煤礦井下注漿充填技術*

姚衛平,馬 云,宋 博,許照剛,唐 輝,石英斌

(陜西中環機械有限責任公司,陜西 銅川 727031)

0 引言

2020年4月29日,第十三屆全國人民代表大會常務委員會第十七次會議修訂通過《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》,法規中明確指出:產廢單位對工業固廢全程負責,對部分違法行為實行雙罰制,明確生產者責任延伸制度,實施最嚴格最嚴密法律責任[1]。

2021年3月18日,國家發改委等十部委聯合印發《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》中提出,在煤炭行業推廣“煤矸石井下充填+地面回填”,促進矸石減量;在礦山行業建立“梯級回收+生態修復+封存保護”體系,推動綠色礦山建設[2-3]。

全國歷年累計堆放的煤矸石約55億t,規模較大的矸石山有1 600多座,已占用土地約1.5萬ha,而且堆積量每年仍以1.5～2.0億t的速度增加。隨著社會環保意識的增強,礦區開發過程的環境標準和相關要求日趨嚴格,矸石外排及形成的矸石山給礦區綠色發展帶來的不可忽視的負面影響,環境污染等負面效應越來越難以被接受,甚至影響到煤礦的生存。現代化礦井的綠色可持續開采模式日益排斥這種傳統的矸石處理方式,消除矸石的危害及矸石綜合利用成為煤炭企業亟待解決的問題,也是煤炭綠色開采的重要技術攻關方向。

1 工程背景

黃陵二號煤礦位于陜西省黃陵縣境內,行政區劃屬黃陵縣雙龍鎮管轄。井田南北長約31.5 km,東西寬8～17 km,井田面積337.866 7 km2,地質資源儲量970.22 Mt。礦井設計生產能力8.0 Mt/a,實際生產能力可達10.0 Mt/a。目前黃陵二號煤礦矸石來源主要包括2部分:①洗煤廠洗選的矸石;②井下掘進矸石。地面洗選矸石產矸地點為主場地的選煤廠;井下掘進矸石目前通過風井提升至風井場地,然后經車輛運輸至排矸場進行排放,但隨著排矸場地容量的不斷減少,以及國家環保政策的不斷收緊,新批排矸場地的可能基本不存在。因此,黃陵二號煤礦將面臨矸石無處可排的困境。

為解決礦井面臨的矸石排放難題,消滅部分地面矸石山,緩解或解決矸石山污染土地、廢氣排放等問題,同時,響應國家綠色開采理念,樹立地區示范效應,在煤礦開采中發展充填技術成為一種趨勢,利用井下或地面的矸石、砂、碎石等物料充填采空區,以達到控制巖層運動及地表沉陷的目的。陜西中環機械有限責任公司(以下簡稱“中環公司”)致力于創建煤矸分選及就地充填一體化生產模式,針對不同礦井、不同能力、不同采掘特征,提供安全、高效的系列化生產解決方案。

2 關鍵性技術

2.1 井下注漿充填技術

井下注漿充填技術工藝是將智能干選與矸石充填技術有機相結合,研究煤礦井下注漿充填技術,分析井下注漿充填技術系統能力相互匹配關系,優化井下注漿充填技術設備及流程工藝,建立煤礦井下注漿充填技術體系和生產模式,最終形成井下注漿充填技術工藝,為從源頭上解決“三下”壓煤、煤礦固體廢棄物排放和煤炭開采地面沉陷三大問題提供一種開采新模式[4-5]。

2.1.1 空間三維模型

為了探索采場殘余空間的分布特征,實現精準充填,基于采礦基礎理論,建立采場覆巖空間三維模型,揭示煤層開采后采場覆巖空間三向分布規律(垂向、傾向、走向),為充填位置選擇、工藝制定及參數計算提供理論支撐。

2.1.2 模擬實驗

針對不同礦區,首先進行煤矸的分選試驗,驗證分選精度;再對矸石進行破碎處理,依據不同配比、不同流量、不同管徑、不同管道布置方式、不同停泵時間下的管道壓力損失,開展充填模擬試驗,對充填物的擴散規律和充填效果進行系統研究;解決分選與充填過程中的揚塵、防爆及管路堵塞和磨損等問題[6-7]。

2.1.3 介入理論

根據漿體輸送管路敷設方式的不同,可將漿體充填分為高位注漿、鄰位注漿和低位灌漿[8-10]。其中高位注漿是通過地面向采空區冒落帶施工垂直注漿鉆孔;鄰位注漿一般要求工作面布置3條回采巷道,從工作面輔助運輸巷向正在回采的工作面采空區施工傾斜注漿鉆孔,或者利用正在回采的工作面回風平巷向臨近工作面的已有采空區施工傾斜注漿鉆孔;低位灌漿是通過預先在工作面回風平巷中敷設的管路向采空區注漿。如圖1所示。

圖1 漿體充填介入理論Fig.1 Theory of slurry filling intervention

根據矸石充填模式的不同,主要分為固體充填、膏體充填與漿體充填;目前國內外對于料漿輸送阻力特性研究集中在膏體管道輸送阻力模型研究和環管試驗研究[11],在黃陵項目中,中環公司采用漿體充填的方式來處置矸石,3種充填方式主要有以下方面特點。

固體充填:主要是用機械方法落煤和裝煤、輸送機運煤、液壓支架支護的采煤方法,同時用機械方法把固體充填材料充填到采空區的方法的綜合。該方法的特點是機械化程度高,運營成本低;但是投資大,工藝復雜,效率低,處理能力30～50萬t/a[12]。

膏體充填:將煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、爐渣、劣質土、城市固體垃圾等加工成一定級配的骨料,并按一定比例與膠結材料、水混合成為無臨界流速、不需脫水的膏狀漿液(膏體),在外加力(充填泵泵壓)及膏體自身重力作用下通過管道輸送到井下,實時充填采空區的采礦方法。膏體充填方法的特點是機械化充填,勞動強度小;但投資大,成本高,處理能力30～40萬t/a[13]。

漿體充填:將煤炭生產和利用過程中所產生的的矸石、粉煤灰等固體廢棄物經破碎、研磨后制成漿體,通過長距離漿體管道輸送技術輸送至采空區附近再利用注漿手段將其充填與煤礦開采覆巖垮落后的殘余空間中,從而達到處理固體廢棄物的目的。漿體充填特點是矸石處理量大,效率高,可實現采充并行低干擾作業;但無法控制巖層移動,處理能力50～100萬t/a。

2.2 矸石充填技術

針對黃陵礦區矸石量大、礦井水大等問題,在采空區黃泥灌漿防滅火和管道輸送技術研究的基礎上,創新性地提出矸石漿體管道充填技術,該技術的主要內涵是將矸石破碎、研磨成微小顆粒,然后以水為載體,以管路為通道,以泵為動力,將固廢顆粒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以及采空區的過濾能力,使得固廢顆粒滯留于井下廢棄空間,并根據需要將水在特定時間從低位回收,以達到對矸石的處理和對水資源分區調配和重復利用。其技術構想如圖2所示[14]。

圖2 漿體管道充填技術示意Fig.2 Schematic diagram of slurry pipeline filling technology

通過井下矸石倉上口繞道附近設置的破碎系統進行三級破碎,將煤矸石破碎成粉末,按照設定比例將煤矸石粉末配制成特定濃度的漿體,利用柱塞充填泵將煤矸石漿體泵送至充填地點。

2.2.1 制漿站布置及矸石緩存位置

利用矸石倉東北側的矸石倉上倉無軌膠輪車斜巷作為矸石堆放點,井下產生矸石即可利用無軌膠輪車運輸至矸石堆放點進行緩存,該矸石倉上倉無軌膠輪車斜巷可利用緩存長度共300 m,有效緩存容量600 m3,可緩存矸石約1 000 t,大于充填系統日充填量600 t。矸石堆存期間應保證巷道一側留有2.3 m以上的行車道,便于鏟車及無軌膠輪車通過,保證在系統檢修期間掘進矸石可通過原有的大傾角皮帶運輸至地面。充填工作面位于二盤區211工作面,制漿站位置位于二號風井。

井底矸石倉上倉無軌膠輪車斜巷。矸石緩存位置及制漿站位置如圖3所示。

圖3 制漿站及矸石緩存位置Fig.3 Location of pulping station and gangue buffer

2.2.2 管路布置及充填位置

由于211工作面已開采完畢,因此試注漿將注漿位置選在211工作面膠運巷道,制漿設備及泵站安裝在矸石倉上口繞道,在制漿站位置配制好規定濃度漿液后,漿液通過管道輸送至充填注漿位置,漿液輸送選用D127×14 mm無縫鋼管,輸漿管道鋪設路線為:矸石倉上口繞道→北一一號輔運大巷→17號聯絡巷→北一一號回風大巷→211膠運巷道密閉墻。管路總長2.2 km,沿線共布置5個壓力傳感器,分別位于巷道里程沿走向10 m、100 m、300 m、700 m、1 200 m處,用于監測沖洗管路及注漿過程中管路壓力的變化。

2.2.3 總體方案

煤矸石漿體管道充填技術主要包括矸石破碎系統、制漿泵送系統和注漿充填系統3大核心,矸石破碎系統主要是將煤矸石破碎成特定粒徑的成品矸石粉末后;制漿泵送系統主要是將成品矸石粉末加水制成一定濃度且均勻的煤矸石漿體并將煤矸石漿體輸送至注漿充填系統;注漿充填系統主要是采用一定的技術方法將煤矸石漿體充填至采空區。整個工藝流程為:通過井下矸石倉上口繞道附近設置的破碎系統進行三級破碎,將煤矸石破碎至3 mm以下粉末,按照設定比例將煤矸石粉末配制成特定濃度的漿體,制漿硐室破碎機主泵運輸巷工作面回風巷煤柱輔助運輸巷采空區利用柱塞充填泵將煤矸石漿體泵送至充填地點。

3 項目概況

3.1 項目進展

2021年制定黃陵二號煤礦項目井下注漿充填方案,完成黃陵項目初步設計。2022年年初開展井下漿體充填系統的工業性試驗,分別對每次注漿的過程進行描述并分析存在的問題,對試注漿過程中矸石粉粒徑分布和漿液濃度進行實驗室測試。通過對系統整體問題和試注漿相關數據的總結,可以發現系統各設備在正常工作的前提下,可以實現矸石順利充填,從而驗證漿體充填技術的可行性。

2022年10月至2022年12月該項目已完成系統安裝與調試工作并對工作面廢棄巷道進行注漿作業,實現起底矸不升井,減少矸石地面排放,改善礦區生態環境,取得良好的效果,并得到用戶的充分肯定,樹立地區示范效應。整理綜合績效評價材料,做好項目驗收準備。

3.2 實驗過程

3.2.1 矸石破碎效果

為得到矸石破碎效果及粒徑分布,將矸石料樣品分為篩上及篩下分別對其粒徑分布進行測試,篩上和篩下料各設計2組分級篩分實驗,測試采用震動分級篩,篩上料篩網直徑分別為:>10 mm、5～10 mm、3～5 mm、<3 mm。篩下料篩網直徑分別為:1 250～3 000 μm、630～1 250 μm、315～630 μm、160～315 μm、 75～160 μm、<75 μm。按照指定粒徑篩分后的矸石粉末形態如圖4所示。

圖4 矸石粉末篩分Fig.4 Gangue powder screening

將各粒徑篩分矸石料稱重并記錄,篩上和篩下矸石粉粒度占比見表1。

表1 矸石粉粒度占比測試Table 1 Proportion test of gangue powder particle size

3.2.2 漿液樣品測試

在試注漿過程中,觀察攪拌機出口漿液濃度較適宜時開始取樣,共取得漿液樣品共3瓶,樣品如圖5所示。將每瓶樣品分為1組,采用自然晾干法測試漿液濃度,共得到3組漿液濃度及平均濃度測試結果,見表2[15]。

表2 漿液濃度測試Table 2 Slurry concentration test

圖5 漿液取樣Fig.5 Slurry Sampling

由表2可以看出,3組實驗漿液濃度分別為71.75%、73.20%、73.38%,平均濃度為72.77%,對比設計濃度(75%,誤差±3%)可知現場試注漿過程中,待漿液配比穩定時,濃度可達設計標準。

3.2.3 試驗結果

現場試注漿共進行9次,其中4次注漿成功,5次注漿失敗,導致注漿失敗或系統運行中斷的主要原因為通過式破碎機和鼠籠式破碎機適應性差、故障率高;每次試注漿過程中,系統幾乎都存在粉塵和噪音過大、給料不連續、沖洗管路不充分、漿液濃度配比過稀等問題,通過對矸石粉粒徑和漿液濃度樣品測試,得到破碎矸石級配分布,在配漿穩定的前提下漿液濃度可以達到設計標準。

4 結論

(1)首次采用井下鄰位注漿充填方式來進行充填作業,當系統進行充填作業時,其充填與工作面采煤工序相對獨立,不存在相互干擾,可實現充填處理矸石的同時達到不影響煤礦正常生產的效果。

(2)漿體、膏體和固體充填相比,漿體充填材料運輸工藝簡單,有利于提高系統可靠性,減少管道堵塞現象,漿體充填的處理能力、處理效率以及處理成本可以滿足現代化大型礦井的矸石處理需求。

(3)為礦區生態環境保護、煤炭資源綠色開采和綠色礦山建設提供一個全面、可行的辦法,對落實能源方針政策、引領煤炭行業綠色革命、加強礦業領域生態文明建設具有重要的環保意義及現實意義。