覆巖離層注漿充填現(xiàn)狀與展望

韓 磊

(山西焦煤 山煤國(guó)際能源集團(tuán)股份有限公司， 山西 太原 030006)

長(zhǎng)期以來(lái)的能源格局決定了煤炭還將在很長(zhǎng)一段時(shí)間作為我國(guó)的主體能源。在保障國(guó)家能源安全的同時(shí)，大規(guī)模的煤炭開(kāi)采造成了數(shù)量眾多的塌陷區(qū)和環(huán)境損傷破壞。隨著“四位一體”向“五位一體”的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，煤炭開(kāi)采需要兼顧環(huán)境生態(tài)效益，在提高煤炭回采率的同時(shí)需要控制地表下沉、處置固體廢棄物及保證采場(chǎng)安全綠色高效開(kāi)采。近年，充填開(kāi)采技術(shù)作為解決上述問(wèn)題的有效技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了大力推廣和發(fā)展，已經(jīng)逐漸成為礦山綠色開(kāi)采的重要部分。充填方法按照充填材料不同主要分為固體充填、膏體充填、高水充填，在這些充填方法中，覆巖離層注漿充填實(shí)質(zhì)上是一種膏體充填方法，以其技術(shù)工藝和原理可操作性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高、地表減沉效果明顯、釋放地表構(gòu)筑物壓煤、對(duì)井下生產(chǎn)干擾小、注漿和開(kāi)采互相不影響等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在我國(guó)多個(gè)礦井沉陷控制及解決壓煤?jiǎn)栴}中取得了顯著的效益[1-2]，并在近年得到了廣泛推廣應(yīng)用。毫無(wú)疑問(wèn)，在礦井全生命周期中，覆巖離層注漿技術(shù)貫穿于開(kāi)采前的地表減沉綠色設(shè)計(jì)、開(kāi)采時(shí)的采充協(xié)同和開(kāi)采后的治理預(yù)防，是協(xié)調(diào)礦井開(kāi)采擾動(dòng)與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的低成本、可持續(xù)、新型綠色開(kāi)采技術(shù)。

1 覆巖離層注漿充填現(xiàn)狀

1.1 覆巖離層注漿充填技術(shù)發(fā)展概況

注漿充填技術(shù)最早作為一種處理煤礦井下開(kāi)采過(guò)程中鉆孔穿過(guò)含水層時(shí)可能出現(xiàn)的突水問(wèn)題的技術(shù)在國(guó)外最先被采用[3-4]. 實(shí)際上，我國(guó)早在20世紀(jì)50年代針對(duì)“三下”采煤就開(kāi)始研究塌陷區(qū)減沉煤炭開(kāi)采，彼時(shí)主要目的是解放壓覆煤炭資源。隨著注漿充填技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也逐漸應(yīng)用于充填覆巖離層及采空區(qū)，減弱開(kāi)采帶來(lái)的上覆巖層運(yùn)移，加強(qiáng)礦柱的穩(wěn)定性，控制地表下沉，從而達(dá)到保護(hù)采場(chǎng)安全、地面建筑物及環(huán)境不受破壞的目的[5-8]. 波蘭曾在 80 年代初嘗試將工業(yè)廢料用鉆孔輸送到采動(dòng)覆巖離層空間進(jìn)行減沉控制試驗(yàn)[9-10]. 與此同時(shí)，1985年首次在我國(guó)撫順礦務(wù)局老虎臺(tái)礦進(jìn)行了正式的覆巖離層注漿控制地表試驗(yàn)，試驗(yàn)取得顯著經(jīng)濟(jì)效益，隨后覆巖離層注漿充填技術(shù)在多個(gè)礦區(qū)推廣開(kāi)來(lái)[11]. 1986—1992年在老虎臺(tái)礦離層注漿試驗(yàn)基礎(chǔ)上，撫順礦務(wù)局和阜新礦業(yè)學(xué)院進(jìn)一步對(duì)覆巖離層注漿充填技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)和完善，并開(kāi)始逐步推廣。1991年大屯煤電公司首次將該技術(shù)應(yīng)用于徐莊礦7215工作面，同時(shí)進(jìn)行了注漿濃度、注漿有效影響半徑現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，探究了重復(fù)采動(dòng)條件對(duì)該技術(shù)的影響。1994—1999年首次將覆巖離層注漿充填技術(shù)應(yīng)用于放頂煤開(kāi)采，地表減沉效果較好。2000—2022年唐山礦先后在其T2191、T2195工作面開(kāi)展了多層位注漿充填，減緩了地表下沉，達(dá)到預(yù)期效果。

通過(guò)整理及總結(jié)各礦區(qū)開(kāi)展的大量覆巖離層注漿試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)行不充分采動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的覆巖離層注漿技術(shù)對(duì)地表沉降控制具有很顯著的效果。若進(jìn)行到充分開(kāi)采時(shí)，地表沉降控制效果不顯著，地表沉降率通常控制在30%～50%，很明顯這樣的地表沉降率不能夠保證地表構(gòu)筑物的安全，往往不符合建筑物下開(kāi)采的相關(guān)塌陷要求，還需要施加輔助的地表控制手段。近年，覆巖離層注漿技術(shù)在傳統(tǒng)的技術(shù)理論基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，而覆巖離層注漿技術(shù)的關(guān)鍵之處就在于需要控制住關(guān)鍵層。主要是利用工作面回采后上覆巖層運(yùn)移變形過(guò)程中出現(xiàn)的離層空間，通過(guò)地面注漿壓力泵將球磨后的煤矸石、脫硫石膏、煤泥、水泥等充填材料或者混合物漿液，通過(guò)注漿鉆孔輸送到關(guān)鍵層下的離層空間內(nèi)，漿液沉淀后水去灰留，形成飽和壓實(shí)體，充分利用隔離煤柱、飽和壓實(shí)體和上覆巖層的自承載結(jié)構(gòu)三者之間的聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)來(lái)支撐上覆巖層。

1.2 覆巖離層注漿充填方案設(shè)計(jì)原理

在工作面未回采前開(kāi)展設(shè)計(jì)注漿區(qū)域勘察及質(zhì)量評(píng)述，在工作面回采后上覆巖層會(huì)發(fā)生移動(dòng)和變形，在這過(guò)程中逐漸形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，通過(guò)關(guān)鍵層理論判斷注漿區(qū)域關(guān)鍵層位置，在關(guān)鍵層和彎曲下沉帶之間會(huì)產(chǎn)生離層空間，然后通過(guò)設(shè)計(jì)地面鉆孔進(jìn)行高壓注漿充填產(chǎn)生的離層空間，待到充填材料凝固后在回采工作面中部形成一定寬度的注漿充填凝固區(qū)，同時(shí)配合相鄰工作面之間的隔離煤柱共同承載上覆巖層，充分利用隔離煤柱、離層充填凝固空間和上覆巖層的自承載結(jié)構(gòu)三者之間的相互作用形成了低位、中位、高位的聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)來(lái)支撐上覆巖層，見(jiàn)圖1. 覆巖離層注漿充填技術(shù)減輕了傳統(tǒng)工作面回采通過(guò)隔離煤柱主要承擔(dān)上覆巖層的壓力，有利于隔離煤柱回采從而提高采出率，限制了采動(dòng)覆巖運(yùn)移及結(jié)構(gòu)的彎曲下沉，從而很好地控制地表沉降。

圖1 覆巖離層注漿設(shè)計(jì)原理示意圖

1.3 覆巖離層注漿充填技術(shù)特點(diǎn)

1) 覆巖離層注漿技術(shù)適用范圍。

覆巖離層注漿技術(shù)適用于采深較大，采寬較小，采場(chǎng)上側(cè)和下側(cè)為實(shí)體煤柱，開(kāi)采煤層較厚，基巖較厚的礦井，有利于上覆巖層中離層空間的形成，并且上覆巖層硬度需要均勻，中度硬度以上效果較好，并且軟巖和硬巖交替相間分布。

2) 覆巖離層注漿技術(shù)工藝要求。

注漿前需要進(jìn)行注漿區(qū)域勘察及質(zhì)量評(píng)價(jià)，然后進(jìn)行工作面參數(shù)計(jì)算以及注漿時(shí)機(jī)、注漿充填壓力、注漿區(qū)域和注漿充填層位確定，接下來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱及注漿鉆孔布置，確定注漿鉆孔數(shù)量、孔間距、部署方案等。同時(shí)，進(jìn)行注漿站及其內(nèi)部設(shè)備、水電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后需要制定質(zhì)量保證及安全保障措施。

3) 離層注漿作業(yè)結(jié)束后會(huì)形成三方面的力學(xué)效應(yīng)。

a) 充填結(jié)束后離層空間形成的飽和壓實(shí)體對(duì)其上覆關(guān)鍵層及巖層的支撐力，是地表減沉效果的關(guān)鍵力學(xué)效應(yīng)。b) 充填漿液在離層空間擴(kuò)散填充邊緣的裂隙，隨著注漿的進(jìn)行進(jìn)一步擠壓離層空間，從而擴(kuò)大離層空間。c) 充填漿液在離層空間離析、沉降、凝結(jié)后對(duì)下部巖層施加向下的作用力，促進(jìn)垮落帶和裂隙帶進(jìn)一步被壓實(shí)。

4) 覆巖離層注漿充填技術(shù)關(guān)鍵影響因素。

覆巖離層注漿充填技術(shù)作為一種采注互不影響的充填方法，影響其充填效果的主要因素包括采深、采高、采寬、留設(shè)煤柱寬度、采注比、上覆巖層關(guān)鍵層發(fā)育情況、注漿層位、充填材料理化性質(zhì)等。采深過(guò)淺可能會(huì)導(dǎo)致漿液沿著存在的貫通通道抵達(dá)地表，產(chǎn)生冒漿現(xiàn)象，影響地表的生態(tài)環(huán)境。上覆巖層關(guān)鍵層發(fā)育情況通常采用采動(dòng)充分度(采寬與采深的比值)來(lái)評(píng)價(jià)充填沉降效果，而采深過(guò)大時(shí)，上覆巖層中存在多層關(guān)鍵層，導(dǎo)致注漿時(shí)機(jī)難以準(zhǔn)確把握，不能及時(shí)充滿(mǎn)離層空間，造成地表沉降效果不佳。采寬和采高過(guò)小不利于離層發(fā)育，采寬和采高過(guò)大導(dǎo)致離層發(fā)育較快，離層空間注漿難度加大。留設(shè)煤柱寬度過(guò)大降低了采出率，留設(shè)煤柱寬度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞。注采比越大，雖然注漿減沉效果越好，但是會(huì)增加煤礦的注漿成本，注采比越小，充填離層空間后形成的飽和壓實(shí)體強(qiáng)度偏低，地表減沉效果不佳。注漿層位不能過(guò)高，過(guò)高的注漿層位會(huì)導(dǎo)致離層空間發(fā)育量小，使得注采比較小。充填材料的理化性質(zhì)是其充填離層空間后形成的飽和充填體支撐強(qiáng)度的主要影響因素，也是決定覆巖注漿充填技術(shù)成敗的關(guān)鍵。

2 覆巖離層注漿充填技術(shù)應(yīng)用案例

2.1 案例一：霍爾辛赫煤礦3501工作面

霍爾辛赫煤礦位于山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣境內(nèi)，井田內(nèi)村莊及建筑物壓煤較多，3501工作面切眼長(zhǎng)度246 m，煤層平均厚度5.6 m，采煤工藝為傾斜長(zhǎng)壁后退式低位放頂煤綜合機(jī)械化采煤法。為保護(hù)3501工作面內(nèi)的長(zhǎng)子焦化廠(chǎng)及縣城北外環(huán)公路，經(jīng)過(guò)大量“三下”開(kāi)采調(diào)研，提出了采空塌陷離層注漿控制地面降沉技術(shù)，并進(jìn)行了工程實(shí)踐。覆巖離層注漿鉆孔布置圖見(jiàn)圖2.

圖2 3501工作面覆巖離層注漿鉆孔布置圖

霍爾辛赫礦采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿項(xiàng)目保護(hù)構(gòu)筑物處地表變形符合構(gòu)筑物的Ⅰ級(jí)保護(hù)等級(jí)要求，成功釋放壓煤47.5萬(wàn)t，消耗電廠(chǎng)粉煤灰44.1萬(wàn)t，累計(jì)注漿量56.7萬(wàn)m3，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)38 475萬(wàn)元。隨著該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，地面注漿站等初期投入將持續(xù)發(fā)揮作用，企業(yè)利潤(rùn)空間將進(jìn)一步擴(kuò)大。通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，不僅釋放了大量的壓覆煤炭資源，消化大量粉煤灰，還可以有效保護(hù)上部地層和含水層，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)效益顯著，將為山煤國(guó)際及其他煤礦企業(yè)類(lèi)似煤層條件下開(kāi)采及采空塌陷防治提供示范。

2.2 案例二：屯蘭煤礦22301工作面

屯蘭煤礦地處山西省古交市以南6 km，井田地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)型為極復(fù)雜，水文地質(zhì)類(lèi)型為復(fù)雜，各煤層均為帶壓開(kāi)采，無(wú)沖擊地壓。22301工作面位于北三盤(pán)區(qū)右翼，地表有興能電廠(chǎng)排矸皮帶走廊及數(shù)條民用公路，工作面中部建有興能電廠(chǎng)一期灰?guī)旌头勖夯揖C合利用項(xiàng)目部。為解決興能電廠(chǎng)粉煤灰運(yùn)輸皮帶走廊和西山煤電粉煤灰綜合利用項(xiàng)目工廠(chǎng)下壓煤、土地資源和固廢處置問(wèn)題，屯蘭礦于2020年12月在22301工作面開(kāi)展采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿充填技術(shù)試驗(yàn),注漿鉆孔布置圖見(jiàn)圖3.

圖3 屯蘭煤礦22301工作面覆巖離層注漿鉆孔布置圖

對(duì)屯蘭礦114個(gè)地表沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保護(hù)構(gòu)筑物處地表變形符合構(gòu)筑物的Ⅰ級(jí)保護(hù)等級(jí)要求，釋放原煤118萬(wàn)t，處理粉煤灰及脫硫石膏91.4萬(wàn)t，處理礦井水74.9多萬(wàn)m3. 實(shí)現(xiàn)收入總額96 887.06萬(wàn)元，減稅3 148.83萬(wàn)元，節(jié)約水處理費(fèi)用254.66萬(wàn)元，共節(jié)約固廢處置費(fèi)用2 742萬(wàn)元。此外，屯蘭礦未來(lái)采用此技術(shù)可置換釋放井田范圍內(nèi)“兩河兩路”壓覆優(yōu)質(zhì)資源約8 095.2萬(wàn)t，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限12年以上，取得顯著經(jīng)濟(jì)效益。

3 覆巖離層注漿充填技術(shù)展望

1) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步完善。

雖然覆巖離層注漿技術(shù)在我國(guó)兩淮、山西等地已經(jīng)開(kāi)展了不少工程應(yīng)用，但在離層注漿作業(yè)后的跑漿、地表滲漿、地下水治理、充填材料中重金屬遷移規(guī)律以及特殊地層及區(qū)域開(kāi)展離層注漿難等問(wèn)題原因及機(jī)理不甚清楚，還需要進(jìn)一步研究。如對(duì)應(yīng)的相關(guān)覆巖離層注漿技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范等指導(dǎo)性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要針對(duì)性進(jìn)一步完善，需要全國(guó)各科研院所及研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展廣泛合作交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各自領(lǐng)域的研究?jī)?yōu)勢(shì)，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上推動(dòng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及專(zhuān)利的申報(bào)，從而指導(dǎo)覆巖離層注漿充填更好更快地在國(guó)內(nèi)外推廣應(yīng)用。

2) 探索商業(yè)模式，進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

一種技術(shù)要得到廣泛推廣應(yīng)用，離不開(kāi)商業(yè)模式的運(yùn)作。近些年隨著我國(guó)充填開(kāi)采技術(shù)的大力推廣，涌現(xiàn)了不少諸如山東康格、湖南飛翼等一批從事充填的企業(yè)，已經(jīng)成為充填產(chǎn)業(yè)鏈中重要的環(huán)節(jié)。我國(guó)每年40多億t的煤炭產(chǎn)量居高不下，毫無(wú)疑問(wèn)存在地表沉降、煤基固廢大量堆存、回采率低等問(wèn)題，“雙碳”目標(biāo)的提出是覆巖離層注漿技術(shù)大規(guī)模發(fā)展的良好契機(jī)，為其商業(yè)化模式提供了廣闊的舞臺(tái)。推動(dòng)覆巖離層注漿充填技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用需要理論、方法、儀器設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)體系等多種創(chuàng)新和完善，這將是一個(gè)漫長(zhǎng)的艱難探索過(guò)程，需要社會(huì)-企業(yè)-煤礦的多邊協(xié)作，不斷研發(fā)適用該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)裝備，積極探索多方共贏(yíng)的商業(yè)模式。

3) 覆巖離層注漿技術(shù)需要探索地下水保護(hù)問(wèn)題。

工作面回采后隨著上覆巖層的運(yùn)移破壞，地下含水層也會(huì)出現(xiàn)不同程度的破壞，并且經(jīng)過(guò)覆巖離層注漿作業(yè)后，存在地表通常出現(xiàn)外滲的料漿及外溢水，充填漿液中的重金屬元素遷移等問(wèn)題。近年來(lái)，盡管不少科研院所研發(fā)了多項(xiàng)煤礦采空區(qū)防沉技術(shù)，但是針對(duì)上述注漿作業(yè)后出現(xiàn)的問(wèn)題開(kāi)展的研究還不夠深入。因此覆巖離層注漿技術(shù)需要探索地下水保護(hù)問(wèn)題，探索外滲的料漿及外溢水的成分及形成機(jī)理，研究充填料漿中的重金屬遷移規(guī)律。

4) 新型充填材料選擇與使用。

充填材料的選擇與使用是覆巖離層注漿充填技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要制約因素。目前覆巖離層注漿充填料漿主要以矸石、粉煤灰為主，但是矸石量約為煤炭產(chǎn)量的20%,作為覆巖離層注漿材料來(lái)源不足，粉煤灰作為煤炭燃燒過(guò)后的產(chǎn)物，以其特有的理化性質(zhì)已廣泛用于制水泥、肥料和微量復(fù)合肥料及制各種輕質(zhì)建材。并且長(zhǎng)途運(yùn)輸矸石和粉煤灰用于覆巖離層注漿在經(jīng)濟(jì)上是不可行的，因此，覆巖離層注漿充填開(kāi)采大規(guī)模、長(zhǎng)期化、高效益發(fā)展，首先應(yīng)研發(fā)廉價(jià)、環(huán)保且高性能的新型充填材料,其次是在進(jìn)行充填方案設(shè)計(jì)時(shí)充分聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合礦區(qū)地表生態(tài)及地域資源,因地制宜的選擇礦區(qū)周邊諸如廢石、河沙、城市建筑垃圾等作為充填材料,按照覆巖離層注漿充填的方法進(jìn)行生態(tài)治理。利用礦區(qū)周邊選煤廠(chǎng)、火電廠(chǎng)、煤化工廠(chǎng)生產(chǎn)的煤泥、脫硫石膏、氣化渣、爐底渣等煤基固廢進(jìn)行充填,這些煤基固廢不僅量大，而且數(shù)量基本穩(wěn)定，且距離較近，便于工業(yè)化利用。

5) 完善充填開(kāi)采激勵(lì)政策，調(diào)配約束機(jī)制力度。

近年我國(guó)頒布施行了《關(guān)于實(shí)施煤炭資源稅改革的通知》《關(guān)于落實(shí)資源稅改革優(yōu)惠政策若干事項(xiàng)的公告》和《煤礦充填開(kāi)采工作指導(dǎo)意見(jiàn)》等政策支持充填開(kāi)采方式采出的礦產(chǎn)資源進(jìn)行資源稅減征，提出以后新建的礦井不允許設(shè)立永久性地面矸石山等措施。但是對(duì)于矸石充填開(kāi)采的礦產(chǎn)資源補(bǔ)償政策及實(shí)施細(xì)則尚未施行，并且全國(guó)各地的政策支持和執(zhí)行力度差別較大，各省減免標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，政策下行實(shí)施存在較大困難。整體來(lái)看，煤炭資源稅減免政策的支持力度偏小,程序復(fù)雜且條件嚴(yán)格,未能成為煤炭企業(yè)是否采用充填開(kāi)采的驅(qū)動(dòng)力。以河北開(kāi)灤集團(tuán)唐山礦充填開(kāi)采為例,累計(jì)置換出煤炭86.1萬(wàn)t,充填矸石110．5萬(wàn)t,但累計(jì)享受資源稅減免僅180萬(wàn)元左右,每噸煤減免僅2.1元[12].

覆巖離層注漿充填技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)激勵(lì)政策和約束機(jī)制，在已有的政策基礎(chǔ)上需要進(jìn)一步完善激勵(lì)政策，查漏補(bǔ)缺，賦予地方政府確定部分稅收政策的權(quán)利，因地制宜，制定精準(zhǔn)的政策，取締地方政府非法設(shè)立的收費(fèi)基金項(xiàng)目，為煤炭企業(yè)改善生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)條件、提高經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造良好的政策環(huán)境，激發(fā)市場(chǎng)活力，促進(jìn)煤炭行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，覆巖離層注漿充填技術(shù)經(jīng)歷了從處理鉆孔突水為主到防止地表沉陷、提高煤炭回采，礦井水處理到處置固廢綠色開(kāi)采的轉(zhuǎn)變和發(fā)展，不僅從源頭上保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也解放了更多“三下”壓煤，提高了煤炭回采率，是當(dāng)代礦山實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采、智能化等的一項(xiàng)重要技術(shù)。基于覆巖離層注漿充填開(kāi)采技術(shù)對(duì)我國(guó)未來(lái)礦山建設(shè)從技術(shù)標(biāo)椎、商業(yè)模式、地下水保護(hù)、新型充填材料選擇與使用和政策機(jī)制等方面進(jìn)行了展望，為我國(guó)煤基固廢無(wú)害化利用與煤礦綠色充填開(kāi)采提供了思路。