方式。其中固體充填和膏體充填技術需要設備較多、初期投資大，而且在充填過程中設備還需要不斷外移、拆除、搭建等，煤矸石充填與煤礦生產(chǎn)還會相互干擾，不能同時進行，存在對煤礦生產(chǎn)影響大(煤炭產(chǎn)量低)等一系列問題，而且膏體充填方式需摻雜大量的添加劑，還會對環(huán)境產(chǎn)生一定影響，只適用于一些產(chǎn)能相對較小的礦井。而注漿充填技術成本較低且不含添加劑，對生產(chǎn)及環(huán)境影響較小。自2018年起，中煤地生態(tài)環(huán)境科技有限公司已在我國西北晉陜蒙地區(qū)成功實施了數(shù)十例注漿充填項目，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟、社會及環(huán)境效益。

2 煤矸石注漿綜合處置技術原理及適用條件

筆者提到的高位覆巖離層注漿、采空區(qū)鄰位注漿、采空區(qū)原位灌漿綜合處置技術均以煤矸石作為注漿原材料，但不僅限于煤矸石，也可將粉煤灰等煤基固廢作為注漿原材料進行漿液制備。在技術應用過程中，可結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件、工作面開采情況、開采方式等，確定一種或多種注漿充填技術，有針對性地解決礦區(qū)存在的難題。在工程實施過程中，由于煤矸石采出時的粒徑較大，因此在處置煤矸石前，需借助成套的破碎球磨設備，將煤矸石破碎球磨到一定粒徑，再與水按照一定比例混合，保證漿液密度在1～2 g/cm3之間，最后將煤矸石制成的漿液通過地面鉆孔經(jīng)管道注入到地下采動空間。

2.1 高位覆巖離層注漿技術

高位覆巖離層注漿技術的原理是通過施工探查孔，查明煤層開采后上覆巖層內(nèi)“兩帶”發(fā)育高度及離層發(fā)育規(guī)律和分布特征，基于巖層移動的覆巖采動關鍵層理論，利用煤層開采后覆巖開裂過程中形成的離層空間，從地表鉆孔將煤矸石制成的漿液注入到關鍵層以下的離層內(nèi)，形成“離層區(qū)充填體+關鍵層+煤柱”構(gòu)成的共同承載體。在處理煤矸石的同時，還可對地表形成有效支撐，減少地表沉降。高位覆巖離層注漿示意如圖1所示。

圖1 高位覆巖離層注漿示意

高位覆巖離層注漿的層位在目標關鍵層下方的離層區(qū)內(nèi)，位于導水裂縫帶之上，且兩者之間有一定的安全距離，需滿足以下幾點方可進行高位離層注漿。

(1)上覆巖層為互層結(jié)構(gòu)，且上下巖層巖性軟硬度相差大，存在關鍵層結(jié)構(gòu)。

(2)煤層埋深較深，上覆基巖較厚(若埋深較淺，上覆基巖較薄，則易發(fā)生跑漿、漏漿等事故)。

(3)地質(zhì)構(gòu)造簡單，無斷裂(斷層)或不與離層連通，地層傾角小。

高位覆巖離層注漿技術為“三下”壓覆煤層開采做出了重要貢獻，將漿液注入到離層空間中，向上對地層起到頂托作用，向下壓實煤層開采產(chǎn)生的垮落帶、裂縫帶，在實現(xiàn)煤矸石規(guī)模化處置的基礎上，有效控制采空區(qū)地面沉陷，保護了地面建(構(gòu))筑物。但是該技術實施對地質(zhì)條件要求較為苛刻，要求上下巖層軟硬度相差較大，否則將難以形成離層空間，導致無法實施離層注漿工程。

2.2 采空區(qū)鄰位注漿技術

采空區(qū)鄰位注漿技術的原理是在地面建設注漿系統(tǒng)，鉆場布置在回采工作面相鄰巷道內(nèi)，斜向上施工鉆孔，穿過隔離煤柱進入垮落帶進行鄰位注漿，采空區(qū)鄰位注漿示意如圖2所示。利用注漿泵將制好的漿液通過管線輸送至井下采空區(qū)注漿，控制注漿的擴散范圍，在不影響井下生產(chǎn)的前提下達到處置固廢的目的。

圖2 采空區(qū)鄰位注漿示意

鄰位注漿充填技術適用條件如下：

(1)需具有一定的冒落充填空間，滿足鄰位注漿充填需求；

(2)回采工作面頂板巖性及厚度需滿足要求，頂板冒落塌陷時間不能太快，否則不具備注漿時間；

(3)井下鉆探工程施工要求高，隔離煤柱需達到一定厚度。

鄰位注漿充填既可應用于正在回采的工作面實現(xiàn)隨采隨充，同時也可通過在大巷或停采線內(nèi)施工仰上鉆孔作為老空區(qū)漿體充填的技術手段，實現(xiàn)采后充填。但該技術鉆探工程主要在井下進行，鉆孔鉆進需經(jīng)過煤柱、巖層及采空區(qū)垮落空間3種介質(zhì)。鉆孔屬于仰上鉆孔，受地應力及重力因素的影響，常會出現(xiàn)塌孔等現(xiàn)象。為了提高鉆進效率不影響后續(xù)鄰位注漿充填作業(yè)，因此對鉆進工藝要求較高。

2.3 采空區(qū)原位灌漿技術

采空區(qū)原位灌漿技術的原理是在地面建設注漿系統(tǒng)，回采工作面兩側(cè)埋設注漿管道，利用注漿泵將制好的漿液輸送到井下工作面進行滯后注漿，并布設封堵墻控制漿液的擴散范圍，采空區(qū)原位灌漿示意如圖3所示。

圖3 采空區(qū)原位灌漿示意

采空區(qū)原位灌漿技術可以在不影響井下生產(chǎn)的前提下達到處置固廢的目的，主要包括隨采隨灌和采后封閉灌漿這2種方法。采空區(qū)原位灌漿技術的原理與礦井防滅火中黃泥灌漿的技術原理類似，常應用于礦井防滅火。該項技術的優(yōu)點在于技術成熟，不影響煤礦正常生產(chǎn)，但使用原位灌漿充填埋設管路的注漿量較小，不能保證達到設計煤矸石的處理量，無法實現(xiàn)核增產(chǎn)能部分煤矸石全部回填井下的目標。

3 注漿優(yōu)化管理模型

針對各個礦區(qū)所處地區(qū)地質(zhì)條件、開采現(xiàn)狀及開采方式的不同，適用的煤矸石規(guī)模化處置方式也有所不同，因此為找出適合的注漿充填方式，選擇最適宜的注漿技術，可根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)條件(含水層、隔水層、煤層埋深、開采方式、地層巖性)、矸石性能參數(shù)(粒徑大小、硬度、巖性、含水率)、注漿充填量(注漿空間計算)、充填成本(前期建設費用、后期運營費用、電費及其他相關費用)、項目建設規(guī)模(根據(jù)礦方矸石產(chǎn)量及回填量設計注漿系統(tǒng)能力)、地區(qū)政策(西北地區(qū)要求矸石不能外運，需進行井下回填)等一系列因素綜合分析、統(tǒng)籌規(guī)劃，確定相應的注漿方案。此外結(jié)合礦區(qū)實際情況，高位覆巖離層注漿、采空區(qū)鄰位注漿、采空區(qū)原位灌漿的不同注漿方案可相互組合并進一步優(yōu)化，構(gòu)成不同的漿體充填系統(tǒng)，構(gòu)建注漿優(yōu)化管理模型，最終可以得到礦區(qū)最優(yōu)的注漿系統(tǒng)方案，達到規(guī)模化、無害化處理煤矸石的目標。注漿優(yōu)化管理模型如圖4所示。

4 煤矸石井巷注漿充填典型工程案例

4.1 母杜柴登煤礦高位離層注漿工程

中煤西北能源有限公司母杜柴登煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，為防止主采煤層3工作面上方蓄水池、環(huán)形鐵路發(fā)生沉陷，該項目基于地下采動空間研究的基礎上，利用破碎機、制砂機將煤矸石破碎加工，使用球磨機將其磨成粉狀并制成漿液，通過高位離層注漿充填技術注入地下空間，達到了地面減沉效果，同時實現(xiàn)了對固廢物(煤矸石)的無害化處理。

該項目于2021年10月16日進行設備整體調(diào)試及聯(lián)合試運轉(zhuǎn)，2022年1月正式開始注漿，該系統(tǒng)具備處理100萬t/a煤矸石的條件，煤矸石小時處置量為152 t。截止目前，30202工作面減沉區(qū)域先期施工3個注漿孔，30201工作面北部先期施工1個鉆孔，進行覆巖離層注漿，以控制該地段沉降的繼續(xù)發(fā)生，施工過程中，矸石出料粒徑控制在0.3 mm以下，漿液密度控制在1.0～2.0 g/cm3。蓄水池保護煤柱及減沉區(qū)域位置示意如圖5所示。

圖5 蓄水池保護煤柱及減沉區(qū)域位置示意

此外，該礦煤矸石外運成本平均為34.78元/t，水處理站處理費用為14.24元/m3，根據(jù)近年來的市場行情走勢，矸石和礦井水的處理費用還將逐年增高。通過實施本項目，在處理煤矸石的基礎上可同時解決礦井水處置難題，綜合處理單價可節(jié)約15.22元/t，相比于目前礦井處置同量的矸石和礦井水費用可節(jié)約成本1 369.80萬元/a，同時可減免資源稅，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。

4.2 唐家會煤礦采空區(qū)鄰位注漿工程

鄂爾多斯市華興能源有限責任公司唐家會煤礦(以下簡稱“唐家會煤礦”)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗大路鎮(zhèn)，井田面積約28.57 km2，礦井生產(chǎn)能力為500萬t/a，自2018年核增至900萬t/a。目前煤矸石處置以外運為主，為積極響應國家及當?shù)丨h(huán)保政策，利用主采6號煤層采動空間實施鄰位注漿技術，建成處理能力100萬t/a的注漿系統(tǒng)，解決煤矸石處置問題。

該礦采用垮落帶井下注漿充填，煤矸石自地面矸石筒倉經(jīng)帶式輸送機轉(zhuǎn)運至地面注漿充填站，在注漿站內(nèi)將煤矸石磨粉制成漿體，進入攪拌系統(tǒng)充分攪拌后，利用注漿泵加壓泵入輸漿管道輸送至井下，通過施工鄰位注漿鉆孔注入地下冒落空間。煤矸石破碎制漿工藝流程如圖6所示。

圖6 煤矸石破碎制漿工藝流程

4.3 唐家會煤礦采空區(qū)原位灌漿工程

唐家會煤礦防滅火利用采空區(qū)原位灌漿技術，即通過在回采工作面兩側(cè)埋設注漿管道，利用注漿泵將制好的漿液輸送到井下工作面滯后注漿，同時也是目前國內(nèi)煤礦最常采用的防滅火技術。此外該技術可與采空區(qū)鄰位注漿結(jié)合應用于礦井，將煤矸石漿液替代黃泥滅火，同樣可以起到井下防滅火的效果，同時還可以規(guī)模化、無害化處理煤矸石。該采空區(qū)原位灌漿技術相對于高位離層注漿及采空區(qū)鄰位注漿處理矸石量較小，但同樣可以解決處理矸石和礦井水的難題，節(jié)約原處置費用共計約800萬元/a，經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié)論

(1)筆者分析了傳統(tǒng)煤矸石處置方法的適用性和局限性，提出了煤矸石高位覆巖離層注漿、采空區(qū)鄰位注漿、采空區(qū)原位灌漿綜合處置技術。

(2)闡述了3種注漿技術的原理、實施手段及適用條件，并針對某一礦區(qū)選擇最優(yōu)的注漿技術，構(gòu)建了注漿綜合處置優(yōu)化管理模型。

(3)注漿綜合處置技術是煤基固廢處置技術發(fā)展的新方向，中煤地生態(tài)環(huán)境科技有限公司在西北富煤地區(qū)開展注漿充填項目的成功實踐證明，注漿綜合處置技術既可以滿足煤基固廢規(guī)模化、無害化處理需求，還可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟、環(huán)境及社會效益，為礦區(qū)解決煤基固廢處置難題提供有效示范。