煤矸石覆巖離層注漿充填技術(shù)研究與實(shí)踐

康永明

(內(nèi)蒙古北聯(lián)電能源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 高頭窯煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略西移和綠色開(kāi)采的現(xiàn)實(shí)要求，煤炭開(kāi)采進(jìn)入新的發(fā)展階段，西部地區(qū)大規(guī)模高強(qiáng)度開(kāi)采產(chǎn)生的煤矸石綜合利用引發(fā)廣泛關(guān)注[1]，煤矸石地表堆積處理占用大量土地，且污染嚴(yán)重；用于發(fā)電、鋪路、生產(chǎn)建材、化工原料、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品等也存在二次污染或處理量小等問(wèn)題[2]. 近年來(lái)，我國(guó)環(huán)保政策要求逐漸趨嚴(yán)，部分礦區(qū)開(kāi)始探索充填采煤技術(shù)并取得了一定成效[3-5]. 離層注漿技術(shù)是指在掌握采空區(qū)上覆巖層離層發(fā)育基礎(chǔ)上，在地面制備粉煤灰漿液，通過(guò)地面鉆孔將漿液填充離層區(qū)抑制巖層沉降，達(dá)到保護(hù)地表設(shè)施的目的。該技術(shù)可布置在常規(guī)工作面中，不影響原有生產(chǎn)工藝,操作簡(jiǎn)單、充填成本低。

某礦井位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯，年設(shè)計(jì)產(chǎn)量千萬(wàn)噸，年產(chǎn)矸石約300萬(wàn)t，由于外排場(chǎng)地容量有限及環(huán)保政策緊縮嚴(yán)重制約正常生產(chǎn)，在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外煤矸石利用現(xiàn)狀和充填開(kāi)采技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了采用煤矸石覆巖離層注漿充填技術(shù)。

1 煤矸石覆巖離層注漿充填采煤技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

煤矸石覆巖離層注漿是部分充填采煤技術(shù)的一種，見(jiàn)圖1. 其原理是在地面制漿站將煤矸石、粉煤灰和水混合形成均勻漿體，利用工作面后方區(qū)域非充分采動(dòng)形成的離層區(qū)域，通過(guò)地面鉆孔在采動(dòng)覆巖離層區(qū)高壓注入煤矸石漿液充填，注漿區(qū)域包括橫向離層區(qū)域和豎向破斷區(qū)域，形成一定范圍的充填壓實(shí)區(qū)維護(hù)關(guān)鍵層穩(wěn)定，限制覆巖下沉，達(dá)到處理矸石和控制地表沉陷的雙重目的。

圖1 覆巖離層注漿技術(shù)圖

1.2 技術(shù)關(guān)鍵

為防止離層區(qū)域內(nèi)漿液材料流失進(jìn)入工作面造成井下排水量增加，漿液注射范圍需控制在斷裂帶上方、彎曲下沉帶下部某層位，以及確定合理的注漿材料和注漿參數(shù)。注漿材料在保證料漿流動(dòng)性能條件下，應(yīng)盡可能增加矸石含量；注漿參數(shù)包括關(guān)鍵層和注漿層的層位確定、注漿時(shí)機(jī)、注漿壓力等。

1) 關(guān)鍵層層位。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論計(jì)算相結(jié)合的方式確定關(guān)鍵層的層位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔地質(zhì)資料、聲波測(cè)井、井下鉆孔電視等手段確定關(guān)鍵層巖性、厚度、埋深等參數(shù)，并結(jié)合固支梁假設(shè)計(jì)算關(guān)鍵層破斷距。

結(jié)合礦區(qū)BK105 鉆孔柱狀圖，采用關(guān)鍵層判別方法，判別得到關(guān)鍵層層位，見(jiàn)表1.

表1 關(guān)鍵層位置信息表

2) 注漿充填層位。目前該礦12上煤埋深在350～430 m，煤層平均厚度5 m，為了確定注漿充填層位，根據(jù)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院編制的《神東礦區(qū)“三帶”發(fā)育規(guī)律研究報(bào)告》，3.5～6 m煤層裂隙帶高度計(jì)算公式為：

(1)

其中，m為累計(jì)采厚，m，取143.87.

根據(jù)式(1)計(jì)算出煤層裂隙帶高度取96.9 m，通過(guò)工作面煤層鉆孔所獲取的巖層信息，采用關(guān)鍵層判別方法預(yù)測(cè)裂隙帶范圍內(nèi)的關(guān)鍵層組數(shù)，留設(shè)5倍采高的安全距離，初步確定主注漿層位為231 m關(guān)鍵層下離層，二次補(bǔ)償注漿層位為 211 m關(guān)鍵層下離層。

3) 注漿充填時(shí)機(jī)。離層注漿時(shí)機(jī)需要根據(jù)覆巖離層區(qū)發(fā)育規(guī)律及目標(biāo)關(guān)鍵層的穩(wěn)定控制要求進(jìn)行選擇，即在滿足目標(biāo)關(guān)鍵層不發(fā)生破斷情況下，達(dá)到最高的注漿充填量。初次充填時(shí)機(jī)為目標(biāo)關(guān)鍵層下方離層時(shí)開(kāi)始注漿，即注漿孔位于工作面超前支承壓力峰值區(qū)域時(shí)實(shí)施注漿，工作面開(kāi)采前提前打好注漿孔，在孔中注入高壓水，當(dāng)鉆孔中水體漏失量突然增大時(shí)，進(jìn)行初次注漿，注漿孔位置計(jì)算公式：

(2)

經(jīng)計(jì)算,上煤三盤(pán)區(qū)工作面支承壓力峰值位置位于工作面煤壁前方14.2 m.

4) 注漿充填壓力。鉆孔注漿壓力應(yīng)不小于充填層位以上巖層自然地壓，保證離層區(qū)域穩(wěn)定性并促進(jìn)離層區(qū)發(fā)育。在實(shí)際施工過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)充填鉆孔上口注漿壓力來(lái)控制注漿區(qū)穩(wěn)定性，考慮到鉆孔高度差，孔口注漿壓力計(jì)算如式(3)；注漿泵壓力需考慮料漿在管道輸送過(guò)程中的沿程和局部阻力損失，注漿泵壓力計(jì)算見(jiàn)式(4):

P孔=H(γ-γ1)

(3)

P泵=P孔+hf

(4)

經(jīng)計(jì)算，注漿泵壓力為5.5 MPa，注漿孔壓力為2.5 MPa，沿程損失為3 MPa.

5) 注漿鉆孔布置。注漿鉆孔位置及數(shù)目與漿體擴(kuò)散半徑、工作面尺寸等因素相關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)較好的充填效果，應(yīng)綜合考慮施工成本、技術(shù)難度。沿走向布置在工作面中部，每組可布置多個(gè)鉆孔，保證對(duì)關(guān)鍵層下最大離層處進(jìn)行及時(shí)充填，鉆孔深度需要打到離層發(fā)育的關(guān)鍵層下。沿走向相鄰兩鉆孔間距應(yīng)不大于漿液擴(kuò)散半徑的2倍：

W≤2KjRK

(5)

帶入計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際效益，選取注漿孔間距200 m.

2 注漿材料與充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 注漿材料配比試驗(yàn)

合理的漿液配比是保證煤矸石注漿效果的前提。為研究料漿濃度、煤矸石和粉煤灰比例對(duì)注漿材料流動(dòng)和泌水性能的影響，設(shè)置不同水灰比、矸石粉煤灰比進(jìn)行充填材料配比試驗(yàn)。矸石來(lái)自于該礦排矸場(chǎng)；粉煤灰來(lái)自礦區(qū)附近電廠，灰黑色，為低鈣粉煤灰；所用水為礦井廢水。采用篩分法和激光粒度分析法對(duì)試驗(yàn)所用煤矸石及粉煤灰粒徑分布進(jìn)行測(cè)試，見(jiàn)圖2，經(jīng)過(guò)破碎后最大粒徑不超過(guò)10 mm，其中0～5 mm占68%，5～8 mm占27%，8～10 mm占5%，級(jí)配良好；粉煤灰粒徑分布為1～100 μm，最大粒徑不超過(guò)100 μm.

圖2 矸石及粉煤灰粒徑分布圖

試驗(yàn)前準(zhǔn)備過(guò)程包括配料、稱重、攪拌等步驟，料漿攪拌均勻后，采用坍落度筒和泌水率筒測(cè)試料漿坍落度和泌水率，試驗(yàn)分為2組，其中第一組固定矸石∶粉煤灰=6∶1，改變料漿濃度，分別為40%、44%、48%、52%、56%、60%、64%；第二組固定料漿濃度為55%，改變矸石∶粉煤灰比例，分別為 6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶0，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3a)為不同質(zhì)量濃度條件下注漿材料的坍落度和泌水率?？梢钥闯鲈诓煌|(zhì)量濃度下，注漿材料的坍落度不低于250 mm，各配比下料漿的流動(dòng)性能良好，隨著注漿材料的濃度逐漸增加，坍落度不斷減小，當(dāng)料漿濃度從40%增加至60%時(shí)，料漿坍落度從275 mm降低至254 mm，注漿材料濃度增加降低了料漿的和易性。因此在注漿過(guò)程中需控制料漿的濃度，保證料漿的流動(dòng)性防止堵管。隨著濃度增加，料漿的泌水率不斷減小，當(dāng)料漿濃度從40%增加60%時(shí)，料漿泌水率從33%降低至19%，說(shuō)明料漿濃度越高，固水性能越好。圖3b)為質(zhì)量濃度為 50%時(shí)，不同矸石與粉煤灰質(zhì)量比下注漿材料的坍落度和泌水率?？梢钥闯鲭S著矸石與粉煤灰比率逐漸增加，注漿材料的坍落度增加、泌水率減小，粉煤灰中的細(xì)顆粒含量減小，在料漿中起到潤(rùn)滑作用。

圖3 注漿材料坍落度及泌水率圖

2.2 覆巖離層注漿充填系統(tǒng)

煤矸石覆巖離層注漿充填系統(tǒng)主要分為制漿系統(tǒng)、輸漿系統(tǒng)及注漿系統(tǒng)3大部分。地面制漿系統(tǒng)的工藝流程包括運(yùn)輸、破碎、磨細(xì)、攪拌、注漿、充填等，矸石經(jīng)過(guò)破碎后最大粒徑不超過(guò)10 mm；制漿系統(tǒng)將破碎后的矸石、粉煤灰、水經(jīng)過(guò)分級(jí)攪拌后，混合成均勻料漿通過(guò)管道輸送。根據(jù)該礦實(shí)際情況，該系統(tǒng)年矸石輸送量200萬(wàn)t，漿液濃度60%；共設(shè)置兩個(gè)輸漿孔，孔內(nèi)徑為273 mm，輸送主泵型號(hào)SGMB350-10.0，管道輸送最大壓力8 MPa，地面鉆孔孔口余壓1 MPa.

3 工業(yè)性應(yīng)用

3.1 工程應(yīng)用情況

首注工作面選擇12上301工作面，該工作面長(zhǎng)300 m，采高5 m，工作面年推進(jìn)長(zhǎng)度2 650 m，12上煤埋深為350～430 m，確定主注漿層位為231 m，二次補(bǔ)償注漿層位為211 m；注漿孔孔口壓力2.5 MPa，注漿泵壓力5.5 MPa. 注漿充填區(qū)域鉆孔沿工作面走向布置，鉆孔布置于工作面中部，每組2個(gè)鉆孔，孔間距40 m，沿走向鉆孔間距200 m，整個(gè)工作面共布置4組8個(gè)鉆孔。制漿站地點(diǎn)設(shè)立于工業(yè)廣場(chǎng)選煤廠附近綠地，減小矸石運(yùn)輸成本，制漿站矸石處理能力為333 t/h，制漿能力640 m3/h，漿體密度為1.5 g/cm3，注漿站選定明安目獨(dú)風(fēng)井廣場(chǎng)，布置一套200萬(wàn)t/年注漿系統(tǒng)，整個(gè)離層注漿系統(tǒng)實(shí)行計(jì)算機(jī)全自動(dòng)化控制，配料、制漿、攪拌及運(yùn)輸過(guò)程均由計(jì)算機(jī)完成，大幅提高工程效率和質(zhì)量。

3.2 效果評(píng)價(jià)

1) 充填效果分析。為了評(píng)價(jià)充填開(kāi)采效果，在工作面對(duì)應(yīng)地表設(shè)置剖面線普通地表移動(dòng)觀測(cè)站，走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線相互垂直，走向觀測(cè)線長(zhǎng)度450 m，觀測(cè)點(diǎn)16個(gè)，點(diǎn)間距30 m；傾向監(jiān)測(cè)線長(zhǎng)度240 m，觀測(cè)點(diǎn)9個(gè)，點(diǎn)間距30 m. 監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4. 注漿充填后，走向線實(shí)測(cè)最大沉降值在第16個(gè)測(cè)點(diǎn)，最大下沉量為231 mm，傾向線實(shí)測(cè)最大值在第9個(gè)測(cè)點(diǎn)，最大下沉量為214 mm，減沉率為67%.

圖4 工作面地表沉降監(jiān)測(cè)示意圖

2) 經(jīng)濟(jì)效益分析。301工作面覆巖離層注漿技術(shù)正式運(yùn)行實(shí)施3個(gè)月，制漿站日平均處理矸石量約6 500 t，粉煤灰1 300 t，礦井水6 200 t，注漿量約14 000 t；工作面推進(jìn)660 m，平均每年節(jié)約矸石處置費(fèi)用1 000萬(wàn)，資源稅由9%減免至4.5%，促進(jìn)企業(yè)向綠色開(kāi)采轉(zhuǎn)型，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，某礦12上煤主關(guān)鍵層距煤層228 m，主注漿層位為231 m關(guān)鍵層下離層，注漿鉆孔超前工作面14.2 m，注漿泵壓力為5.5 MPa，鉆孔間距為200 m.

2) 注漿材料配比試驗(yàn)結(jié)果顯示，料漿濃度增加后坍落度和泌水率均減小，流動(dòng)性減弱，各組配比下料漿坍落度均大于250 mm；隨著矸石與粉煤灰比例的不斷增加，料漿坍落度逐漸漸加，泌水率減小，粉煤灰顆粒能夠起到潤(rùn)滑作用，增強(qiáng)料漿流動(dòng)和固水性能。

3) 工程應(yīng)用表明，該技術(shù)應(yīng)用效果良好，工作面對(duì)應(yīng)地表實(shí)測(cè)最大下沉量?jī)H為231 mm，平均每日處理矸石6 500 t，每年節(jié)約矸石處置費(fèi)用約1 000萬(wàn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。