煤礦固體廢棄物流態(tài)化漿體充填技術(shù)

古文哲，朱 磊，劉治成，宋天奇，潘 浩，張新福，秋豐岐，趙萌燁，黃劍斌

（1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

0 引 言

煤炭作為我國最主要的化石能源，是工業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要動力［1］。 盡管近年來各種新能源消耗比重逐漸增長，但由于我國資源賦存特征，短期內(nèi)仍不能改變對煤炭依賴的現(xiàn)狀［2］。 煤炭資源大規(guī)模生產(chǎn)和利用會產(chǎn)生大量的煤矸石、粉煤灰、爐渣等固體廢棄物，產(chǎn)量8 億～10 億t／a。 目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的煤礦固體廢棄物處理技術(shù)主要包括綜合利用和充填開采等，由于這些技術(shù)存在技術(shù)適應(yīng)性較低、處理能力有限、處理成本較高以及政策引導(dǎo)不足等方面原因，導(dǎo)致其沒有得到大規(guī)模推廣。 對眾多礦山企業(yè)而言，其固廢的處理仍主要依靠地面排放，這種粗放型處理方式不僅占用大量土地資源，還污染空氣、土壤及地表潛水，嚴(yán)重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，威脅了礦區(qū)居民的身體健康［3］，同時與“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明建設(shè)理念背道而馳。

近年來，國家對環(huán)保要求逐步嚴(yán)格。 黨的“十九大”報告強(qiáng)調(diào)：“要像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境”、“實(shí)行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度”，傳遞出國家對治理生態(tài)環(huán)境的堅(jiān)定決心。 國內(nèi)許多學(xué)者先后強(qiáng)調(diào)未來采礦工業(yè)的發(fā)展需要與生態(tài)環(huán)境保護(hù)高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 文獻(xiàn)［4-6］在對煤炭科學(xué)開采的論述中指出，煤炭的安全高效開采與環(huán)境的協(xié)調(diào)以及煤炭的清潔高效利用是煤炭行業(yè)面臨的2 項(xiàng)根本任務(wù)，認(rèn)為科學(xué)開采需做到資源利用最大化，實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)和利用的無廢排放，并從人與自然相處的本質(zhì)出發(fā)說明在獲取和使用自然資源的過程中，善待環(huán)境就是善待人類自己；文獻(xiàn)［7-8］在綠色開采技術(shù)框架中構(gòu)建了矸石減排技術(shù)體系，提出采用減少矸石來源、鼓勵井下處理、加強(qiáng)綜合利用等技術(shù)措施來降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)變廢為寶；謝和平等［9-10］在煤炭革命新理念和煤炭科技發(fā)展構(gòu)想中提出了近零生態(tài)損害的科學(xué)開采和近零排放的清潔低碳利用戰(zhàn)略藍(lán)圖，強(qiáng)調(diào)要實(shí)現(xiàn)開發(fā)、利用和轉(zhuǎn)化污染物的近零排放，推動煤炭由“黑”變“綠”，實(shí)現(xiàn)污染物及伴生資源最大限度的資源化利用；王國法等［11］指出應(yīng)用信息技術(shù)、智能制造技術(shù)和人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤炭安全綠色高效開采和清潔高效利用是智慧礦山建設(shè)的基本任務(wù)和必經(jīng)之路；申斌學(xué)等［12］提出了新時代背景下的綠色礦山建設(shè)體系，明確了綠色礦山的建設(shè)需要實(shí)現(xiàn)礦井全生命周期的零水排放、零矸排放、零污排放等多個零排放目標(biāo)。 綜上所述，隨著新時代生態(tài)文明發(fā)展理念的不斷深入，礦山企業(yè)固體廢棄物的合理、合法處置已成為各界關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

目前，國內(nèi)尚沒有學(xué)者對煤礦固體廢棄物流態(tài)化漿體充填技術(shù)展開系統(tǒng)性研究，但在相關(guān)領(lǐng)域，如采空區(qū)治理、灌漿防滅火、離層注漿等方面已有針對性研究，并取得了研究成果。 王金莊等［13］對煤礦覆巖離層注漿減緩地表沉降機(jī)理進(jìn)行了深入研究，總結(jié)了離層空間的動態(tài)變化規(guī)律，為注漿效果控制提供了有力支撐；許家林等［14］在離層注漿技術(shù)的基礎(chǔ)上提出對采空區(qū)局部或離層區(qū)與冒落區(qū)進(jìn)行充填以控制覆巖破壞的部分充填采煤技術(shù)；題正義等［15］通過數(shù)值模擬分析了采空區(qū)注漿防滅火過程中漿體擴(kuò)散的影響因素和擴(kuò)散規(guī)律；文獻(xiàn)［16-17］ 對傳統(tǒng)的注漿防滅火工藝進(jìn)行優(yōu)化，分別提出采空區(qū)預(yù)埋高位套管注漿技術(shù)和井下高低位聯(lián)合定向注漿技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的不足，并獲得了較好現(xiàn)場應(yīng)用效果；陳凱等［18］在大同采煤沉陷區(qū)光伏示范基地建設(shè)工程中提出利用注漿充填的方法治理采空區(qū)，以確保地面構(gòu)筑物的安全，并取得了較好的實(shí)踐效果。但以上技術(shù)研究成果均相對獨(dú)立，處理且并非以矸石等固體廢棄物為目的，因此筆者通過整合以上技術(shù)，結(jié)合地下水庫儲水機(jī)理提出了工藝適應(yīng)性較強(qiáng)的三位一體、四維協(xié)同漿體充填技術(shù)，并集成金屬礦山長距離漿體管道輸送技術(shù)，完善了流態(tài)化漿體充填技術(shù)體系。 流態(tài)化漿體充填技術(shù)體系的提出旨在安全、綠色、高效地處理煤炭開采和利用過程中所產(chǎn)生的固體廢棄物，為我國礦山企業(yè)提供全新的固廢處理方法，豐富我國煤炭行業(yè)固體廢棄物處理技術(shù)體系，為實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開采，清潔利用和零廢排放奠定基礎(chǔ)。

1 煤礦固廢處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與瓶頸

1.1 煤礦固廢處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

針對煤炭開采和利用過程中產(chǎn)生的矸石、粉煤灰等固體廢棄物，國內(nèi)傳統(tǒng)的處理技術(shù)包括資源化綜合利用和充填開采等技術(shù)。

1）資源化綜合利用技術(shù)。 根據(jù)利用方法不同劃分為3 類［19］：①直接利用型，將屬于Ⅰ類一般固廢的煤矸石回填于開采沉陷區(qū)后進(jìn)行復(fù)墾，或?qū)⑵溆糜诠仿坊㈣F路基床；②加工提質(zhì)型，將符合水泥制作標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰加工后，制成水泥；③綜合利用型，將發(fā)熱量高的煤矸石進(jìn)行燃燒發(fā)電，并將燃燒后形成的鍋爐灰渣制磚制陶。

2）充填開采技術(shù)。 充填開采是綠色開采技術(shù)［20］，是為解決“三下”壓煤，對村莊下、水體下和鐵路下煤炭資源的開采方式［21-23］。 隨著技術(shù)水平、裝備水平及管理水平的不斷提升，該技術(shù)的采煤能力和充填能力都有了較大突破，在解決“三下”壓煤的同時，也可以規(guī)?；幚眄肥裙腆w廢棄物。 充填開采技術(shù)對固廢需求量較大，目前已發(fā)展成為行業(yè)處理固廢的最主要方式之一。

充填開采技術(shù)種類繁多，按作業(yè)方法不同可劃分為工作面充填開采和巷式充填開采；按充填物料特征的不同可劃分為固體充填采煤、膏體充填采煤和高水材料充填采煤，其中高水材料充填采煤以專用高水材料作為充填物料進(jìn)行充填開采，無法解決固體廢棄物排放，故不列入討論范圍。 不同作業(yè)方法與不同的物料特征組合形成工作面固體充填采煤（又稱“刮板輸送機(jī)卸矸充填”）、工作面膏體充填采煤、巷式固體充填采煤和巷式膏體膠結(jié)充填采煤等4 種充填采煤工藝。 目前，這些技術(shù)已在邢東、花園等許多礦井成功應(yīng)用。 固體充填采煤主要以煤矸石作為充填物料將其充填于工作面采空區(qū)或廢棄巷道中，以達(dá)到降低和減緩覆巖垮落的目的。 膏體充填采煤通常以矸石和尾砂作為骨料，以粉煤灰等灰料作為輔料、以水泥作為膠結(jié)劑，按照特定比例加水配置成具有一定承載能力的膏體進(jìn)行充填，以達(dá)到控制地面破壞的目的。 從處理固體廢棄物的角度來講，同等條件下，固體充填采煤技術(shù)處理固廢的能力大于膏體充填采煤。 目前，國內(nèi)已有的工作面固體充填采煤項(xiàng)目最大處理能力約0.5 Mt／a，在建的葫蘆素煤礦矸石井下充填項(xiàng)目設(shè)計(jì)充填能力為1.0 Mt／a。

此外，許家林［25］在離層注漿的基礎(chǔ)上提出了部分充填采煤技術(shù)，通過對采空區(qū)局部、離層區(qū)或冒落區(qū)進(jìn)行充填，依靠充填體與采場垮落的巖體形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以達(dá)到控制地面沉陷的目的。 目前該技術(shù)在門克慶煤礦等得到了成功的應(yīng)用。 從現(xiàn)場應(yīng)用效果看，該技術(shù)可很好地控制地表變形，且減少了充填量，降低了充填成本，但處理固廢能力相對有限。

1.2 煤礦固廢處理技術(shù)瓶頸

目前，資源化綜合利用技術(shù)和充填開采技術(shù)并沒有得到廣泛應(yīng)用和推廣的主要原因如下。

1）適應(yīng)性較低。 以工作面固體充填采煤技術(shù)為例，該技術(shù)是目前規(guī)?；幚砉虖U能力最大的方式之一，但其對煤層賦存條件、工作面布置及采煤工藝等要求嚴(yán)格。 基于目前的技術(shù)水平和裝備水平，該技術(shù)的理想開采煤層厚度為2.0 ～4.5 m；在仰采條件下使用情況較好，而在俯采情況下容易出現(xiàn)回矸等問題；較適用于綜采，而在綜放條件下無法實(shí)施。 資源化綜合利用技術(shù)是延伸產(chǎn)業(yè)鏈、變廢為寶的綠色技術(shù)，但該技術(shù)存在明顯的地域差異性。 以粉煤灰為例，在我國東南地區(qū)粉煤灰是生產(chǎn)水泥的主要原料，具有較高的市場價值，但在我國北方煤炭主產(chǎn)區(qū)，其市場需求相對較小，運(yùn)輸成本遠(yuǎn)高于市場價值，所以無法作為有價值的固廢進(jìn)行綜合性利用加以推擴(kuò)。

2）處理能力有限。 充填開采技術(shù)通常需要多項(xiàng)工藝進(jìn)行配合，特別是“充填”與“采煤”之間存在一定匹配關(guān)系，導(dǎo)致其能力相互制約。 目前，國內(nèi)已有的充填采煤項(xiàng)目最大處理能力僅為0.7 Mt／a。 資源化綜合利用技術(shù)由于市場需求較小，其處理能力也相對有限。

3）處理成本較高。 以筆者參與設(shè)計(jì)的葫蘆素煤礦和小回溝煤礦等數(shù)個充填項(xiàng)目為例，井下新增1 套充填采煤工作面投資為1.5 億～2.5 億元，建設(shè)工期為1～3 a，噸矸處理成本為30 ～80 元。 對礦山企業(yè)而言，項(xiàng)目建設(shè)投資大、成本高、工期長，在政策支持力度不足的背景下，實(shí)施以處理固廢為目的充填開采阻力較大。

4）影響礦井正常生產(chǎn)接續(xù)。 工作面充填采煤的基本原理是通過在井下布置1 個充填采煤工作面，同時配備充填采煤專用液壓支架等成套設(shè)備，在工作面開采的同時對其后方的采空區(qū)進(jìn)行充填。 然而《煤礦安全規(guī)程》（2016 版）以及各省相關(guān)規(guī)定對井下工作面的數(shù)量以及采區(qū)工作面的布置有嚴(yán)格要求；且井下增加1 個充填采煤工作面，井下人員數(shù)量、設(shè)備配備等均會發(fā)生變化，礦井原通風(fēng)、運(yùn)輸、供電等系統(tǒng)均需調(diào)整。 因此，傳統(tǒng)的充填技術(shù)對礦井的正常生產(chǎn)、接續(xù)計(jì)劃以及各系統(tǒng)影響較大。 對“三下”壓覆嚴(yán)重、生產(chǎn)能力較低的老礦井而言，該技術(shù)具有一定的應(yīng)用前景，但對于資源賦存條件優(yōu)越的現(xiàn)代化大型礦井，推廣該技術(shù)難度較大。

2 流態(tài)化漿體充填技術(shù)

2.1 流態(tài)化漿體充填技術(shù)的目標(biāo)與要求

隨著我國煤炭行業(yè)產(chǎn)能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，落后產(chǎn)能逐漸被淘汰，現(xiàn)代化高產(chǎn)、高效大型礦井應(yīng)運(yùn)而生。 現(xiàn)代化大型礦井生產(chǎn)能力較大，其伴生物煤矸石等固廢產(chǎn)量也隨之增大，隨著國家及地方環(huán)保政策的逐步收緊，礦山企業(yè)對固廢處理能力和處理效率的要求也逐步提高。 傳統(tǒng)處理技術(shù)能力小、成本高、影響大、適應(yīng)性差等弊端逐漸凸顯，因此已不足以解決國內(nèi)礦山企業(yè)普遍面臨的固廢排放難題。 在此背景下，筆者對新型流態(tài)化漿體充填技術(shù)提出了以下具體要求。

1）工藝簡單、安全可靠。 流態(tài)化漿體充填技術(shù)的系統(tǒng)布置和工藝流程應(yīng)簡單、可靠，避免工藝復(fù)雜或布置不當(dāng)引起漿體堵管或淹沒工作面等安全事故。

2）系統(tǒng)獨(dú)立、目標(biāo)單一。 流態(tài)化漿體充填技術(shù)以處理固體廢棄物為目標(biāo)，其系統(tǒng)布置與井下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)相互獨(dú)立，避免影響礦井正常生產(chǎn)及接續(xù)計(jì)劃。

3）高能低耗。 流態(tài)化漿體充填技術(shù)的處理能力、處理效率及處理成本應(yīng)滿足現(xiàn)代化大型礦井的固廢處理需求。

4）實(shí)現(xiàn)自動化或智能化控制。 流態(tài)化漿體充填技術(shù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動化或智能化控制，降低勞動強(qiáng)度，減少作業(yè)人員數(shù)量，為固廢智能化處理奠定基礎(chǔ)。

2.2 流態(tài)化漿體充填技術(shù)構(gòu)思

流態(tài)化漿體充填技術(shù)的基本構(gòu)思是將煤炭生產(chǎn)和利用過程中所產(chǎn)生的煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物經(jīng)破碎、研磨后制成漿體，通過長距離漿體管道輸送技術(shù)輸送至采空區(qū)附近，再利用高位注漿、鄰位注漿或低位灌漿等技術(shù)手段將其充填于煤礦開采覆巖垮落后的殘余空間中，從而達(dá)到處理固體廢棄物的目的，如圖1 所示。

圖1 流態(tài)化漿體充填技術(shù)構(gòu)思Fig.1 Conception of fluidization slurry backfilling technology

流態(tài)化漿體充填技術(shù)的內(nèi)涵是將矸石等固體廢棄物破碎的研磨成微小顆粒，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以及采空區(qū)的過濾能力，使得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(jìn)行回收，以達(dá)到固廢的高效處理及水資源的分區(qū)調(diào)配和重復(fù)利用。 流態(tài)化漿體充填技術(shù)的主要系統(tǒng)布置于地面，系統(tǒng)相對簡單，工程建設(shè)量較小，系統(tǒng)可采用集成化遠(yuǎn)程控制，人員勞動強(qiáng)度低，井下僅需布設(shè)輸漿管道，且漿體處理與煤炭生產(chǎn)相互獨(dú)立，處理系統(tǒng)對礦井原有生產(chǎn)及接續(xù)影響較小。

3 流態(tài)化漿體充填關(guān)鍵技術(shù)組成

固體廢棄物流態(tài)化漿體充填技術(shù)是以關(guān)鍵技術(shù)原始創(chuàng)新和共性技術(shù)集成創(chuàng)新的模式，將多項(xiàng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，基于采動覆巖破碎區(qū)漿體介入理論建立的新型流態(tài)化充填技術(shù)體系，其核心技術(shù)包括以下6項(xiàng)：高效精準(zhǔn)制漿、智慧管道輸送、四維協(xié)同充填、采動覆巖鉆進(jìn)、全息遠(yuǎn)程控制和安全生產(chǎn)保障，其技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

3.1 高效精準(zhǔn)制漿技術(shù)

高效精準(zhǔn)制漿技術(shù)是固體廢棄物流態(tài)化漿體處理的基礎(chǔ)和前提，也是智慧管道輸送和四維協(xié)同充填的技術(shù)保障。 高效精準(zhǔn)制漿技術(shù)涵蓋漿體的高效制備及漿料粒級的精準(zhǔn)配比。 首先，漿體的制備是流態(tài)化漿體充填技術(shù)的主要成本來源之一，因此，直接關(guān)系流態(tài)化漿體充填技術(shù)的應(yīng)用前景。 漿體的高效制備需要結(jié)合固體廢棄物的基本物理力學(xué)特征，合理布置破碎及研磨系統(tǒng)，確保破碎比和研磨比最佳，以降低系統(tǒng)能耗。 其次，智慧管道輸送和四維協(xié)同充填對漿體的粒徑及濃度均要求較高。 四維協(xié)同充填系統(tǒng)根據(jù)灌注方式以及充填區(qū)域的不同對漿體的粒徑有不同的要求，智慧管道輸送系統(tǒng)則需要結(jié)合充填系統(tǒng)的要求確定輸送的核心參數(shù)，高效精準(zhǔn)制漿系統(tǒng)為精準(zhǔn)控制漿體的粒徑、濃度和級配提供重要保障。

圖2 流態(tài)化漿體充填技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Framework of fluidization slurry backfilling technology

3.2 智慧管道輸送技術(shù)

為提高固體廢棄物的輸送效率，降低其運(yùn)輸成本和負(fù)面影響，引進(jìn)金屬礦山長距離漿體管道輸送技術(shù)，并進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。 金屬礦山長距離漿體管道輸送的要求相對單一，僅需考慮管道輸送對漿體濃度、級配、流速等因素的要求，而流態(tài)化漿體充填技術(shù)中漿體輸送系統(tǒng)作為過渡環(huán)節(jié)，需要與制漿系統(tǒng)和充填系統(tǒng)相匹配，在長距離漿體管道輸送技術(shù)的基礎(chǔ)上需滿足分區(qū)控壓、分時穩(wěn)壓，濃度、級配與流速動態(tài)平衡。 具體而言，智慧管道輸送技術(shù)具有以下2 點(diǎn)功能：①可根據(jù)不同級配要求對濃度、流速進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，降低管道磨損及設(shè)備能耗；②可根據(jù)不同工藝的輸送壓力要求，實(shí)現(xiàn)多工況條件下分區(qū)控壓、分時穩(wěn)壓的智慧輸送。

3.3 四維協(xié)同充填技術(shù)

四維協(xié)同充填技術(shù)體系架構(gòu)如圖3 所示，包括高位注漿、鄰位注漿和低位灌漿。 高位注漿充填是利用高位注漿鉆孔或高位注漿巷向覆巖破壞區(qū)進(jìn)行注漿充填，主要適用于埋深較淺或地下殘余空間較大的采空區(qū)；鄰位注漿技術(shù)是利用采空區(qū)鄰近的巷道施工注漿鉆孔或直接向采空區(qū)進(jìn)行注漿，該工藝可隨回采工作面的推進(jìn)向相鄰采空區(qū)注漿，也可利用盤區(qū)巷道向老空區(qū)注漿充填；低位注漿技術(shù)類似于煤礦注漿防滅火，隨著工作面的推進(jìn)，利用工作面巷道布置注漿管路向工作面后方的采空區(qū)進(jìn)行注漿，適用于仰采工作面。

由于四維協(xié)同充填技術(shù)的充填形式多樣且式均有弊端。 因此，四維協(xié)同充填技術(shù)的核心是構(gòu)建基于不同條件的充填方式判別模型，依據(jù)礦井開拓開采情況和資源賦存特征，統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合協(xié)調(diào)各工藝在空間上的匹配關(guān)系或組合形式，以克服礦井涌水量大、俯斜開采、處理需求大等技術(shù)難題。 同時，在時間上需要與礦井的生產(chǎn)計(jì)劃相協(xié)調(diào)，避免漿體涌入工作面，在保證安全生產(chǎn)的前提下高效處理礦井所產(chǎn)生的固體廢棄物。

圖3 四維協(xié)同充填技術(shù)體系Fig.3 Framework offour dimensional collaborative backfilling technology

3.4 采動覆巖鉆進(jìn)技術(shù)

流態(tài)化漿體充填技術(shù)主要是利用高位注漿、鄰位注漿或低位灌漿等技術(shù)手段將固體廢棄物漿體充填于煤礦開采覆巖垮落后的殘余空間中，其中高位注漿技術(shù)和鄰位注漿技術(shù)均需以采動覆巖破碎區(qū)施工鉆孔作為注漿通道。 與傳統(tǒng)的鉆進(jìn)相比，在采動覆巖破碎區(qū)鉆孔施工難度較大，容易出現(xiàn)卡鉆、漏失嚴(yán)重等情況，特別是工作面推進(jìn)過后，上覆巖層尚未完全穩(wěn)定，會給鉆孔的施工帶來巨大的挑戰(zhàn)和安全隱患，且覆巖的移動和變形可能造成成型鉆孔的破壞。 因此，在覆巖破碎區(qū)進(jìn)行鉆孔施工以確保注漿鉆孔在覆巖運(yùn)移過程中的穩(wěn)定性是采動覆巖鉆進(jìn)技術(shù)的核心。 通過對采場覆巖破壞時效性的系統(tǒng)研究，結(jié)合已有工程案例，提出改變鉆進(jìn)循環(huán)介質(zhì)類型，在采場覆巖相對穩(wěn)定后進(jìn)行多級鉆進(jìn)，確保施工的安全性和鉆孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時采用高強(qiáng)脆性套管作為注漿管，確保注漿鉆孔的穩(wěn)定性。

3.5 全息遠(yuǎn)程控制技術(shù)

全息遠(yuǎn)程控制技術(shù)是通過建立采場覆巖破碎區(qū)流態(tài)化漿體處理全息控制平臺，采用專用傳感器群，實(shí)現(xiàn)對地面高效精準(zhǔn)制漿系統(tǒng)、智慧管道輸送系統(tǒng)及四維協(xié)同充填系統(tǒng)工作過程關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時采集、集中處理與監(jiān)管，如圖4 所示。

通過建立全息遠(yuǎn)程控制平臺，形成了智能化輸送、自動化充填的控制方案，構(gòu)建了集故障自診、風(fēng)險預(yù)警和一鍵啟停于一體的控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了流態(tài)化漿體處理全過程的遠(yuǎn)程控制，為智慧充填的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖4 全息遠(yuǎn)程控制技術(shù)架構(gòu)Fig.4 Framework of holographic remote control technology

3.6 安全生產(chǎn)保障技術(shù)

安全生產(chǎn)保障技術(shù)是流態(tài)化漿體充填技術(shù)的基礎(chǔ)保障。 煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，設(shè)備故障率較高，且地質(zhì)條件復(fù)雜，各種災(zāi)害頻發(fā)。 安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)需要針對流態(tài)化漿體處理系統(tǒng)實(shí)施過程的各個環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的安全、設(shè)備故障、系統(tǒng)不均衡等問題，形成集災(zāi)害防治、設(shè)備管理、物料精準(zhǔn)分流一體的保障體系，保證流態(tài)化漿體處理系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。

4 技術(shù)發(fā)展方向展望

4.1 井下智能分選與就地制漿充填

近年來，隨著干法選煤技術(shù)和裝備水平的不斷提高，其投資小、成本低等優(yōu)勢進(jìn)一步凸顯，特別是其分選過程無需水、無需介質(zhì)、無煤泥水處理環(huán)節(jié)等，使其具備井下廣泛推廣的基本條件和獨(dú)特優(yōu)勢。智能干法選煤技術(shù)的井下推廣將有效降低礦井無效運(yùn)輸和提升，提高礦井運(yùn)輸系統(tǒng)效率，增加礦井有效產(chǎn)能，市場前景良好。 但在現(xiàn)代化礦井高產(chǎn)、高效的背景下，如何高效地處理井下分選得到的矸石是制約干法選煤技術(shù)井下廣泛推廣的關(guān)鍵問題。 目前，張吉雄［24-26］結(jié)合井下選煤和充填采煤技術(shù)，提出了井下“采-選-充”高效一體化技術(shù)，既能發(fā)揮各單體技術(shù)的特點(diǎn)，又能相互協(xié)調(diào)，是解決井下干法選煤排矸的有效方式之一。 由上文分析知，充填開采技術(shù)需多項(xiàng)工藝組合，由于技術(shù)自身特征及目前技術(shù)水平和裝備水平的限制，其充填能力有限，且會對礦井生產(chǎn)和接續(xù)產(chǎn)生較大影響。 因此，亟需尋找大排量高效排矸技術(shù)與干法選煤技術(shù)相配合以實(shí)現(xiàn)廣泛推廣。

與傳統(tǒng)的充填開采相比，漿體流態(tài)化處理技術(shù)工藝簡單，其能力限制因素較少，漿體的制備和輸送能力可滿足現(xiàn)代化大型礦井的要求。 因此，將流態(tài)化漿體充填技術(shù)與井下智能分選技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建井下煤矸分選與就地制漿充填一體化技術(shù)，可有效降低礦井的無效提升，同時可利用井下廢棄空間高效解決煤炭開采過程中所產(chǎn)生的煤矸石。 該技術(shù)不受礦井采煤工藝、接續(xù)計(jì)劃等因素的影響，具有將強(qiáng)的適應(yīng)性和推廣價值，是未來發(fā)展的方向。

4.2 智能漿體充填技術(shù)

隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，礦山智能化已成為全球礦業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)和發(fā)展方向。 智慧礦山是實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，是礦山企業(yè)由勞動密集型升級為技術(shù)密集型，從簡單粗放型向精準(zhǔn)智能型的轉(zhuǎn)變，是數(shù)字礦山的升級發(fā)展［27］。 煤礦的智能化不是單一系統(tǒng)的智能化，而是采掘、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、供電、生產(chǎn)管理、安全保障、應(yīng)急救援等全過程的智能化［28-30］。 為實(shí)現(xiàn)煤礦的智能化，適應(yīng)煤炭工業(yè)的發(fā)展，固體廢棄物流態(tài)化處理技術(shù)的智能化升級是技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

礦山企業(yè)固體廢棄物流態(tài)化智能處理技術(shù)簡稱智能漿體充填技術(shù)。 流態(tài)化漿體充填技術(shù)已可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，且具故障自診、風(fēng)險預(yù)警和一鍵啟停功能，為實(shí)現(xiàn)智慧充填奠定了基礎(chǔ)，但注漿鉆孔的施工以及灌漿管道的切換主要依靠人工進(jìn)行，且系統(tǒng)需要工作人員24 小時值守，人工強(qiáng)度高，智能化程度較低。 為徹底實(shí)現(xiàn)智能充填，最大限度地提高系統(tǒng)固廢處理效率，減少系統(tǒng)人員配備，降低工作人員勞動強(qiáng)度，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗風(fēng)險能力，智能漿體充填技術(shù)需滿足以下要求：①智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可通過對固廢處理的全過程實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)系統(tǒng)中流量、壓力等數(shù)據(jù)對物料的調(diào)配、流速的控制以及注漿鉆孔的切換進(jìn)行智能控制；②故障自診和智能處理系統(tǒng)，系統(tǒng)可根據(jù)局部壓力增高等現(xiàn)象自行判斷故障原因，并作出針對性的自救處理措施，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行；③智能鉆進(jìn)機(jī)器人，智能機(jī)器人通過設(shè)計(jì)注漿鉆孔的位置和參數(shù)自動定位，判別圍巖特性選擇鉆進(jìn)設(shè)備和工藝，依據(jù)注漿接續(xù)計(jì)劃合理安排鉆進(jìn)順序，高效完成井下注漿鉆孔的施工作業(yè)，進(jìn)而取代井下人工鉆進(jìn)；④設(shè)備健康智能管理系統(tǒng)，對固廢處理系統(tǒng)的所有設(shè)施設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和智能管理，主要包括對健康指標(biāo)的監(jiān)測檢查、健康評價和健康恢復(fù)，預(yù)測設(shè)備的剩余壽命。

5 典型工程案例

5.1 龍王溝煤礦矸石漿體處理項(xiàng)目

龍王溝煤礦位于鄂爾多斯市，準(zhǔn)格爾煤田中北部。 設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.0 Mt／a，投產(chǎn)時采用“一井一面”的生產(chǎn)模式，主采6 號煤層平均厚度約18.34 m，采用綜采放頂煤開采。 由于煤層夾矸較多，礦井達(dá)產(chǎn)后年產(chǎn)矸石約2.0 Mt／a。 為貫徹落實(shí)新時代生態(tài)文明思想，推進(jìn)煤炭生產(chǎn)方式綠色化變革，促進(jìn)煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，在鄂爾多斯市政府的大力支持下，確定了龍王溝煤礦矸石回填項(xiàng)目。 項(xiàng)目采用流態(tài)化漿體充填技術(shù)將矸石在地面制漿，利用管道輸送至采空區(qū)附近，通過高位注漿和低位灌漿2 套工藝的匹配，在不影響礦井正常生產(chǎn)的情況下，實(shí)現(xiàn)煤礦矸石的流態(tài)化高效處置，如圖5 所示。

圖5 龍王溝煤礦矸石充填項(xiàng)目示意Fig.5 Schematic of longwanggou gangue backfilling project

項(xiàng)目地面設(shè)施位于龍王溝煤礦工業(yè)場地，占地面積約3 600 m2，管道敷設(shè)長度約8.0 km，總投資約1.2 億元，項(xiàng)目投產(chǎn)初期矸石處理能力可達(dá)1.2 Mt／a，初步估算，矸石處理成本約為50.1 元／t，折算至噸煤成本約為5.0 元／t。 項(xiàng)目充填能力有望首次突破1.0 Mt／a，成為國內(nèi)外矸石充填能力最大、充填效率最高的示范性工程項(xiàng)目。

5.2 國華錦界電廠灰渣處理項(xiàng)目

國華錦界電廠作為國內(nèi)最大的“煤電一體化”項(xiàng)目之一，是國家西部大開發(fā)的重要組成部分，屬國家級重點(diǎn)工程。 數(shù)據(jù)顯示，2016—2018 年錦界電廠產(chǎn)生灰渣約0.88 Mt／a，主要采用外銷和填埋的方式進(jìn)行處理，隨著電廠規(guī)模的不斷擴(kuò)大，三期、四期擴(kuò)建工程準(zhǔn)備工作的順利開展，預(yù)計(jì)2019—2021 年將共計(jì)產(chǎn)生固廢3.25 Mt，而榆林地區(qū)粉煤灰利用市場趨于飽和，且電廠灰渣排放庫也即將達(dá)到庫容，導(dǎo)致錦界電廠灰渣處理難題更加嚴(yán)峻。

為解決錦界電廠灰渣排放難題，項(xiàng)目提出利用流態(tài)化漿體充填技術(shù)將電廠灰渣就近回填于其配套的錦界煤礦。 項(xiàng)目通過在電廠工業(yè)場地灰渣庫附近布置制漿系統(tǒng)和泵送系統(tǒng)，將灰渣制成漿體后通過地埋管道輸送至錦界煤礦，利用副斜井和輔運(yùn)大巷鋪設(shè)輸漿管道將漿體運(yùn)輸至3 盤區(qū)31214 工作面回風(fēng)巷和31213 工作面回風(fēng)巷。 通過鄰近工作面巷道向冒落區(qū)施工注漿仰上鉆孔，注漿鉆孔終孔高度7 m，鉆孔長度26.3 m，水平面夾角為9°，垂直煤柱施工。 鉆孔孔徑?178 mm，全程下?150 mm 保護(hù)套管用于隔離采空區(qū)冒落矸石，下套管后鉆孔尾端進(jìn)行注水泥漿固管，注漿管末端3.0 m 處連接花管以增加出漿范圍。 按照步距40 m 進(jìn)行鄰位注漿充填，實(shí)現(xiàn)高效處理電廠灰渣。 項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理灰渣量約為0.85 Mt／a，充填成本32.06 元／t，與傳統(tǒng)處理方式相比，極大地降低了灰渣外排費(fèi)用，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 語

闡述了我國礦山企業(yè)普遍面臨的固體廢棄物排放難題以及國家政策和行業(yè)現(xiàn)狀，總結(jié)分析了傳統(tǒng)固廢處理技術(shù)的發(fā)展瓶頸，在此基礎(chǔ)上，通過集成跨界先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)適性技術(shù)，提升系統(tǒng)匹配技術(shù)，提出了煤礦固體廢棄物流態(tài)化漿體處理的技術(shù)構(gòu)思，并闡述了其技術(shù)內(nèi)涵和技術(shù)優(yōu)勢。 介紹了流態(tài)化漿體充填的6 項(xiàng)核心技術(shù)：智慧管道輸送、四維協(xié)同充填、高效精準(zhǔn)制漿、采動覆巖鉆進(jìn)、全息遠(yuǎn)程控制和安全生產(chǎn)保障，并提出了井下智能分選＋就地制漿充填和智能化漿體充填兩大技術(shù)發(fā)展方向。煤礦固體廢棄物流態(tài)化漿體充填技術(shù)成功在龍王溝煤礦和錦界電廠進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了矸石處理能力1.2 Mt／a，處理成本50.1 元／t，灰渣處理能力0.85 Mt／a，處理成本32.06 元／t，大幅降低了固體廢棄物外排費(fèi)用，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為我國礦山企業(yè)提供了全新的固廢處理方法。