陜北地區煤矸石處理方案對比研究*
——以小保當煤礦為例

張麗維,張廷會,高 博,付德亮,賀 丹

(1.西安科技大學 地質與環境學院,陜西 西安 710054;2.陜西省煤田地質集團有限公司 自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西 西安 710021;3.陜西天地地質有限公司,陜西 西安 710054)

0 引言

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中排出的固體廢棄物,約占煤炭產量的10%～20%,是我國排放量最大的工業廢棄物之一[1]。據不完全統計,目前我國矸石累計堆放量超過70億t,形成矸石山1 500～1 700座,占地20余萬畝,且以5～8億t/a的排放量逐年增加[2]。煤矸石的長期堆存不僅污染大氣、土壤、地下水等自然環境,破壞生態平衡,還可能引發矸石山自燃、滑坡、崩塌等災害,危害人們的生命、安全和健康[3]。近年來,隨著國家對環境保護力度的加大,國家、行業陸續出臺多項環保類政策,大體量煤矸石處理迫在眉睫。尤其是生態脆弱的陜北2022年一年的原煤產量5.8億t,煤矸石產量近1億t。為此,以陜北榆神礦區小保當煤礦為例,根據目前已有的煤矸石綜合利用和處理方法,分析對比各處理方法的特點、處理效率和適用條件等,提出適合該區域的矸石高效規模化處理技術,以期為陜北煤矸石的處理提供依據與方向。

1 研究區概況

小保當煤礦位于榆神礦區三期規劃區東北部,是新建的特大型現代化礦井。小保當一號煤礦生產能力為1 500萬t/a。首采11盤區2-2煤層,11盤區位于礦井中部偏西南處,長度為6 367 m,寬度為3 055 m,呈長方形狀,面積18.636 7 km2。目前已完成11盤區112201、112202、112207工作面回采,接續工作面為112208工作面,如圖1所示。煤礦地層總體為一走向NNE,傾向NWW,傾角不足1°的單斜構造。地質構造簡單,亦無巖漿活動,對礦井開采影響不大。

圖1 采掘工程平面示意Fig.1 Plane diagram of excavation engineering

2 煤矸石情況

2.1 煤矸石產出量

據調研,該煤礦自2018年8月試生產共產生煤矸石475萬t,出矸率為10%～15%。按照年產能1 500萬t/a計算,預計煤矸石年排放量為200萬t左右。隨著煤礦產能進一步加大,煤矸石產出會越來越多。

2.2 煤矸石成分分析

煤矸石的成分組成是評價矸石特性、決定矸石利用途徑的重要依據[4]。為了合理有效的利用和處理煤矸石,我們對該礦的煤矸石進行了采樣、分析,檢測結果見表1、表2。其灰分74.51%～81.64%,平均值78.10%,高灰;發熱量3.57～6.46 MJ/kg,平均4.5 MJ/kg,低熱量;全硫0.16%～0.3%,平均0.2%,低硫。煤矸石主要化學成分是Al2O3、SiO2,可作為化工原料生產相應的化工產品。另外還含有數量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素,微量元素品位較低。

表1 煤矸石成分檢測成果統計Table 1 Statistics of coal gangue composition testing results

表2 煤矸石的化學組成 Table 2 Chemical composition of coal gangue

表3 煤矸石綜合處理方案對比Table 3 Comparison of coal gangue comprehensive treatment plans

3 煤矸石綜合利用方向探析

3.1 綜合利用方向探析

目前我國煤矸石綜合利用主要集中在煤矸石發電、提取礦產資源、生產化工原料、鋪路及生產建筑材料等方面[5]。根據該礦煤矸石情況,我們對現有處理路徑進行一一探析,試圖找出適合該礦大量矸石處理方案。

3.1.1 發電

小保當煤礦矸石發熱量平均為4.5 MJ/kg。而《煤矸石綜合利用管理辦法》中對關于煤矸石發電項目的煤矸石收到低位發熱量不低于5.02 MJ/kg的要求,不滿足且利用價值及經濟價值不高。

3.1.2 提取礦產資源

微量元素鍺、鎵、鈾和釩均未達到工業礦床最低品位所要求的20 μg/g、30 μg/g、300 μg/g和1 000 μg/g[6]。雖然極個別煤層頂、底板巖石中鎵含量達到工業礦床最低工業品位30×10-6要求,但因分布地段區域范圍很小,厚度有限,因此很難利用。

3.1.3 化工業應用

煤矸石中SiO2和Al2O3成分較高,可開發研制的化學產品主要為鋁鹽系列化學品和硅鹽系列化學品。但是要求嚴格,所用矸石Al2O3含量必須達20%以上[7],其工藝復雜,產量低,產生廢料后需二次處理,且處理量少,無法消納大量的矸石。

3.1.4 鋪路

只適用于煤礦附近的道路建設,否則運輸成本太高。另外煤礦附近都是運輸煤炭的大卡車,矸石鋪路強度不夠,也不能實現集中化、規模化處理。

3.1.5 建筑材料生產

作為建筑材料生產得配套建設一個制磚廠,并且磚廠實際用矸石的量并不大,因此該技術投資大、處理量小。且榆林地區沒有區域優勢,生產建材、化工業和土地復墾等需求較少,煤矸石運輸費用高,建材的銷售半徑有限,榆林本地無法完全消化,亦無相關政策支持。

綜上所述,采用傳統的煤矸石綜合處理和利用技術不能從根本上消納大量煤矸石。結合小保當一號煤礦地區特點,煤矸石最徹底最有效的處置方式是井下充填。該方式處理效率高,可實現就地集中規模化處理,這也是國家倡導的綠色開采方式之一。并且分析研究表明,畢銀麗、陳結平等[8-9]通過煤矸石的浸溶試驗,發現煤矸石的浸溶液pH 呈酸性利于有害微量元素析出,而小保當一號煤礦煤矸石在原礦水中浸泡后,pH均大于7,顯堿性,故不利于大部分有害微量元素的析出。高崎等[10]對陜北某礦煤矸石的重金屬含量進行分析,重點研究了煤矸石在浸泡、淋溶條件下的重金屬釋放規律。結果表明,煤矸石的潛在生態風險輕微,其重金屬釋放濃度滿足煤炭工業廢水有毒物排放限值的日最高允許排放質量濃度,對于環境的風險較小。并且該礦煤矸石全硫含量低,井下填充對地下水影響小,可以進行井下充填。

3.2 井下充填技術方案對比分析

煤矸石井下充填不僅消除了矸石山對生態環境的污染,且有效遏制了地表沉陷,保護了地表和地下水資源,減少了井下采空區涌水等事故發生可能性,可實現以最小的生態擾動獲取煤炭資源,促進煤炭開采和生態環境協調、共融發展[11-15]。國家也相繼出臺了多個政策,鼓勵和引導礦山充填采礦技術的發展與應用。

目前煤矸石井下充填主要有固體充填、膠體充填、覆巖離層注漿等技術[16-17],見表4。小保當煤礦要求年處理煤矸石200萬t/a以上,不涉及地表建(構)筑物保護,對控制地表沉陷要求不高,主要目的是消納煤矸石。固體充填、膠體充填成本過高,影響生產,且處理能力小,其中膠體充填采煤技術矸石處理能力為40萬～60萬t/a,綜合機械化固體充填采煤技術最高處理能力只能達到150 t/a[18],不能滿足該礦矸石處理量。且小保當煤礦是千萬噸級的大型礦井,在不影響生產的前提下,工作面隨采隨充的工藝基本無法實現,建議采用注漿充填。注漿充填可對采空區、覆巖離層區進行充填[19-21]。小保當煤礦埋深淺,離層空間小,不適用離層注漿充填。所以在不影響生產且能消納大量煤矸石的前提下采用采空區注漿充填。

表4 煤矸石井下充填技術對比Table 4 Comparison of coal gangue underground filling technology

4 井下充填的適宜性分析

4.1 地面條件

首采盤區11盤區被第四系風積沙所覆蓋,以風蝕風積沙漠丘陵地貌為主,局部地段見有新近系紅土出露。采空區上方地表無建(構)筑物,地面開闊平整,便于為后期鉆孔施工、廠房建設、設備安裝等提供場地條件。

4.2 地質條件

根據鉆孔揭露及地質填圖資料,區內地層由老至新依次為:三疊系上統永坪組(T3y),侏羅系下統富縣組(J1f),侏羅系中統延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a),新近系上新統保德組(N2b),第四系上更新統薩拉烏蘇組(Q3s)和第四系全新統風積沙(Q4)。含煤地層為延安組,煤層上覆巖層全部以砂巖、泥巖互層,主要由泥質膠結、少量鈣質膠結,如圖2所示。

圖2 小保當煤礦11盤區地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column chart of formation in the Xiaobaodang Coal Mine 11 mining area

4.3 水文地質條件

2-2煤層平均開采厚度為5.8 m,導水裂隙帶發育高度為85.54～156.0 m,裂采比為26.21～27.38;冒落帶高度為16.45～40.3 m,冒采比為3.67～8.46;頂界與正常基巖面間距為45.86～127.85 m,均未穿透風化基巖,則風化基巖含水層不受影響。

矸石充填采用鉆孔注漿,鉆孔鉆至完整基巖下10 m后,下入套管護壁,并用水泥砂漿固管護壁防止塌孔,同時起到保護薩拉烏蘇組含水層的作用,保證合理的生態水位,減少對地表生態的影響,亦不會影響相鄰生產工作面的生產安全。井下空間充填后,產生的支撐承載體還可以有效的控制上覆厚硬巖層突然破斷產生的能量釋放,同時,充填封堵層間裂隙和導水裂隙,會減少裂隙水。

4.4 地下空間分析

煤層回采后會形成采空區。采空區是由垮落帶松散堆積破碎石體和空隙或孔隙組成,殘留的空洞就是注漿的主要對象體。破碎巖體的空隙率可以由破碎狀態下巖塊間的孔隙體積與總體積之比來表示,而其碎脹系數為巖體破碎后的體積與破碎前的體積之比。

根據破碎巖體空隙率和碎脹系數的定義可知,兩者之間存在如下關系

(1)

式中,Kp為破碎巖石的碎脹系數;φ為破碎巖石的空隙率。

根據采區巖石力學條件,2-2煤層上部以砂巖為主,屬堅硬、較堅硬地層,碎脹系數取1.25,根據空隙率計算公式,φ=0.20。

采空區注漿技術利用冒落帶巖石的碎脹性,通過地表鉆孔,對采空區垮落矸石空隙注入漿體。主要確定采空區注漿空間及鉆孔布置。

冒落區可注入漿體計算公式為

V=φ(blh)

(2)

式中,b為工作面寬度,m;l為工作面長度,m;h為采高,m。

小保當一號煤礦截止目前共形成3個采空區,分別為112201、112202、112207工作面。經計算可知,小保當煤礦現有注漿體積476萬m3,按充填率60%,煤矸石密度2.0 t/m3計算,保守估計可容納矸石700萬t左右。首選對最新回采完成的112207工作面進行充填,可容納268萬t煤矸石,即可滿足矸石的最大年排放量,見表5。

表5 采空區注漿體積估算Table 5 Estimation of grouting volume in goaf

4.5 鉆孔布置

通過對小保當一號煤礦的地面條件、地質條件、水文條件、地下空間等因素進行適宜性評價,表明采空區注漿充填方案是可行的。即在地面選擇合適的場地建設破碎車間和注漿車間,將矸石破碎后加水攪拌制成漿液,通過管道泵送到已開采完成的采空區上方,利用地表鉆孔注入采空區冒落帶內。如圖3所示在112207工作面距離邊部煤柱75 m處布置兩排間距100 m的鉆孔,布置鉆孔40個。112207工作面剩余空間224萬m3,注漿200萬t左右,預計單孔可充填矸石約5萬t,最終實現大規模矸石消納處理。

圖3 鉆孔注漿示意Fig.3 Drilling grouting diagram

5 結論

(1)采用傳統的矸石綜合處理和利用技術存在分散不集中、需求量不足、處理量少、工藝復雜等限制而不能從根本上消納大量煤矸石。結合小保當一號煤礦地區特點,煤矸石最徹底最有效的處置方式是井下充填,以減少煤矸石地面堆積對水資源、大氣和土壤等的污染,解決礦井固廢處理難題。

(2)綜合對比分析井下充填各種方案,并結合小保當一號煤礦的地面條件、地質條件、水文條件、地下空間等因素進行適宜性評價,選擇采空區注漿充填方案是可行的。

(3)陜北煤產量大,煤矸石堆積嚴重,此技術的示范研究,能夠消納大量煤矸石固廢,減緩地表沉陷,對改善礦區生態與居民生活環境,解決經濟發展與生態建設之間的矛盾以及“綠色礦山”建設具有重要意義,對陜北乃至全國其他大型煤礦有良好的借鑒作用。