基于綠色開(kāi)采理念的覆巖離層注漿充填技術(shù)研究

王小軍

(中煤地生態(tài)環(huán)境科技有限公司, 北京 豐臺(tái) 100071)

新型覆巖離層注漿是一種有效控制地表沉降,保護(hù)含水層,防止沖擊地壓,釋放壓覆煤炭資源的綠色開(kāi)采技術(shù)。錢鳴高等[1-2]首次提出綠色開(kāi)采的概念,其內(nèi)容包含建筑物下開(kāi)采與離層注漿減沉;許家林等[3]構(gòu)建的綠色開(kāi)采技術(shù)體系中提到減沉開(kāi)采,目的是為了取得更大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益;朱衛(wèi)兵等[4]提出了“覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填”技術(shù),并將該技術(shù)應(yīng)用于淮北某礦,利用煤矸石破碎制粉和粉煤灰混合作為骨料充至離層區(qū),實(shí)現(xiàn)了綠色采煤;劉建功等[5]表明實(shí)施充填開(kāi)采消除了矸石對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染,并取得了良好的生態(tài)和社會(huì)效益;韓磊[6]指出覆巖離層注漿充填作為綠色開(kāi)采方式之一,不僅可規(guī)?；{煤矸石、粉煤灰等煤基固廢,還能有效控制地表沉降。

研究表明[7-9],離層注漿技術(shù)在國(guó)內(nèi)“三下”開(kāi)采應(yīng)用較為廣泛,是一種高效低成本采煤技術(shù);是一種有效消納粉煤灰、煤矸石等大宗廢棄物的新型綠色開(kāi)采技術(shù),通過(guò)固廢無(wú)害化及規(guī)模化處置方案,實(shí)現(xiàn)了資源開(kāi)采與環(huán)境治理的協(xié)調(diào)發(fā)展。新型覆巖離層注漿的應(yīng)用與推廣對(duì)于推進(jìn)綠色礦山生態(tài)文明建設(shè)具有創(chuàng)新性,具有廣闊的前景。本文在已有研究基礎(chǔ)上,通過(guò)分析特殊地層離層注漿技術(shù)原理,對(duì)注漿工作面埋深較大;覆巖主關(guān)鍵層厚度較大,在200 m左右及以上,且?guī)r性非常堅(jiān)硬;注漿層位間隔導(dǎo)水裂隙帶安全距離需大于6倍采高;注漿區(qū)域無(wú)明顯斷層等特殊地層實(shí)施覆巖離層注漿技術(shù)進(jìn)行研究。

1 固廢充填材料概況

目前,堆存和填埋仍然是粉煤灰和煤矸石的主要處置方式,且尚未大規(guī)模利用,長(zhǎng)期堆積不僅占用大量的土地,而且其中的有害物質(zhì)經(jīng)雨水沖刷浸入地表,對(duì)周圍水資源和土壤環(huán)境造成嚴(yán)重影響。當(dāng)前我國(guó)粉煤灰和煤矸石等固廢資源化利用主要集中于水泥、混凝土等建筑材料。

十部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確指出,要提高大宗固廢資源利用效率,拓寬粉煤灰、煤矸石等大宗固廢利用途徑,如何規(guī)模化、無(wú)害化處理固廢也是目前亟需解決的問(wèn)題。

2 覆巖離層注漿充填機(jī)理

注漿的本質(zhì)是為了消納矸石、粉煤灰等固廢,而能否注漿取決于可注空間,可注空間即為覆巖離層的形成,注入量多少即為可注空間大小。離層是工作面開(kāi)采過(guò)程中,巖層由下向上層層剝離或卸荷,在巖層層面產(chǎn)生拉、剪破壞后出現(xiàn)的力學(xué)現(xiàn)象。

垂直方向上,離層位置動(dòng)態(tài)變化,其產(chǎn)生位置易發(fā)點(diǎn)往往是相鄰巖層互層,當(dāng)下位巖層屬于軟弱巖層,而上位相鄰巖層為硬巖層或者中硬巖層時(shí),下位巖層就會(huì)從上位巖層中逐漸剝離開(kāi)來(lái),巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生拉剪破斷,起到卸荷作用,而此時(shí)上位巖層承擔(dān)剩余絕大部分載荷,支承結(jié)構(gòu)稱為覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu),下方被剝離開(kāi)來(lái)的那部分空間即為離層空間。

當(dāng)上、下位巖層均為硬巖或中硬巖層,而中間巖層為軟弱巖層時(shí),隨著工作面推進(jìn),下位巖層逐漸懸露,當(dāng)懸露面積達(dá)到一定值,懸露段巖層首先破斷下移,中間軟弱層在垂直方向無(wú)法支撐呈鉸接結(jié)構(gòu),相繼破斷下移,此時(shí),上位巖層又起到支撐上覆載荷作用,巖層下方剝離開(kāi)來(lái)的那部分空間又為離層空間。

以此類推,覆巖直至破斷運(yùn)移到厚且堅(jiān)硬的主關(guān)鍵層下方形成離層空間,將地面制好的漿液以“泵送+管路”的形式注入離層空間,既起到消納矸石的作用,又起到承載上覆巖層載荷,對(duì)井下工作面安全開(kāi)采具有重大意義。覆巖離層注漿充填關(guān)鍵層階段破斷原理示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 注漿關(guān)鍵層階段破斷示意圖

由圖1可知,離層空間位置處于動(dòng)態(tài)運(yùn)移狀態(tài),且離層空間屬于彈性空間,并非一成不變,離層下方巖層受自重破碎擠壓呈弱鉸接,為了能夠有效消納矸石,在泵送注漿系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),可適當(dāng)加大注漿壓力,促進(jìn)裂隙發(fā)育,壓實(shí)采空區(qū),從而增大注漿充填量以及注采比?；訋r層中,離層因覆巖關(guān)鍵層而存在,隨著工作面的推進(jìn),離層量不斷增加,最大離層量位于采空區(qū)中部,隨著離層位置向上發(fā)育,離層空間逐漸減小,主要與巖層碎脹有關(guān),故在保證井下生產(chǎn)安全的條件下,注漿層位越靠近煤層,越有利于注漿。主關(guān)鍵層初次破斷前的離層量大,易于注漿充填;而一旦關(guān)鍵層初次破斷后,關(guān)鍵層下離層量明顯變小,縮小為初次破斷前的25%～30%,注漿難度也隨之加大。因此,離層注漿必須在主關(guān)鍵層初次破斷前進(jìn)行。

3 注漿可行性分析

優(yōu)越的地質(zhì)條件是注漿施工的基礎(chǔ),如地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,地形高差起伏較小,地面建筑物較少,注漿區(qū)域無(wú)斷層,注漿工作面埋深較大,基巖厚度大等,除此以外,充填材料的選取和供求、漿液濃度的大小及離層空間發(fā)育也是注漿所需基本條件。

1) 充填材料。

覆巖離層注漿材料有煤矸石、粉煤灰、煤泥、礦井水等,充填材料量的充足與否直接關(guān)系到注漿的可行性。

2) 漿液濃度。

漿液水灰比的把控需要在正式注漿前進(jìn)行試驗(yàn)分析,漿液濃度過(guò)稀,水灰比越大,漿液進(jìn)入離層空間后凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng),抗壓強(qiáng)度較小,對(duì)上覆巖層起不到承載作用;漿液濃度過(guò)稠,水灰比越小,漿液進(jìn)入離層空間后凝結(jié)時(shí)間越短,抗壓強(qiáng)度較大,對(duì)上覆巖層起承載作用,但對(duì)于漿液管道輸送環(huán)節(jié)有很大影響,尤其是針對(duì)遠(yuǎn)距離輸漿工程。因此,合理的漿液濃度有利于注漿施工。

3) 離層空間。

離層空間即為漿液最終儲(chǔ)存地,空間大小受采高和結(jié)構(gòu)互層影響,采高是直接導(dǎo)致覆巖地層在垂直方向的剝離程度,互層結(jié)構(gòu)的存在使得離層隨著工作面推進(jìn)而動(dòng)態(tài)發(fā)育,工程實(shí)踐中,為保證注漿效果及注漿量,需注漿工作面采高較大。離層注漿位置示意圖見(jiàn)圖2,當(dāng)工作面采高較大時(shí),覆巖主關(guān)鍵層與下部軟弱層結(jié)構(gòu)互層,離層便會(huì)形成。

圖2 離層注漿位置走向示意圖

4) 主關(guān)鍵層。

隨著工作面開(kāi)采,覆巖呈現(xiàn)周期性破斷,如前文所述,當(dāng)主關(guān)鍵層厚且堅(jiān)硬,此時(shí)相鄰軟弱層便會(huì)首先破斷,離層發(fā)育到主關(guān)鍵層下方時(shí)刻,主關(guān)鍵層形似“板狀”起到“承載”作用,離層空間處于自由狀態(tài),此時(shí)注漿為最佳時(shí)機(jī)。

4 注漿關(guān)鍵性要素

1) 注漿層位。

覆巖離層注漿技術(shù)要求注漿層位位于導(dǎo)水裂隙帶上方,覆巖主關(guān)鍵層下方互層層位,《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中規(guī)定了導(dǎo)水裂隙帶的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,其導(dǎo)水裂隙帶高度應(yīng)以實(shí)測(cè)為主。在導(dǎo)水裂隙帶之上并留設(shè)5倍采高的保護(hù)厚度,防止注漿區(qū)域?qū)ú煽諈^(qū)。

2) 注漿壓力。

注漿充填壓力的設(shè)定。注漿壓力應(yīng)大于注漿充填層位以上地層的自然地壓。注漿壓力表示為:

P注≥P地

(1)

式中:P注為注漿充填壓力,MPa;P地為注漿充填層以上地層自然壓力,MPa.

注漿充填鉆孔孔口的注漿壓力P孔:

P孔=H注(γ-γ1)

(2)

式中:H注為地表到注漿充填層位的距離,m;γ為注漿充填層以上地層的綜合比重,g/cm3;γ1為充填漿液的比重,g/cm3.

3) 注漿時(shí)機(jī)。

工程經(jīng)驗(yàn)表明,離層充填時(shí)機(jī)應(yīng)在選定的關(guān)鍵層下方開(kāi)始產(chǎn)生離層時(shí)進(jìn)行,離層空間隨著煤層的開(kāi)采逐步形成,離層注漿充填應(yīng)緊跟回采工作面,保證關(guān)鍵層不斷裂,防止離層空間壓實(shí)閉合,保證注漿空間。當(dāng)鉆孔產(chǎn)生離層裂隙時(shí)即開(kāi)始注漿。離層的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要依靠水壓監(jiān)測(cè),通過(guò)壓水試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)水壓變化從而判斷離層的產(chǎn)生時(shí)機(jī),水壓監(jiān)測(cè)在注漿前進(jìn)行,當(dāng)水壓驟降幅度較大,說(shuō)明離層已經(jīng)形成,當(dāng)水壓驟降值接近為0 MPa時(shí),開(kāi)始注漿。

注漿時(shí)機(jī)也可依據(jù)滯后影響距離來(lái)判斷離層形成。根據(jù)巖層移動(dòng)破斷角、煤層埋藏深度和鉆孔深度,計(jì)算滯后影響距離,巖層破斷角大小與煤層厚度(采高)、開(kāi)采距離、覆巖巖性、巖層破斷距等有關(guān),注漿時(shí)機(jī)確定方式如下:

L1=H-H注-M

(3)

(4)

式中:L1為注漿層位與煤層頂板的垂直距離,即垂距,m;H為地表距離煤層底板埋深,m;M為工作面煤層厚度,即采高,m;L2為工作面煤壁與注漿鉆孔水平間距,即滯后距,m;β為巖層破斷角,(°).

穩(wěn)妥考慮注漿效率,注漿時(shí)機(jī)段應(yīng)為滯后影響距離最小時(shí),越利于注漿。當(dāng)巖層規(guī)律破斷時(shí),巖石移動(dòng)角按照65°～85°進(jìn)行理論計(jì)算,如遇巖層發(fā)生整體切落情況,巖層移動(dòng)角按照89°進(jìn)行理論計(jì)算,工作面與注漿鉆孔空間位置分布見(jiàn)圖3. 因注漿時(shí)機(jī)與工作面開(kāi)采位置相關(guān),圖3僅代表工作面開(kāi)采位置與注漿鉆孔空間位置的分布,滯后距指的是在垂直方向上,沿著工作面推進(jìn)方向,工作面當(dāng)前位置與注漿鉆孔的水平距離,而實(shí)際注漿時(shí)機(jī)具體確定方法應(yīng)參考所列公式。

圖3 工作面與注漿鉆孔空間位置分布示意圖

5 注漿工程實(shí)踐與應(yīng)用

石拉烏素煤礦位于鄂爾多斯市呼吉爾特礦區(qū)東北部,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1000萬(wàn)t/a,核定生產(chǎn)能力為800萬(wàn)t/a. 據(jù)調(diào)查,2018-2022年,煤矸石平均年產(chǎn)量100萬(wàn)t,為積極響應(yīng)當(dāng)?shù)毓虖U處置,加快推進(jìn)綠色生態(tài)建設(shè),采用覆巖離層注漿充填技術(shù)進(jìn)行煤矸石處置,首注面為1208綜放工作面。

1208工作面煤厚9 m,位于221采區(qū)中南部,屬2-2煤層。工作面長(zhǎng)289 m,膠運(yùn)順槽推進(jìn)長(zhǎng)度3 243.7 m,輔運(yùn)順槽3 233.7 m,平均3 238.7 m,工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法,綜采放頂煤工藝開(kāi)采,工作面標(biāo)高+685.4～+697.8 m,平均+691.6 m,工作面上方地面標(biāo)高+1 337.9～+1 355.9 m,平均+1 346.9 m.2-2煤層頂板巖性以砂質(zhì)泥巖為主、砂巖次之,底板巖性以砂質(zhì)泥巖為主,局部為泥巖,采區(qū)無(wú)斷層分布,工作面導(dǎo)水裂隙帶高度約為225 m,主關(guān)鍵層為厚度295.16 m的細(xì)粒砂巖,主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層均與下方緊鄰巖層互層,離層較為發(fā)育。

該項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)矸石處置能力150萬(wàn)t/a,注漿能力270 m3/h,采用兩級(jí)注漿站注漿,一級(jí)注漿站主要為制漿系統(tǒng),漿液密度為1.30～1.42 kg/m3,二級(jí)注漿站起到中轉(zhuǎn)輸漿作用,通過(guò)“泵送+管路”的方式,將漿液注入鉆孔,泵送能力最大100 m3/(h·臺(tái)),首注1208工作面現(xiàn)已施工注漿鉆孔6個(gè),注漿鉆孔布置見(jiàn)圖4.

圖4 注漿鉆孔布置圖

注1孔正式注漿時(shí)機(jī)為滯后距20.4 m,壓水試驗(yàn)時(shí)流量80～90 m3/h,持續(xù)壓水30～60 min,該孔對(duì)應(yīng)泵壓和孔壓均接近0 MPa,此時(shí)判斷為注漿時(shí)機(jī);注2孔正式注漿時(shí)機(jī)為滯后距27.6 m,注3孔正式注漿時(shí)機(jī)為滯后距36.5 m,注漿時(shí)機(jī)判斷均和注1孔類似,注1、2、3孔同時(shí)注漿。

2022年11月正式開(kāi)始注漿截止到2023年5月,累計(jì)處置煤矸石約59萬(wàn)t,累計(jì)注入漿液122萬(wàn)m3,煤矸石日處理量最大可達(dá)4700 t,按照每年煤矸石處置110萬(wàn)t計(jì)劃,現(xiàn)煤矸石處置率將近53.6%,實(shí)現(xiàn)了固廢消納,減少了煤矸石堆存,節(jié)約了外排費(fèi)用,緩解了地表沉降。通過(guò)地表沉降數(shù)據(jù)分析,注漿區(qū)域較非注漿區(qū)域地表沉降速度明顯降低,在注漿區(qū)域,地表下沉速度為0.8～1.2 mm/d,較非注漿區(qū)域減少80%～87%,有效改善了地表沉降,保護(hù)了地表水資源的流失,實(shí)現(xiàn)了工作面同采同注,釋放了煤炭資源,對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)起到積極的效應(yīng),該項(xiàng)目現(xiàn)為內(nèi)蒙古自治區(qū)礦山建設(shè)的示范工程。

6 注漿社會(huì)效應(yīng)

1) 減征資源稅。

國(guó)家稅務(wù)總局發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施煤炭資源稅改革的通知》中明確指出,對(duì)衰竭期煤礦充填開(kāi)采置換出來(lái)的煤炭減征資源稅50%.鼓勵(lì)煤炭企業(yè)提高資源回采率,保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

2) 控制地表沉降。

通過(guò)離層注漿,使得覆巖離層空間再次被充填壓實(shí),起到支撐上覆巖層載荷作用,有效控制了注漿層位上部巖層對(duì)下部的載荷傳遞,緩解了地表沉降速率。

3) 消納礦井固廢。

礦井開(kāi)采必然產(chǎn)生固廢,包括煤矸石、粉煤灰、礦井廢水、廢渣等,隨著綠色礦山生態(tài)文明建設(shè)的號(hào)召,礦井固廢“從哪里來(lái),回哪里去”的原則已在全國(guó)各地實(shí)行,其中山西、陜西、內(nèi)蒙古自治區(qū)地區(qū)應(yīng)用較為廣泛。

4) 保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

各地政府堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先,綠色發(fā)展的原則,認(rèn)真貫徹落實(shí)資源與環(huán)境相協(xié)調(diào)工作,離層注漿工程的應(yīng)用及實(shí)施,推進(jìn)了綠色礦山生態(tài)文明建設(shè)步伐,實(shí)現(xiàn)了綠色開(kāi)采,同時(shí)避免了固廢外排影響礦區(qū)周邊土壤土質(zhì),減小了地表水流失。

7 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)系統(tǒng)闡述覆巖離層注漿充填機(jī)理,建立了覆巖離層注漿關(guān)鍵層階段破斷基本模型,揭示了覆巖離層空間動(dòng)態(tài)運(yùn)移特征。

2) 覆巖離層注漿充填技術(shù)可行性應(yīng)綜合考慮充填材料、漿液濃度、離層空間、主關(guān)鍵層等因素,其中主關(guān)鍵層厚且堅(jiān)硬,與下部巖層結(jié)構(gòu)互層是注漿空間形成的關(guān)鍵。

3) 注漿層位確定、注漿壓力的計(jì)算、注漿時(shí)機(jī)的掌握對(duì)于覆巖離層注漿施工及應(yīng)用至關(guān)重要,而注漿時(shí)機(jī)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注漿生產(chǎn)情況實(shí)時(shí)調(diào)整。

4) 提出了一種注漿時(shí)機(jī)以“滯后距”為依據(jù)的確定方法,該方法適用于特殊地層條件注漿,為類似礦井注漿生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

5) 覆巖離層注漿技術(shù)有效解決了礦井大宗固廢的外排問(wèn)題,該技術(shù)的創(chuàng)新與完善對(duì)未來(lái)更好更全面地服務(wù)于綠色礦山發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。