煤礦環(huán)境治理技術新進展及應用

朱開成,杜金龍,霍 超,牟兆剛,晏 嘉,趙 明,趙 岳

(中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039)

0 前言

長期以來，由于煤炭資源的無序開采引起的環(huán)境問題日益凸顯惡化，主要為環(huán)境污染、資源破壞和地質災害三大類[1-2]。環(huán)境污染主要表現為煤層、煤矸石等地質體中有害物質的遷移擴散，造成煤礦周圍空氣、水質、土壤污染及煤礦生產活動產生的噪聲污染等問題[3-4]。資源破壞主要表現為煤層自燃、巖層移動等導致的煤炭資源損毀、水土流失，采動巖移、礦井抽排水導致的煤礦區(qū)地表水缺失、地下水位下降等問題。地質災害主要表現為矸石山滑坡、地表塌陷等地表地質災害與冒頂、片幫、突水等井下地質災害[5]。

國外礦業(yè)發(fā)達國家的煤礦環(huán)境治理技術較先進，多集中在三廢治理和土地復墾方面。而我國煤礦環(huán)境治理技術起步較晚，通過科研工作者的不懈努力，形成了煤礦環(huán)境治理關鍵技術和治理模式。

煤礦環(huán)境治理主要包括采煤沉陷治理、煤矸石治理、礦井水污染治理、土地復墾、生態(tài)修復、礦山環(huán)境監(jiān)測預警等。中國煤炭地質總局目前致力于采煤沉陷治理，并以新型覆巖離層區(qū)注漿技術為核心，形成了產學研用一體化的采煤沉陷區(qū)綜合治理技術體系。

1 采煤沉陷治理技術

采煤活動引起上覆巖層移動，形成地面沉降和地裂縫，破壞耕地與村莊，浪費土地資源，同時影響煤礦的可持續(xù)開發(fā)。通過工程治理、生態(tài)恢復技術進行地上治理，地下充填開采進行治理，從而修復生態(tài)環(huán)境，為煤礦的綠色開采開創(chuàng)出一條途徑[6-8]。

1)工程治理技術。根據治理對象的不同，采用邊坡整治、地面整形、土壤修復、防排水工程、景觀及監(jiān)測工程進行綜合治理，為下一步深層次的開發(fā)做好準備。

2)生態(tài)恢復技術。根據復墾土地的自然環(huán)境條件，在生態(tài)適宜性分析的基礎上進行開發(fā)改造，使其具有生態(tài)經濟價值，建成有利于當地環(huán)境和經濟發(fā)展的人工生態(tài)系統[9-10]。生態(tài)恢復技術包括物理性修復、化學改良法、植被修復、動物修復、微生物修復等技術。

3)特殊采煤技術。目前主要有條帶開采法、井下充填法與離層注漿充填法。

①條帶開采法。解放我國“三下”壓煤中曾發(fā)揮極為重要作用，但采出率低、生產效率低、巷道掘進率高，目前已逐漸趨于淘汰[11-12]。

②井下充填法。包括矸石、膏體和高水充填，近年受到關注，但采煤與充填相互干擾嚴重、生產效率低、成本高，煤礦企業(yè)難以承受。

③離層注漿法。成本低、回采率與效率高、適合高產能特點，受到青睞[13-15]。

2 新型離層注漿技術

離層注漿充填技術由范學理1985年引進，1986年7月-1987年9月在撫順老虎臺礦進行試驗；后張玉卓、郭惟嘉在山東省兗州東灘礦、濟寧二號井、新汶華豐礦，袁亮在淮南李一礦，高延法在開灤唐山礦，大同徐莊礦等進行了大量試驗(表1)。

根據各礦區(qū)試驗結果來看，傳統的離層注漿方法在不充分開采時減沉效果較為理想，若達到充分采動時，充填效果較好時減沉率可達到30%～50%，但常不能滿足建筑物下采煤的減沉要求，需要不斷改進[16-18]。新型離層注漿技術在此基礎上進行改進，從成本、效率、回采率等方面均有明顯的改善。

2.1 技術原理

采煤工作面從開切眼開始推進到一定距離后，覆巖開始出現移動。由于巖性的差異及豎向移動不一致，在軟、硬巖層交界處會出現離層(圖1)。隨著煤層開采覆巖離層空隙逐漸發(fā)育擴展。圖2模擬工作面開采長度達98m時，硬、軟地層界面處產生離層裂隙，工作面長度達285m時，離層發(fā)育達到最高，高度為1.21m(采高為2m)，離層裂隙長度為220 m左右[19]。

治理機理：離層注漿方法是在第一時間(離層剛形成時)注入高壓漿體，提前干預因采空而產生的上覆巖層運動，有效阻止和切斷主關鍵層以上地層運動，人為形成主關鍵層下部至煤層底板充填壓實區(qū)(柱)，形成“隔離煤柱-主關鍵層-充填壓實區(qū)”穩(wěn)定受力結構，形成新的空間守恒，有效控制地表塌陷或者使地表變形在可接受范圍之內，從而在不搬遷建筑物前提下釋放壓覆的煤炭資源(圖3)。

該技術經典案例是華豐礦一采區(qū)。開采水平-750m(深920m)，開采4煤，厚6.4m，上覆新近或古近系巨厚礫巖(500～650m)，整體性好、強度大，底部50m紅色砂泥巖(紅層)和20m雜色泥巖。隨著工作面推采，采區(qū)上方覆巖發(fā)生斷裂與彎曲，彎曲帶內沿層面(巨厚礫巖與軟弱紅層間)產生離層空隙，并不斷發(fā)展，高度最大2.1m，寬度最大230m。

表1 傳統離層注漿技術運用實例

圖1 采前、采后鉆孔超聲成像 圖2 傾斜斷面模擬離層 Figure 1 Borehole ultrasonic images before and after coal mining Figure 2 Inclined section simulated abscission layer

圖3 離層注漿技術概念模型Figure 3 Abscission layer grouting conceptual model

2.2 關鍵環(huán)節(jié)

離層注漿成功與否，在于如下關鍵環(huán)節(jié)的把控：1)注漿層位選擇；2) 注漿工作面設計及注漿孔位布置，包括注漿充填工作面采寬設計方法、隔離煤柱寬度設計方法、注漿孔位布置方法；3)注漿時機掌握； 4)注漿材料選??； 5)注漿壓力控制；6) 注漿設備及工藝選用。

2.3 技術特點

1)從空間置換角度，變平面置換(采區(qū))為立體置換(覆巖)，減少或消除平面置換帶來的工序相互干擾。實現充填開采史上真正意義的連續(xù)開采，首次實現三下采煤的大產能、低成本高產高效模式。同時，由于只需在地面建立注漿站，進行孔內注漿，所以具有投資小、系統工藝簡單等優(yōu)勢。

2)從空間守恒角度，變過去離層空間的被動灌入(填入)為帶壓注入。通過主動擠壓與地層運動共同作用，水灰快速分離，實現離層空間最大壓填，最大程度壓縮因采煤形成的失穩(wěn)空間，最大限度實現地表減沉。離層注漿自身泌水性，增加了斷面上充填率，避免了平面充填充填率不理想問題。傳統垮落法采煤導致主關鍵層迅速破斷、地面急速下沉，水平與傾斜變形劇烈，而高壓注漿下沉是在主關鍵層不斷裂條件下的緩慢微量下沉，因此破壞極小。

3)從空間轉換角度，變平面整體填埋為主體承壓平臺下柱式(楞式)結構。利用結構轉換的力學原理，實現有效承載的柱式平臺結構，實現類似上有高度建筑的地下停車場的承載結構，以有效柱式充填代替整體填實，有效減少充填量，實現充填成本的成倍減少。

2.4 技術優(yōu)勢及效益

新型離層注漿技術與其他充填技術及傳統離層注漿技術相比，優(yōu)勢明顯，是一種有效控制地表塌陷的新方法(表2、表3)。

表2 新型離層注漿技術與其他充填技術對比

表3 新型離層注漿技術與傳統離層注漿技術對比

新型離層注漿技術解決了工作面開采順序一般采用跳采的方式，以及由此帶來的礦壓控制問題，可實現順序開采，同時延長煤礦生產年限，緩解了礦山關閉所帶來的環(huán)境與社會問題。此外，新型離層注漿技術可解決煤礦建筑物壓煤問題，使生產成本控制在50～55元/t，與村莊搬遷(120元/t)及采空區(qū)充填相比，經濟效益明顯。

通過對新型離層注漿技術的研究與實踐，形成了厚煤層覆巖離層注漿控制采空塌陷技術體系，完善和發(fā)展了采空塌陷控制理論與技術。

3 新型離層注漿技術運用實例

目前已將新型離層注漿技術用于山西省潞安集團夏店煤礦，在3116、3117工作面開展試驗。其中3116工作面試驗區(qū)位于工作面X2陷落柱和開拓大巷之間，沿走向長290m、寬210m，煤厚6.2m，傾角約10°，采用放頂煤采煤法開采；3117工作面試驗區(qū)位于工作面西風井保護煤柱以北，沿走向長265m，寬180m，采用放頂煤采煤法開采(圖4)。

3.1 注漿層位

利用附近鉆孔(JJ-1)柱狀圖，根據地層巖性、厚度、巖石力學參數(表4)，根據關鍵層判別方法判斷關鍵層的層位。采用固支梁、板理論，計算關鍵層破斷距。

圖4 潞安集團夏店煤礦工作區(qū)示意Figure 4 A schematic diagram of working area in Xiadian coalmine, Lu’an Group

表4 JJ-1鉆孔關鍵層信息

充分采動下，控制主關鍵層不發(fā)生破斷，是地表不發(fā)生沉降的關鍵。一般情況下在主關鍵層下進行注漿(圖5)。而對于一側采動情形(3117面)，為防止?jié){體滲漏，還需提前在亞關鍵層下進行離層注漿。

圖5 離層注漿位置示意Figure 5 A schematic diagram of abscission layer grouting location

同時，為避免連通裂隙，注漿層位應在裂隙帶以上，并留設5倍采高保護帶。夏店煤礦煤層采高6.2m，據實測結果，裂采比22，計算得到導水裂隙帶高度136.4m，加上保護帶31m，注漿層位應距煤層167m以上。

3116工作面采動覆巖離層區(qū)注漿的層位在主關鍵層下離層區(qū)(圖5)，在導水裂隙帶之上，距煤層182.65m。

3117工作面初始注漿層位在亞關鍵層1， 距煤層164.89m；后續(xù)注漿孔的注漿層位在主關鍵層下離層區(qū)，距煤層182.65m。

3.2 工作面設計

進行注漿的工作面不同于普通開采工作面，為防止主關鍵層破斷，要進行特別設計。

1)工作面寬度。工作面寬度(W)采用下式計算：

W≤Lk+2Hk/tanθ

式中：Lk—主關鍵層破斷距；

Hk—距煤層高度；

θ—上覆巖層斷裂角。

計算得到采寬W應小于191.3m(圖6)。

2)隔離煤柱寬度。按極限強度理論與巖層移動理論計算隔離煤柱寬度，取二者中較大值。

①極限強度理論。隔離煤柱寬度b=有效隔離煤柱寬度b1+煤柱塑性區(qū)寬度b2(圖7)

計算得到b1≥40.4m，b2=10.7m，確定隔離煤柱寬度b≥ 51.1m。

②巖移理論。夏店煤礦上山巖層移動角為74°，下山移動角為72°，計算隔離煤柱寬度

式中：h—注漿層位距煤層高度 ；

β—下山移動角，72° 。

圖6 工作面寬度計算示意Figure 6 A schematic diagram of working face width computation

圖7 采動覆巖隔離注漿充填開采的等效條帶開采模型Figure 7 Equivalent partial extraction model for mining overburden isolated grouting filling extraction

計算得隔離煤柱寬度b≥59.35m。

綜合兩種理論，確定注漿充填3116工作面隔離煤柱60m。

3.3 鉆孔布置

鉆孔布置遵循以下原則：

1)注漿孔應位于主關鍵層下方最大離層位置，故3116面初次注漿孔距切眼距離小于191.3÷2=95.65m。

2)相鄰注漿孔距離根據漿液的擴散半徑確定，小于224m。

3)注漿孔傾向上位于離層最大下沉位置，在中心線靠近下山方向。

4)首個鉆孔與建筑物距離大于開采波及范圍(圖8)，經計算為L≥175m。

圖8 首孔距建筑距離示意Figure 8 A schematic diagram of first grouting borehole apart from buildings

5)3117工作面初次注漿孔注3(亞關鍵層注漿)距離注4(首個主關鍵層注漿孔)盡量近，其余孔位布設同3116面(表5，圖9)。

3.4 注漿時機

1)注漿開始時機。3116工作面根據鉆孔水體漏失量判斷初次注漿時機，當鉆孔水體漏失量突然增大， 即進行初次注漿。 3117工作面初次充填的時機應在主關鍵層下方第1個亞關鍵層下開始產生斷裂時進行注漿，即當鉆孔位于工作面超前支承壓力峰值區(qū)時開始實施注漿。

表5 注漿孔信息

2)注漿結束時機。當注漿量達到預估注漿量，或者注漿壓力超過正常壓力的1.2倍，停止注漿。

3.5 注漿壓力

孔口注漿壓力為：

p孔=p注-H1γ1≥p地-H1γ1=H1(γ-γ1)

帶入數據計算得注漿孔孔口壓力在3.4～6 MPa。

3.6 注漿材料及注入量

注漿充填材料選擇電廠粉煤灰，漿體水灰比1.3～2.0，粉煤灰細度見表6。

表6 注漿材料粉煤灰性質

按注采比0.4計算，3116、3117工作面村莊下可采壓煤95萬t，估算注入粉煤灰28萬m3(為壓實體積)。

3.7 注漿效果監(jiān)測與預測

3.7.1 地表移動觀測

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(安監(jiān)總煤裝〔2017〕81號)確定。

圖9 注漿孔布置Figure 9 Grouting boreholes layout

3116面傾向觀測線取工作面中心位置，距離切眼143m；長度805m，由于3112采空，確定為560m；走向觀測線距中心線偏下山方向77m，長度540m。

3117面傾向觀測線距離切眼143m，長度805m；走向觀測線距離中心線偏下山方向77m，長度540m。

觀測點距為控制點間距50m，一般觀測點20m。

3.7.2 注漿效果鉆孔檢測

布設1個檢測鉆孔，位于3116工作面注2孔附近，深度247m。根據地表移動觀測，在地表下沉基本結束后開始施工，取心檢測注漿灰層位置。

3.7.3 注漿效果模擬預測

對效果進行模擬并對照，下沉量明顯降低，水平移動、水平變形、傾斜度等均有明顯改善，具體參數比較見表7。由此可見，新型離層注漿技術對于采煤沉陷區(qū)的治理，效果非常顯著。表7中可見，預測的地表建筑物損壞程度控制在Ⅰ級范圍內。

表7 注漿前后地表變形預測情況對比

4 結論

1)煤礦環(huán)境治理方法多樣，通過工程治理、生態(tài)恢復技術可進行地上治理，而地下治理主要通過充填開采進行。地下充填方法中，離層注漿法具有成本低、回采率與效率高、適合高產能的特點，受到廣泛關注與青睞，為煤礦的綠色開采開創(chuàng)出一條途徑。

2)新型離層注漿技術與其他充填技術及傳統離層注漿技術相比，優(yōu)勢明顯，是一種有效控制地表塌陷的新方法。新型離層注漿技術可有效解決煤礦建筑物壓煤問題，實現順序開采，同時延長了煤礦生產年限，緩解了礦山關閉所帶來的環(huán)境問題。

3)新型離層注漿技術與村莊搬遷及采空區(qū)充填相比，具有明顯的成本優(yōu)勢，取得了良好的經濟效益。

4)在山西省潞安集團夏店煤礦3116、3117工作面開展新型離層注漿技術試驗中,對效果進行模擬。結果顯示：下沉量明顯降低，水平移動、水平變形、傾斜度等均有明顯改善。由此可見，新型離層注漿技術對于采煤沉陷區(qū)的治理，效果非常顯著。