煤矸石井下處理與冒落區(qū)流態(tài)化充填技術(shù)

李 亮，黃慶享，吳 杰，左 小，張偉龍，張 杰，胡俊峰，楊玉玉

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710100；3.煤炭綠色安全高效開采國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710065；4.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引 言

近年來(lái)，隨著大型現(xiàn)代化礦井建設(shè)的推進(jìn)，煤礦排矸呈集中化、高產(chǎn)化和規(guī)模化的發(fā)展趨勢(shì)，開采產(chǎn)生的矸石堆放至地面引發(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題愈發(fā)突出[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)矸石累計(jì)堆放量超過(guò)60億t，形成矸石山1 500～1 700座，占地20余萬(wàn)畝，且以約5億～8億t/a的排放量逐年增加[2]。韓城礦區(qū)的煤矸石年排放量已突破100萬(wàn)t，絕大多數(shù)煤矸石仍以地面堆積的方式進(jìn)行處理，不但制約生產(chǎn)，而且煤矸石地表堆積對(duì)礦區(qū)生存環(huán)境和條件帶來(lái)的威脅與危害愈加嚴(yán)重。在進(jìn)入“十四五”時(shí)期，能源供需格局深刻變化，《煤炭工業(yè)“十四五”高質(zhì)量發(fā)展指導(dǎo)意見》等文件中均指出提高煤矸石綜合利用水平，推動(dòng)煤炭綠色低碳發(fā)展。不設(shè)地面排矸場(chǎng)、減少或杜絕矸石升井是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的必然趨勢(shì)。

眾多學(xué)者和煤礦企業(yè)在源頭控制矸石排放、保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境方面亦做了大量的工作，從矸石處理與利用的眾多實(shí)踐中得出，現(xiàn)有以煤矸石發(fā)電、鋪路、制建筑材料等為主的煤矸石地面綜合處理技術(shù)已經(jīng)不能滿足礦區(qū)日益增大的煤矸石處理量的要求，僅能作為煤矸石規(guī)?；幚淼难a(bǔ)充技術(shù)[2-5]。煤矸石井下充填處理技術(shù)具有處理效率高、產(chǎn)矸點(diǎn)就是處理點(diǎn)、處理集中等優(yōu)點(diǎn)，以綜合機(jī)械化固體充填技術(shù)和膠結(jié)充填技術(shù)為核心的處理技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，但受充填效果要求、裝備工藝及自動(dòng)化程度等方面的限制，也存在投資大、成本高、工藝復(fù)雜、處理能力小等缺點(diǎn)，主要用于“三下”采煤[6-11]。神東礦區(qū)已在15個(gè)礦井建成地下水庫(kù)35座，總設(shè)計(jì)儲(chǔ)水量達(dá)2 499.5萬(wàn)m3，儲(chǔ)水系數(shù)一般為 0.15～0.25，這對(duì)地下采動(dòng)空間進(jìn)行了成功的探索和實(shí)踐[12]。冒落區(qū)矸石流態(tài)化充填技術(shù)是地下采動(dòng)空間儲(chǔ)廢新技術(shù)的一種，是將矸石破碎后簡(jiǎn)單膠結(jié)或直接加水制漿泵送充填至井下已冒落采空區(qū)的新型充填技術(shù)，既滿足礦井矸石生態(tài)處理的要求，又對(duì)采空區(qū)災(zāi)害治理有一定促進(jìn)作用，充填工藝簡(jiǎn)單、投資小、“采—充”工藝獨(dú)立，在低成本規(guī)模化處理矸石方向的應(yīng)用前景已初步顯現(xiàn)。錢鳴高院士等通過(guò)開采后巖層移動(dòng)實(shí)測(cè)，得到了巖層內(nèi)部位移曲線，并揭示了采場(chǎng)上覆巖層下沉規(guī)律和采空區(qū)覆巖破斷的“O型圈”形態(tài)，為精準(zhǔn)利用采空區(qū)空間奠定了基礎(chǔ)[13]。李興尚利用分形理論研究條帶開采冒落矸石堆體形態(tài)、空隙分布特征，并對(duì)某煤礦冒落區(qū)注漿充填量進(jìn)行了預(yù)計(jì)[14]。張宏貞通過(guò)建立覆巖空間結(jié)構(gòu)類型的殘留空洞、空隙預(yù)測(cè)模型，將采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)類型分為“匚”、“工”、“傘”型3種基本類型[15]。胡勝勇等研究了采空區(qū)應(yīng)力分布、巖石碎脹特性和垮落帶空隙率的關(guān)系[16]。黃炳香等通過(guò)相似模擬試驗(yàn)研究了冒落帶和裂隙帶的孔隙率變化規(guī)律[17]。王建學(xué)等研究了冒落矸石空隙注漿膠結(jié)充填減沉技術(shù)的可行性[18]。張?zhí)燔姷妊芯苛隧肥囿w充填材料粒徑對(duì)其力學(xué)性能的影響，根據(jù)Talbol理論進(jìn)行連續(xù)級(jí)配設(shè)計(jì)，配制了矸石膏體漿料[19]。古文哲等提出了煤礦固體廢棄物漿體處理的技術(shù)構(gòu)思，在龍王溝煤礦和錦界電廠進(jìn)行了應(yīng)用[20]。上述研究，為矸石冒落區(qū)流態(tài)化充填技術(shù)的應(yīng)用提供了良好借鑒，但是，對(duì)地下采動(dòng)空間的產(chǎn)生與發(fā)展規(guī)律的研究及利用尚無(wú)系統(tǒng)性成果。

基于砌體梁理論和采空區(qū)上覆巖層下沉規(guī)律，提出利用工作面冒落采空區(qū)殘余空間處理礦井矸石，研究冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律和冒落區(qū)矸石流態(tài)化充填技術(shù)，并在桑樹坪二號(hào)井開展了工業(yè)性試驗(yàn)。

1 煤矸石井下處理與利用

1.1 煤矸石井下處理與利用方法

西部礦區(qū)煤炭開采普遍具有采高大、單產(chǎn)高等高強(qiáng)度開采特點(diǎn)，造成采動(dòng)損傷更加劇烈，加之西部礦區(qū)生態(tài)脆弱，面臨高強(qiáng)度開采和生態(tài)損傷劇烈與修復(fù)難的突出矛盾[21-23]。韓城礦區(qū)位于渭北煤田東北端，屬典型的渭北黃土高原低山丘陵地貌特征，矸石地面堆積處理同樣產(chǎn)生以上問(wèn)題，煤矸石的綜合利用及生態(tài)治理已是一個(gè)刻不容緩、亟待解決的問(wèn)題，因此，韓城礦區(qū)煤矸石處理與利用應(yīng)遵循減量化排放、源頭治理、“采—充”平衡、經(jīng)濟(jì)高效和環(huán)境效益最佳的原則?；谝陨显瓌t，礦區(qū)矸石井下處理與利用方法如圖1所示。

1.2 冒落區(qū)矸石流態(tài)化充填技術(shù)原理

在煤層開采后，覆巖由下至上分別為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。基于采動(dòng)損傷空間守恒原理，提出采動(dòng)損傷空間耗散分區(qū)模型[24]如下。

VM=V0+V1+V2+V3

(1)

式中V0為地表下沉的總空間；V1為冒落帶采動(dòng)損傷耗散空間；V2為裂隙帶內(nèi)采動(dòng)損傷耗散空間；V3為彎曲下沉帶內(nèi)損傷耗散空間。根據(jù)空間守恒原理，采動(dòng)損傷總空間VM等于煤層采出空間。

冒落帶由冒落矸石組成，即使工作面充分采動(dòng)后，內(nèi)部仍然殘余較大的空間，加之破碎煤巖體自身的碎脹性，使得冒落帶為采動(dòng)后空間最大的區(qū)域，這些空間是隨著工作面推采動(dòng)態(tài)變化的，且以空洞、空隙、孔隙等多種類型存在，稱之為冒落區(qū)殘余空間。在采空區(qū)邊界附近由于懸臂巖梁的存在會(huì)產(chǎn)生大的空洞區(qū)域，深部則主要以空隙、孔隙區(qū)域分布，并且距離開采邊界越遠(yuǎn)，空洞、空隙、孔隙量則越小[14-15]。煤層開采后產(chǎn)生大量的冒落區(qū)殘余空間可作全礦井矸石處理的天然空間，因此，可通過(guò)鄰近巷道在冒落帶范圍內(nèi)協(xié)同布置高位、低位充填孔進(jìn)行矸石流態(tài)化充填，實(shí)現(xiàn)冒落區(qū)“空洞-空隙-孔隙”多類型殘余空間精準(zhǔn)高效利用，即“高、低位協(xié)同共充技術(shù)”。高位孔終孔高度一般以冒落帶上限為準(zhǔn)，水平孔終孔高度與采高一致，具體可根據(jù)地質(zhì)采礦條件調(diào)整。技術(shù)原理如圖2所示。

冒落區(qū)流態(tài)化充填系統(tǒng)布置地面或井下矸石倉(cāng)、破碎站、制漿站、充填泵站及管路，如圖3所示。制備好的漿體通過(guò)泵站和管路輸送至充填作業(yè)點(diǎn)，利用高位鉆孔和低位鉆孔協(xié)同共充至冒落區(qū)。

2 冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律

2.1 試驗(yàn)工作面概況

桑樹坪二號(hào)井3305工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，煤厚6 m，整體傾角為1°，工作面沿煤層傾向布置，切眼寬度165 m，可采長(zhǎng)度870 m，可采面積143 550 m2。頂?shù)装甯艣r見表1。

表1 3305工作面頂?shù)装甯艣r

2.2 冒落區(qū)殘余空間理論計(jì)算

冒落區(qū)內(nèi)部的殘余空間通常是不規(guī)則的、是無(wú)序分布的。根據(jù)冒落巖塊分維數(shù)與孔隙率的關(guān)系，得到孔隙率與分維數(shù)的關(guān)系式為[14]

(2)

(3)

(4)

式中P為孔隙率，%；V為冒落區(qū)巖塊總體積，m3；M為冒落矸石巖塊質(zhì)量，kg；ρ0為冒落巖塊的密度，kg/m3；rmin為巖層冒落堆體中破碎最嚴(yán)重、數(shù)目最多，尺寸最小的巖塊的直徑，m；ρ為冒落區(qū)松散堆體密度，kg/m3；D為分維數(shù)；H為垮落帶高度，m；h為開采煤層高度，m；b為開采煤層傾向長(zhǎng)度，m；L為開采煤層走向長(zhǎng)度，m。

根據(jù)試驗(yàn)工作面地層條件，結(jié)合冒落區(qū)矸石取樣觀察，工作面?zhèn)雾敿爸苯禹斴^易垮落，冒落區(qū)矸石中泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖的破碎較嚴(yán)重，如圖4所示。根據(jù)工作面冒落區(qū)殘余空間“空洞—空隙—孔隙”分布規(guī)律，將采空區(qū)按頂板巖層冒落量及矸石密積程度劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ區(qū)。根據(jù)Menger海綿分形模型，計(jì)算得出冒落區(qū)矸石的統(tǒng)計(jì)分維值D為2.765，則由式(2)計(jì)算可得Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ區(qū)對(duì)應(yīng)孔隙率分別為：32.6%，20.27%，12.33%，8.60%。

采空區(qū)孔隙體積主要分布在冒落區(qū)，對(duì)孔隙率由冒落帶在垂直方向上積分得空間滯留高度[25]。

(5)

(6)

聯(lián)立上式得

(7)

得出冒落區(qū)殘余空間為

Vc=Shv

(8)

式中S為工作面面積，m2；hv為滯留高度，m；Vc為冒落區(qū)殘余空間體積，m3。將計(jì)算得到的冒落區(qū)孔隙率代入式(7)中可得滯留高度在冒落區(qū)不同位置分別為：2.47，1.54，0.94，0.65 m。

理論計(jì)算整個(gè)試驗(yàn)工作面冒落區(qū)殘余空間體積約為200 970 m3，占整個(gè)采空區(qū)體積比為23.3%，以冒落區(qū)走向方向單側(cè)長(zhǎng)度1 m內(nèi)的料漿充填量用延米充填量表征，則冒落區(qū)單側(cè)延米充填量為97.1 m3。

2.3 冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律探查

采用瞬變電磁法對(duì)試驗(yàn)工作面鄰近的3307工作面冒落區(qū)進(jìn)行殘余空間地表電法探查，該工作面已回采完畢，地質(zhì)采礦條件與3305試驗(yàn)工作面基本一致。依據(jù)實(shí)際地形和實(shí)地踏勘情況，在3307工作面設(shè)計(jì)瞬變電磁主測(cè)線21條，在主測(cè)線附近布置旁測(cè)線23條，瞬變電磁測(cè)線合計(jì)44條，瞬變電磁物理點(diǎn)合計(jì)1 806個(gè)，探測(cè)直徑按D=H/10圈定，實(shí)際探測(cè)總面積40 484.5 m2，測(cè)點(diǎn)布置及探測(cè)范圍如圖5所示。

探測(cè)得出所有瞬變電磁測(cè)線(TMP-Z1～ TMP-Z21,TMP-P1～ TMP-P23)的視電阻率斷面成果圖，圖6為測(cè)線TMP-Z14，TMP-Z19瞬變電磁視電阻率斷面成果。

根據(jù)采空區(qū)頂板“O-X”破斷規(guī)律，選取工作面南半?yún)^(qū)為代表研究區(qū)，提取所有測(cè)點(diǎn)250 m高程位置的視電阻率值，并根據(jù)總探測(cè)范圍，繪制工作面250 m深度位置視電阻率切片成果如圖7所示，3307工作面地質(zhì)解譯如圖8所示。根據(jù)工作面地質(zhì)解譯平面圖，對(duì)研究區(qū)內(nèi)已推斷異常區(qū)規(guī)模進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如下：推斷空區(qū)(含水)異常區(qū)域共4處，總面積約為3 785.0 m2，占比約15.81%，推斷空區(qū)(不含水)異常區(qū)域共5處，總面積約為1 847.2 m2，占比約7.72%。針對(duì)瞬變電磁法探測(cè)原理、探測(cè)設(shè)備以及成果解譯過(guò)程中對(duì)第四系覆蓋層、基巖層、煤層、含水空區(qū)、不含水空區(qū)的異常識(shí)別特征文中不再贅述。

根據(jù)上述異常區(qū)分布規(guī)律可知，冒落區(qū)殘余空間多集中在邊界附近，形態(tài)符合“O”形圈分布規(guī)律，實(shí)際探測(cè)到的冒落區(qū)殘余空間面積占整個(gè)研究區(qū)的23.5%，探測(cè)結(jié)果為精準(zhǔn)利用冒落區(qū)殘余空間提供了指導(dǎo)。

3 現(xiàn)場(chǎng)充填試驗(yàn)

3.1 工藝流程

本次試驗(yàn)采用在相鄰巷道跨煤柱施工充填鉆孔對(duì)試驗(yàn)工作面冒落區(qū)進(jìn)行注漿充填。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)流程，試驗(yàn)所用矸石漿體均在商混站配制后罐車輸送至地面泵站，經(jīng)下料斗二次攪拌后通過(guò)工業(yè)充填泵泵送至井下充填鉆孔充填冒落區(qū)。試驗(yàn)采用KOS25100HP工業(yè)充填泵，最高泵送壓力14 MPa，最大輸送量150 m3/h，充填主管路為DN245×22Q345B(16 Mn)，總長(zhǎng)1 840 m，總高程差約175 m?，F(xiàn)場(chǎng)充填試驗(yàn)工藝流程如圖9所示。

3.2 充填材料選擇

為了提高冒落區(qū)殘余空間的利用率，需將矸石破碎到一定粒徑級(jí)配作為骨料，并按比例配制成具有流動(dòng)性好、擴(kuò)散能力強(qiáng)、泌水率小的漿體。試驗(yàn)矸石的破碎粒徑<3 mm，粒徑占比如圖10所示。

充填試驗(yàn)選用H-2，S-1和Y-1共3種配比漿體，所選用漿體矸石占比大、泌水率小、成本低，但因矸石參量不同，不同配比漿體的流動(dòng)性和擴(kuò)散能力有差異。為避免堵管，試驗(yàn)添加一定量的添加劑，同時(shí)配置灰漿用于充填前后潤(rùn)管，漿體配比參數(shù)及特點(diǎn)見表2。

表2 漿體配比參數(shù)

3.3 充填鉆孔設(shè)計(jì)

依據(jù)礦井前期研究成果，3#煤層覆巖冒落帶高度為21～26 m?；谠囼?yàn)工作面冒落帶高度發(fā)育規(guī)律，設(shè)計(jì)高位孔如下：高位孔布置5#，6#，7#共3個(gè)，間距6 m，仰角分別為31°，45°，40°，實(shí)際施工孔深分別是18，20，40 m，終孔高度分別為15.3，20.1，31.7 m，終孔位置與煤柱水平距離為5.1，2.6，19.1 m。為充分考察漿體擴(kuò)散規(guī)律，低位水平充填孔布置1#，2#，3#，12#，13#共5個(gè)，間距12，15 m，用12#，13#，4#水平孔兼作應(yīng)急廢料孔，充填鉆孔布置如圖11所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間15 d，合計(jì)充填漿體4 949 m3，處理矸石約6 414 t。其中，高位孔充填2 421 m3，低位孔充填漿體總體積為2 545 m3，各充填孔試驗(yàn)充填量見表3。

表3 充填量統(tǒng)計(jì)

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出了以下結(jié)論。

1)2#水平孔充填全過(guò)程孔口無(wú)壓力，平均流量為120 m3/h，回撤通道有少量漿體溢出，擴(kuò)散距離為42 m，表現(xiàn)出無(wú)壓階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、流量大的特點(diǎn)，主要以走向方向無(wú)壓淌流式擴(kuò)散為主。

2)5#高位孔首次充填1 063 m3，充填起始階段壓力有小微波動(dòng)，二次充填漿體累計(jì)2 183 m3時(shí)孔口壓力仍未出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，充填期間13#平孔有少量水析出，漿體的實(shí)際擴(kuò)散距離約為47 m，相比而言，高位孔充填覆蓋冒落區(qū)垂向空間大，更利于漿體水平方向擴(kuò)散以及冒落區(qū)多類型殘余空間的精準(zhǔn)高效利用。

3)12#，13#低位孔受鄰近2#，5#孔充填的影響，充填量偏低，漿體沿傾向向深部擴(kuò)散的動(dòng)力不足，深部殘余空間利用較低，結(jié)合2#，5#孔充填過(guò)程處于無(wú)壓狀態(tài)的特點(diǎn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)漿體擴(kuò)散存在“通道效應(yīng)”，即漿體在擴(kuò)散過(guò)程中，普遍會(huì)選擇阻力最小的“空洞”區(qū)域擴(kuò)散。通過(guò)高位孔、低位孔協(xié)同可顯著降低或解除“通道效應(yīng)”和高效利用冒落區(qū)殘余空間，但增大了鉆孔工程量，因此對(duì)工程尺度上合理確定高、低位充填鉆孔參數(shù)提出要求。

4)通過(guò)冒落區(qū)高、低位充填孔均可以安全高效充填矸石漿體，試驗(yàn)得出本次試驗(yàn)工作面冒落區(qū)單側(cè)的延米充填量為31.9～58.9 m3。由于試驗(yàn)區(qū)為整個(gè)冒落區(qū)的一部分，相當(dāng)于無(wú)封閉邊界約束，無(wú)壓充填漿體呈椎體形態(tài)擴(kuò)展，在采用單孔充填時(shí)，存在孔口正下方漿體堆積厚度較大、兩側(cè)漿體則較薄的特點(diǎn)，因此，本次試驗(yàn)冒落區(qū)殘余空間未完全利用，實(shí)際延米充填量低于理論延米充填量。

4 結(jié) 論

1)指出韓城礦區(qū)煤矸石處理與利用應(yīng)遵循減量化排放、源頭治理、“采-充”平衡、經(jīng)濟(jì)高效和環(huán)境效益最佳的原則，基于冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律揭示冒落區(qū)矸石流態(tài)化充填技術(shù)原理。

2)根據(jù)冒落巖塊孔隙率與分維數(shù)關(guān)系，結(jié)合冒落區(qū)殘余空間的分區(qū)特性，得出試驗(yàn)工作面理論預(yù)計(jì)殘余空間占采空區(qū)體積比約為23.3%。同時(shí)采用瞬變電磁法對(duì)試驗(yàn)工作面冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律進(jìn)行了地表探查研究，推斷研究區(qū)內(nèi)空區(qū)(含水)異常區(qū)域4處，推斷空區(qū)(不含水)異常區(qū)域5處，實(shí)際探測(cè)到的冒落區(qū)殘余空間面積占整個(gè)研究區(qū)的23.5%，探測(cè)結(jié)果為精準(zhǔn)利用冒落區(qū)殘余空間提供了指導(dǎo)。

3)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證冒落區(qū)高、低位充填孔均可以安全高效充填矸石漿體，總結(jié)了高、低位充填孔充填的工藝特點(diǎn)，得出試驗(yàn)工作面冒落區(qū)單側(cè)的延米充填量為31.9～58.9 m3。研究成果為韓城礦區(qū)大規(guī)模低成本處理矸石奠定了空間容量設(shè)計(jì)依據(jù)。