鄰位注漿處置井下矸石技術(shù)與實(shí)踐

馬功社

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黨的十八大以來，將生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會主義事業(yè)“五位一體”總體布局，生態(tài)文明歷史性的寫入憲法。與此同時，習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)黃河流域生態(tài)保護(hù)，進(jìn)一步彰顯生態(tài)優(yōu)先的發(fā)展理念。煤炭開采和利用過程中會產(chǎn)生大量煤矸石等固體廢棄物，矸石地面排放帶來了嚴(yán)重環(huán)境問題，不僅占用土地，而且會引發(fā)自然發(fā)火、污染大氣和水體環(huán)境。煤矸石綠色處理技術(shù)是建設(shè)現(xiàn)代化煤炭經(jīng)濟(jì)體系、實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主攻方向，是落實(shí)生態(tài)文明理念的必然選擇。

1 工程背景

1.1 工程概況

黃陵二號煤礦是黃陵礦業(yè)公司的重要礦井，位于鄂爾多斯盆地東南緣，屬于煤、油、氣共生礦井。井田含煤地層位于侏羅系延安組，厚度50.64～150.81 m，平均厚度92.29 m，共含煤4層，至上而下依次為0號煤層、1號煤層、2號煤層和3號煤層。2號煤層為主要可采煤層，結(jié)構(gòu)簡單，厚度0.8～6.3 m，平均厚度3.12 m，傾角3°～5°，局部含有2層夾矸。礦井采用斜井單水平開拓，核定生產(chǎn)能力800萬t/a，每年矸石產(chǎn)量在105萬t，其中井下巷道起底及巖巷掘進(jìn)產(chǎn)生的矸石約20萬t，主運(yùn)輸系統(tǒng)手選矸石25萬t、水洗矸石60萬t，除水洗矸石進(jìn)入矸石發(fā)電廠進(jìn)行發(fā)電，其余矸石均地面排放。黃陵二號煤礦地處橋山天然林保護(hù)區(qū)，加之原有矸石山容積有限以及國家對矸石排放限制，礦井將面臨矸石無處可排的局面，迫切需要對井下矸石進(jìn)行綠色處理的技術(shù)，徹底實(shí)現(xiàn)矸石不升井、矸石地面零排放目標(biāo)。為了保證該技術(shù)順利實(shí)施，黃陵礦業(yè)公司、中環(huán)機(jī)械有限公司和中煤能源研究院成立研究團(tuán)隊(duì)，開展了大量前期研究工作，并在黃陵二號煤礦三盤區(qū)301工作面采空區(qū)進(jìn)行了靜態(tài)工程實(shí)踐，取得了階段性成果，充分說明該技術(shù)在黃陵二號煤礦是可行的，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1.2 充填技術(shù)的選取

傳統(tǒng)的矸石充填技術(shù)有以下3種：①固體充填開采技術(shù)，即將井下矸石直接充填到采空區(qū)或廢棄的巷道里，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，工程實(shí)踐多；缺點(diǎn)是項(xiàng)目投資大、運(yùn)營成本高，對地質(zhì)條件有一定要求，生產(chǎn)影響大[1-4]。②膏體充填開采技術(shù)，即將井下矸石加水直接制作膏體充填到采空區(qū)或廢棄的巷道里，其優(yōu)點(diǎn)是控制效果好，可解決“三下”壓煤問題；缺點(diǎn)是矸石處理量有限，投資高，成本大，生產(chǎn)影響大[5-6]。③覆巖離層注漿技術(shù)，即將井下矸石制作漿體在地面通過鉆孔輸送到頂板巖層下沉形成的空間里，其優(yōu)點(diǎn)是注漿和生產(chǎn)互不影響，可有效處理矸石；缺點(diǎn)是受地面條件限制，征地難，矸石處理量不穩(wěn)定。經(jīng)分析，傳統(tǒng)的充填技術(shù)存在適應(yīng)性低、成本較高、能力有限、影響較大等發(fā)展瓶頸[7-8]，不能解決礦井矸石排放問題。

針對黃陵二號煤礦煤層厚、涌水量小、井下殘余空間大等特點(diǎn)，通過對傳統(tǒng)離層注漿、灌漿防滅火、漿體管道輸送等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化集成創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，提出了地區(qū)適應(yīng)型、工藝匹配型和經(jīng)濟(jì)高效型(即適應(yīng)于高產(chǎn)高效千萬噸級礦井)的漿體充填技術(shù)，結(jié)合黃陵二號煤礦工程地質(zhì)和采礦條件，提出了鄰位注漿充填方式，實(shí)現(xiàn)礦井矸石的安全、綠色、經(jīng)濟(jì)、高效處置。

2 鄰位注漿充填方式

鄰位注漿充填是指在垮落帶上部，在傾向空間構(gòu)建一個漿體充填通道。主要是為了從相鄰工作面巷道通過煤柱上覆巖層向鄰近工作面采空區(qū)施工仰上鉆孔至采空區(qū)冒落帶，圖1為鄰位注漿充填方式示意圖。

圖1 鄰位注漿充填方式示意Fig.1 Adjacent grouting filling method

3 鄰位注漿關(guān)鍵技術(shù)

3.1 精準(zhǔn)制漿技術(shù)

傳統(tǒng)的制漿工藝為“粗破+細(xì)破+球磨+靜態(tài)定量攪拌”，缺點(diǎn)是能耗大、設(shè)備體積大、球磨機(jī)不允許頻繁啟停、需設(shè)大容量緩存池。優(yōu)化后精準(zhǔn)制漿工藝為“粗破+超細(xì)破碎系統(tǒng)+連續(xù)攪拌”，優(yōu)點(diǎn)是空間小、能耗低、系統(tǒng)匹配度高、可有效提高破碎制漿系統(tǒng)井下的適應(yīng)性。

3.2 管道輸送技術(shù)

3.2.1 矸石粉粒徑級配優(yōu)化

取消球磨工藝后，對高細(xì)破后矸石粉進(jìn)行基本參數(shù)測試，真實(shí)密度為2.34 t/m3，松散容重1.38 t/m3，優(yōu)化后-200目占比為17.64%，泌水率<5%，滿足輸送要求。圖2為矸石粒徑級配優(yōu)化結(jié)果。

圖2 矸石粉粒徑級配優(yōu)化Fig.2 Optimization of particle size gradation of gangue

3.2.2 漿體濃度和輸送速度

針對黃陵二號煤礦的矸石，該級配條件下，漿體質(zhì)量濃度大于72%后，漿體的黏度隨濃度增加呈快速增長的趨勢，管道輸送阻力增大，為保證輸送安全，且最大限度處理矸石，確定漿體濃度為68%～72%，按需配合部分添加劑。試驗(yàn)證明：70%濃度漿體塌落度28.1 cm，擴(kuò)展度59.83 cm，自流坡度為4%，流動性較好。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及《漿體長距離管道輸送工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算，最終確定設(shè)計(jì)輸送流速1.68 m/s，為最大臨界流速1.1倍。圖3為漿體濃度控制試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 漿體濃度控制試驗(yàn)Fig.3 Test of slurry concentration control

3.2.3 環(huán)管試驗(yàn)

為了保證該工藝安全可靠，驗(yàn)證相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)準(zhǔn)確性，在地面安裝了充填設(shè)備，通過定量上料、定量加水、攪拌均勻、卸料攪拌、泵送充填等工序。實(shí)驗(yàn)證明：漿體在管道內(nèi)循環(huán)輸送2 h仍未發(fā)生沉淀、離析、分層等現(xiàn)象，穩(wěn)定性較好。

3.3 漿體充填技術(shù)

3.3.1 垮落帶高度確定

按照礦壓理論，垮落帶高度通常取3～5倍的煤層厚度，該高度不僅與煤層采厚有關(guān)，而且受回采后直接頂垮落巖石的碎脹性影響。當(dāng)開采煤層較小時，無足夠垮落空間，垮落帶高度會有大幅度減小，一般在1.7倍左右。由于本項(xiàng)目在黃陵二號煤礦三盤區(qū)301工作面采空區(qū)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，301工作面煤層厚度4.7 m、頂板屬于中硬頂板，此時垮落帶高度可通過下式計(jì)算

根據(jù)計(jì)算所得，301工作面垮落帶高度為9.2～13.6 m。在實(shí)際工作中，以注漿量最大的鉆孔終孔位置為準(zhǔn)，可隨時調(diào)整，確保注漿量最大化。

3.3.2 鄰位注漿鉆孔參數(shù)

煤層采動后，上覆巖層中會產(chǎn)生2類裂隙，一類為離層裂隙，它是在采動過程中因不同巖層的巖性、厚度不同，造成巖層下沉不同步，形成了所謂各巖性地層間的沿地層面裂隙。另一類是豎向破斷裂隙，當(dāng)采空區(qū)上覆巖層從上到下的排序分別是彎曲下沉帶、裂隙帶、冒落帶。在冒落帶中，破斷裂隙十分發(fā)育，隨著采面推進(jìn)，冒落帶范圍里巖石破裂后表現(xiàn)為不規(guī)則垮落，空隙率較大。因此，在考慮鄰位注充鉆孔的布置層位時，應(yīng)確保終孔位置位于垮落帶空間，保證注漿的效果和能力。根據(jù)垮落帶高度初步確定301采空區(qū)的鄰位注漿鉆孔參數(shù)為：鉆孔長度45～60 m，仰角7°～9°，垂直煤柱向上施工，由于回采初期采空區(qū)頂板垮落范圍不大，終孔高度可以適當(dāng)降低，初采階段終孔高度降低為8 m，其他位置終孔高度9.0～11.0 m，鉆孔孔徑φ133 mm，全程采用φ60 mm套管用于隔離采空區(qū)冒落矸石，下套管后鉆孔開孔段進(jìn)行注水泥漿固管，套管與輸漿管道連接處采用變徑管連接，注漿管末端3.0～6.0 mm連接花管增加灑漿范圍，花孔孔徑3.0～5.0 mm，鉆孔布置圖如圖4所示?，F(xiàn)場施工過程中，根據(jù)煤層賦存條件，動態(tài)調(diào)整鉆孔參數(shù)，確保鉆孔終孔位置位于垮落帶內(nèi)。

圖4 301工作面鄰位注漿鉆孔布置示意Fig.4 Layout of adjacent grouting boreholes in 301 working face

3.3.3 充填步距確定

采用漿體流動試驗(yàn)對濃度為70%的矸石漿體進(jìn)行試驗(yàn)，得到矸石漿體無阻礙條件下的自流坡度約為4.8%～5%。但矸石漿體的實(shí)際流動狀態(tài)受采空區(qū)內(nèi)破碎矸石阻礙作用影響，保守考慮計(jì)算時按照坡度為18%進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)鄰位注漿鉆孔的終孔高度為11 m可得到漿體的擴(kuò)散半徑約為60 m。為了充分利用采空區(qū)空間，消除2個鄰位注漿鉆孔充填覆蓋范圍的邊界處形成的凹槽，鄰位注漿的充填步距應(yīng)被確定為60 m，后期項(xiàng)目實(shí)施過程中根據(jù)漿體充填效果及單孔注漿量調(diào)整鉆孔間距。

3.3.4 充填滯后距離

根據(jù)301工作面作業(yè)規(guī)程，301工作面周期來壓步距為20 m，根據(jù)前期研究成果，工作面采空區(qū)分為自然堆積區(qū)(2 L)、載荷影響區(qū)(2～8 L)和壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)(>8 L)，漿體充填應(yīng)優(yōu)先選擇自然堆積區(qū)和載荷影響區(qū)。因此，充填鉆孔布置在自然堆積區(qū)和載荷影響區(qū)范圍內(nèi)，即滯后工作面距離<160 m；同時為防止?jié){體涌入工作面影響生產(chǎn)，滯后距離應(yīng)大于漿體擴(kuò)散半徑，即滯后工作面距離>60 m。綜上，充填滯后工作面距離確定為60～160 m。

4 工程實(shí)踐

黃陵二號煤礦三盤區(qū)301工作面于2021年1月15日回采完畢，其連續(xù)工作面為四盤區(qū)420工作面，與其相鄰的303工作面為瓦斯預(yù)抽工作面，301輔運(yùn)巷即303工作面回風(fēng)巷閑置，因此選擇301工作面采空區(qū)作為鄰位漿體充填工作面最為合適，既不影響生產(chǎn)又能驗(yàn)證該項(xiàng)目前期的研究成果。

首先利用礦井廢棄巷將破碎制漿充填設(shè)備布置于301工作面機(jī)頭硐室，井下原矸經(jīng)過兩級破碎后形成粒徑小于3 mm粉末，再通過定量給料機(jī)、添加現(xiàn)有井下礦井水制成70%漿體，然后用柱塞泵和管道輸送至鄰位鉆孔進(jìn)行充填。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，前期共施工充填鉆孔3個，即CTK1、CTK2、CTK3，其中CTK1參數(shù)傾角1.6°鉆孔深度40.5 m、終孔高度3.0 m；CTK2參數(shù)傾角9°鉆孔深度59 m、終孔高度11.09 m；CTK3參數(shù)傾角9°鉆孔深度58 m、終孔高度11 m。鉆孔布置如圖5所示。

圖5 301采空注漿鉆孔布置示意Fig.5 Layout of grouting boreholes in 301 goaf

各孔充填情況如下：CTK2號孔累計(jì)注漿1 963 t，充填期間壓力穩(wěn)定，環(huán)境瓦斯正常，證明采空區(qū)空間較大，且鉆孔層位合理。因充填泵故障，停泵時間較長，堵塞充填通道未達(dá)到預(yù)期充填量。CTK2號孔管道堵塞后，連接CTK1號孔，用于驗(yàn)證平孔注漿效果。管道連接后，發(fā)現(xiàn)由于鉆孔發(fā)生塌孔及堵塞，壓力過高無法注漿，原因是CTK1號鉆孔處于煤柱中的彈性應(yīng)力升高區(qū)，鉆孔不穩(wěn)定，下套管困難，套管內(nèi)可能進(jìn)入大量煤渣將套管堵死，不利于套管穩(wěn)定，末端發(fā)生塌孔，導(dǎo)致鉆孔堵塞。CTK3號孔累計(jì)注漿1 106 t，進(jìn)一步驗(yàn)證鉆孔布置參數(shù)合理，施工應(yīng)盡量避開應(yīng)力集中區(qū)域，終孔位置控制在垮落帶上部，有利于保持鉆孔穩(wěn)定性，提高注漿充填量。

通過在黃陵二號煤礦三盤區(qū)301工作面采空區(qū)靜態(tài)注漿試驗(yàn)，2個孔累計(jì)注漿3 069 t，驗(yàn)證了前期研究成果，說明鄰位注漿處置井下矸石技術(shù)是可行的，可以在其它已回采過的工作面采空區(qū)進(jìn)行，并應(yīng)用到正在回采工作面的采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)采充一體化。

5 相關(guān)鼓勵政策

近年來，中國政府高度重視并積極引導(dǎo)和大力提倡充填開采技術(shù)與礦井智能化建設(shè)。2014年12月22日，國家發(fā)改委、財(cái)政部、國土資源部、環(huán)境保護(hù)部等十部委公布的《煤矸石綜合利用管理辦法(2014年修訂版)》明確指出：新建(改擴(kuò)建)煤礦及選煤廠禁止建設(shè)永久性煤矸石堆放場(庫)，鼓勵煤矸石井下充填[9]。國家“十三五”規(guī)劃指出，“大力推進(jìn)煤炭清潔高效利用，限制東部、控制中部和東北、優(yōu)化西部地區(qū)煤炭資源開發(fā)，推進(jìn)大型煤炭基地綠色化開采和改造”“鼓勵煤矸石井下充填”。2013年國家能源局、財(cái)政部、國土資源部和環(huán)境保護(hù)部《煤礦充填開采工作指導(dǎo)意見》也指出：要求煤礦企業(yè)要通過科學(xué)論證，努力擴(kuò)大充填范圍，在確保生產(chǎn)安全和保護(hù)地面生態(tài)環(huán)境的前提下，實(shí)現(xiàn)“三下”壓煤和各種保安煤柱、邊角殘煤等煤炭資源的充分回收[10]。2016年3月，《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016—2030年)》將綠色高效充填開采作為煤炭無害化開采技術(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略方向[11]。2018年7月，《煤炭行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》規(guī)定，東部地區(qū)、環(huán)境敏感地區(qū)和“三下一上”壓煤區(qū)域應(yīng)采用充填開采技術(shù)，確保地面無矸石山堆存，其他地區(qū)優(yōu)先采用充填開采。2021年3月，國家發(fā)改委、科技部、工信部等十部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》中指出，在煤炭行業(yè)推廣“煤矸石井下充填+地面回填”，促進(jìn)矸石減量；在礦山行業(yè)建立“梯級回收+生態(tài)修復(fù)+封存保護(hù)”體系，推動綠色礦山建設(shè)[12]。

6 結(jié)語

鄰位注漿處置井下矸石技術(shù)可以從根本上解決黃陵礦區(qū)矸石排放難題，提供了一條技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的處理方法，樹立了黃河流域生態(tài)保護(hù)的典型示范，引領(lǐng)了行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向。相較傳統(tǒng)技術(shù)，鄰位注漿處置井下矸石技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)采充并行、互不干擾，且系統(tǒng)簡單、綠色高效，可同步處理部分礦井水，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會效益顯著，具有較強(qiáng)的推廣價值。