綜放開采矸石注漿充填技術(shù)的研究與應(yīng)用

謝 偉，連全東

(1.中國大唐集團能源投資有限責(zé)任公司，北京市西城區(qū)，100052；2. 鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，010300)

煤礦在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的煤矸石[1-2]，在地面建設(shè)煤矸石堆放場進行矸石處理的傳統(tǒng)方式已不符合當(dāng)前的環(huán)保要求[3]。為深入推進煤矸石綜合利用健康有序發(fā)展，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟[4]，減少其對土地資源的占用和對環(huán)境的影響，國家發(fā)展改革委等10部門于2014年12月聯(lián)合發(fā)布了《煤矸石綜合利用管理辦法》，該辦法規(guī)定新建(改擴建)煤礦禁止建設(shè)永久性煤矸石堆放場(庫)，并鼓勵煤矸石井下充填及從煤矸石中回收礦產(chǎn)品。注漿充填技術(shù)作為規(guī)?；幹妹旱V生產(chǎn)矸石的方式之一，具有成本較低、不影響煤礦正常生產(chǎn)等優(yōu)點[5]，該技術(shù)使用煤矸石為原材料，通過篩分破碎將煤矸石研磨后加水制漿，經(jīng)高壓泵送至采空區(qū)，實現(xiàn)煤矸石的規(guī)?；o害化、資源化處置[6]。

基于此，筆者研究了特厚煤層綜放開采條件下采空區(qū)的空間分布規(guī)律，創(chuàng)新實踐了高位鉆孔注漿、采空區(qū)埋管灌漿、采空區(qū)鄰位鉆孔注漿、密閉廢棄巷道內(nèi)灌漿四位立體充填技術(shù)。應(yīng)用結(jié)果證明，該技術(shù)可為特厚煤層綜放開采的煤矸石處置提供參考與借鑒。

1 礦井簡介及煤矸石充填技術(shù)路徑選擇

鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司龍王溝煤礦(以下簡稱“龍王溝煤礦”)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市薛家灣鎮(zhèn)南約3 km處，井田面積41 km2，2020年通過竣工驗收，2021年9月核定生產(chǎn)能力為1 200萬t/a。礦井采用斜井開拓，分別為主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井，3條井筒均位于工業(yè)場地內(nèi)，落底于石炭系太原組6號煤層。6號煤層為主采煤層，近水平，平均厚度為22.3 m，埋深410～620 m。礦井首盤區(qū)采用兩翼跳采的方式布置工作面，工作面傾向為255 m，采用綜合機械化放頂煤開采工藝，全部垮落法管理頂板，綜放工作面原煤含矸率約13%。綜合考慮回采綜放面、開拓大巷、回采巷道及斷層和聯(lián)絡(luò)斜巷的產(chǎn)矸情況，預(yù)計龍王溝煤礦可生產(chǎn)矸石150萬t/a。在特厚煤層開采時，隨著工作面的推進，直接頂不規(guī)則地堆積在采空區(qū)內(nèi)，當(dāng)跨距增大到一定程度時基本頂發(fā)生變形產(chǎn)生裂隙，達到極限強度時基本頂發(fā)生斷裂，堆積在采空區(qū)內(nèi)，由于地表的下沉值遠遠小于井下開采煤層的厚度，在采空區(qū)及上覆巖層內(nèi)還存在大量殘留空間。

目前我國規(guī)模化處理矸石的方式主要有3種，分別是巷道拋矸充填、工作面拋矸充填以及注漿充填[7]，其中巷道拋矸充填主要是通過在工業(yè)廣場、大巷保護煤柱以及“三下”壓煤中掘進充填巷道，或利用廢棄巷道進行煤矸石充填，該種充填方式需要開掘?qū)Ｓ贸涮钕锏溃幚砟芰κ芟锏谰蜻M速度及距離限制，為30～50萬t/a；工作面拋矸充填工藝主要包括普采拋矸充填法和綜采拋矸液壓支架充填法[8-9]，此工藝需要采煤工作面后方區(qū)域短暫形成支撐空間以便于拋矸，放頂煤工作面無法使用該工藝。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，巷道拋矸充填、工作面拋矸充填這2類充填方式處理能力均較小，不能規(guī)?；?、高效穩(wěn)定地解決龍王溝煤礦的矸石排放問題[10]。通過研究分析，大規(guī)模高效處理井下煤矸石必須充分利用開采后的地下空間，才能滿足150萬t/a的煤矸石處理能力，而矸石漿液的流動性和擴散性也可以使其順利地進入狹小破碎的空間，達到充分利用地下空間的目的。

2 龍王溝煤礦大顆粒矸石漿體的流變特性研究

為研究龍王溝煤礦矸石漿體濃度與流動性的相關(guān)性，對充填料漿的最佳濃度進行了測試，從矸石倉取出選后矸石樣品35 t，在25 ℃的室溫條件下配置不同濃度矸石漿液?？紤]到料漿濃度過高或過低均不利于遠距離管道輸送，選取濃度54%～80%的料漿做坍落度實驗，選取濃度40%～70%的料漿做塑性粘度實驗，選取濃度45%～64%的料漿做穩(wěn)定沉降實驗，以期找出最適合管路輸送的濃度范圍。

2.1 坍落度測定

坍落度是評價充填料漿稠度大小、表征充填料漿流動性或抵抗流動變形性能的重要參數(shù)，坍落度越大流動性能越好。大顆粒矸石漿體坍落度實驗如圖1所示，煤矸石充填料漿坍落度曲線如圖2所示。

圖1 大顆粒矸石漿體坍落度實驗

圖2 煤矸石充填料漿坍落度曲線

由圖1和圖2可以看出，當(dāng)料漿濃度高于76%時，漿料幾乎不坍落；當(dāng)濃度為74%時，坍落度為52 mm；當(dāng)濃度為72%時，坍落度為154 mm；當(dāng)濃度為70%時，坍落度為214 mm；當(dāng)濃度為68%時，坍落度為260 mm；當(dāng)濃度為66%時，坍落度為298 mm；當(dāng)濃度低于66%時，充填料漿完全攤平且流動性好，可實現(xiàn)管道自流輸送。

2.2 塑性粘度測定實驗

采用六速旋轉(zhuǎn)粘度計分別測出轉(zhuǎn)速在600、300 r/min的值，使用塑性粘度為轉(zhuǎn)速600 r/min 時的讀數(shù)減去轉(zhuǎn)速300 r/min時的讀數(shù)，作為料漿塑性粘度參考值。煤矸石充填料漿塑性粘度見表1。

表1 煤矸石充填料漿塑性粘度

煤矸石充填料漿粘度值變化曲線如圖3所示。

圖3 煤矸石充填料漿粘度值變化曲線

根據(jù)送檢樣品的塑性粘度實驗可知：當(dāng)煤矸石充填料漿濃度高于66%時，漿體過稠不具備測試價值；當(dāng)煤矸石充填料漿濃度由64%降為60%時，料漿塑性粘度值由42 mPa·s迅速降為13 mPa·s；當(dāng)煤矸石充填料漿濃度為58%～50%時，塑性粘度值均為11 mPa·s，粘度較小且流動性好；當(dāng)矸石充填料漿濃度低于50%時，粘度持續(xù)下降，流動性極好。

2.3 穩(wěn)定沉降實驗

為了驗證不同濃度煤矸石料漿的穩(wěn)定性以及沉淀效果，在25 ℃的室溫條件下分別配置濃度為64%、60%、55%、50%和45%的煤矸石充填料漿，料漿經(jīng)10 min混合攪拌后靜置2 h，觀察靜止沉降結(jié)果。穩(wěn)定沉降實驗如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定沉降實驗

由圖4可以看出，當(dāng)濃度高于55%時，矸石充填料漿保持穩(wěn)定，無沉降現(xiàn)象；當(dāng)濃度為50%～55%時，矸石充填料漿出現(xiàn)少量沉降泌水現(xiàn)象；當(dāng)濃度在50%以下時，矸石充填料漿在靜止過程中出現(xiàn)離析分層現(xiàn)象。

2.4 煤矸石充填料漿濃度選擇

通過大顆粒煤矸石漿體材料流變特性試驗測定分析可知，龍王溝煤礦煤矸石具備較好的制漿充填的前提條件，且當(dāng)充填煤矸石料漿濃度為55%～60%時，料漿未產(chǎn)生粗細顆粒分離或大量泌水等不良現(xiàn)象，保水性能、流動性和穩(wěn)定性均較好，具備大顆粒矸石漿體材料遠距離高效輸送的基礎(chǔ)條件。調(diào)研國內(nèi)目前運行煤矸石漿體材料項目后發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)企業(yè)目前以球磨工藝為主，制漿顆粒一般小于1 mm，而龍王溝煤礦破碎工藝創(chuàng)新采用“鄂破+圓錐破+立軸破工藝”三級破碎工藝，將煤矸石料破碎至3 mm 細料制漿，其中1～3 mm占比不低于20%，實現(xiàn)了大顆粒、高濃度制漿充填，對比球磨成本降低50%以上。龍王溝煤礦與其他煤礦漿體對比見表2。

表2 龍王溝煤礦與其他煤礦漿體對比

3 特厚煤層綜放開采采空區(qū)空間規(guī)律研究

龍王溝煤礦屬于典型的“淺埋深、薄基巖”地質(zhì)類型，工作面開采強度大，采放高度約23 m，采煤作業(yè)對地層影響極大，地面塌陷深度可達13 m，活躍期內(nèi)地表最大下沉速度可達100 mm/d?；钴S期時，垮落區(qū)沉降不充分、空間大，因此巖層破斷對注漿管路損壞的風(fēng)險加大；地表下沉至穩(wěn)定期時，充填效率不高，因此需要對矸石漿液充填空間及時間進行科學(xué)合理的判定。

為進一步研究特厚煤層綜放開采條件下巖層變形和位移變化，采用三維有限差分?jǐn)?shù)值計算軟件FLAC 3D進行計算，根據(jù)CAD計算模型圖建立數(shù)值模擬計算模型如圖5和圖6所示。

圖5 計算模型

圖6 FLAC 3D數(shù)值計算模型

6號煤整層綜放覆巖空間位移特征如圖7所示。

圖7 6號煤整層綜放覆巖空間位移特征

由圖7(a)可以看出，當(dāng)工作面推進至100 m時，開采對覆巖變形破壞的影響較大，進而導(dǎo)致地表彎曲變形，并有繼續(xù)增加的趨勢。在工作面走向和工作面煤壁方向巖體位移均呈現(xiàn)明顯的分區(qū)式發(fā)展，位移的變化是位移空間與作用力雙重作用的結(jié)果，出現(xiàn)不同的位移區(qū)域主要是巖體受力不均，巖體走向(采空區(qū))位移高度(影響范圍)明顯大于煤壁方向高度。

由圖7(b)可以看出，當(dāng)工作面推進至200 m時，巖體位移變形區(qū)影響至土層，地表的位移特征明顯，達到4～5 m，地表沉陷以采空區(qū)上方大部分巖體的中整體下沉為主，表明此期間100～200 m采空區(qū)頂板活動處于活躍期。

由圖7(c)可以看出，當(dāng)工作面推進300 m時，巖體破壞程度加深(巖體破斷或彎曲程度加深)給上覆巖體運動提供變形破壞空間增大，進而導(dǎo)致變形量以及地表(巖層)變形范圍擴大，形成地表下沉盆地，最大下沉量可達12 m。

結(jié)合數(shù)值模擬和地表沉陷觀測，工作面推進超過250 m后上覆巖層和地表變形進入穩(wěn)定期，因此將鉆孔及注漿工程選擇在進入穩(wěn)定期的地表沉陷區(qū)內(nèi)施工。

4 地面制漿及管道輸送系統(tǒng)

經(jīng)過選煤處理后的煤矸石經(jīng)過帶式輸送機運輸至顎式破碎機、圓錐破碎機初破至小于65 mm后，經(jīng)帶式輸送機運輸至三軸橢圓振動篩，低于3 mm的篩下物經(jīng)帶式輸送機轉(zhuǎn)運至高位料倉，高于3 mm的篩上物經(jīng)帶式輸送機運輸至立軸沖擊式破碎機制砂后，再經(jīng)帶式輸送機運輸至三軸橢圓振動篩，進行循環(huán)篩分制砂。高位料倉矸石料經(jīng)給料機、倉下帶式輸送機至攪拌桶制成55%～60%濃度漿體，經(jīng)渣漿泵輸送至高壓清水隔膜泵，經(jīng)注漿管路充填至井下注漿區(qū)。制漿工藝流程如圖8所示。

圖8 制漿工藝流程

5 矸石井下充填技術(shù)方案

5.1 高位鉆孔注漿充填

為準(zhǔn)確對垮落帶區(qū)域進行注漿充填，確保注漿鉆孔能夠有效進入到垮落帶內(nèi)，即確保終孔位置位于垮落帶內(nèi)，需確定龍王溝煤礦綜放開采的覆巖垮落帶高度。通過巖層碎脹法、經(jīng)驗公式法、關(guān)鍵層理論以及結(jié)合現(xiàn)場實際，龍王溝煤礦綜放開采垮落帶發(fā)育高度約為 61.27 m。為了保證注漿鉆孔能進入垮落區(qū)，初步確定注漿鉆孔需要鉆進至煤層底板上方約50 m 的位置。當(dāng)不考慮多孔重疊堆積作用及空間受限時，單孔注漿形成的漿體堆積形狀保守按 20°的自流坡度堆積計算，漿體自流擴散半徑為137.37 m。為了有效利用垮落帶可充空間，增大漿體充填量，從采空區(qū)利用率及漿體堆積疊加效果方面考慮，使2個注漿鉆孔充填的漿體能夠有效疊加，最終設(shè)置合理的注漿鉆孔排距為140 m。注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。

圖9 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)筆者的分析研究確定了注漿鉆孔的間排距，但在現(xiàn)場實際應(yīng)用中，還需確定注漿鉆孔滯后工作面的距離。對于正在回采的工作面，布置第1排注漿鉆孔時，工作面的推進距離應(yīng)大于主關(guān)鍵層的初次破斷步距，且靠近工作面的第1排注漿鉆孔應(yīng)與工作面保持合適的安全距離，既能保證注漿鉆孔打到采空區(qū)穩(wěn)定區(qū)域，又能確保漿體不流入工作面，避免注漿充填對正?；夭傻挠绊?。通過理論計算及現(xiàn)場實際測量，注漿鉆孔滯后工作面的距離為250 m，此時介于地面劇烈下沉期和沉降衰退期之間，便于地面鉆孔施工、地下空間相對充足，同時避免漿體流動對工作面回采的影響。高位注漿鉆孔滯后工作面布置如圖10所示。

圖10 高位注漿鉆孔滯后工作面布置

為減弱采動影響、地面塌陷對鉆井場地的破壞和降低鉆進施工難度，實踐中使用定向鉆技術(shù)，在未開采工作面上方地表設(shè)置鉆場，通過定向鉆技術(shù)找到設(shè)計注漿位置進行高壓注漿，高位鉆孔注漿充填系統(tǒng)的充填煤矸石能力約80萬t/a?？迓鋷Фㄏ蜚@注漿示意如圖11所示。

圖11 垮落帶定向鉆注漿示意

5.2 采空區(qū)埋管灌漿

利用回采工作面垮塌區(qū)域與巷道煤柱形成的三角型空間區(qū)域，提出采空區(qū)埋管灌漿方案，利用工作面矸石注漿管道對滯后工作面的采空區(qū)進行灌漿充填。為了增加充填量并提高充填效果，在埋管充填的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，將注漿管路預(yù)先留設(shè)在巷道煤柱側(cè)頂角位置，該處空間有巷道支護和煤柱支撐，遭受采空區(qū)頂板活動影響較小且變形量小。管路在此處空間遭受破壞的概率低且在巷道高點便于矸石漿體擴散，是埋管灌漿的理想位置。工作面埋管灌漿充填區(qū)域示意如圖12所示。

圖12 工作面埋管灌漿充填區(qū)域示意

圖13 工作面埋管灌漿平面示意

綜合考慮充填漿體擴散范圍及綜放面的周期來壓步距，確保充填位置不處于頂板來壓擾動范圍，且利用垮落矸石阻隔充填漿液，結(jié)合現(xiàn)場施工注漿情況不斷優(yōu)化，最終選定在巷道內(nèi)埋設(shè)2趟注漿管路，2趟管路交替斷開并采用法蘭聯(lián)接，斷開步距為周期來壓步距20 m。采用采空區(qū)埋管灌漿充填方法實施注漿時，在漿液最大擴散半徑的基礎(chǔ)上留設(shè)15 m的安全隔離距離，在實際施工時，根據(jù)推進方向仰角的變化，注漿施工工作滯后工作面50～100 m，避免注漿工程對工作面正常生產(chǎn)造成的影響，當(dāng)工作面出現(xiàn)漿液時立即減小注漿量或停止注漿，以免對工作面回采造成影響。按照20 h/d、61610工作面仰采漿液覆蓋厚度0.5 m測算，可處理煤矸石360 t/d，全年可處理煤矸石約11萬t。

5.3 采空區(qū)鄰位鉆孔注漿

煤層采動后，在垮落帶中破斷裂隙十分發(fā)育，隨著采面推進，垮落帶范圍內(nèi)的巖石破裂后表現(xiàn)為不規(guī)則狀垮落且孔隙率較大，適合注漿充填。在設(shè)計鄰巷鉆孔的布置層位時，將終孔位置選定在垮落帶空間，同時綜合考慮采空區(qū)孔隙率及施工便捷性，確定將注漿口的位置布置在采空區(qū)低應(yīng)力區(qū)即高孔隙率區(qū)域，以保證注漿的效果和能力。

經(jīng)過現(xiàn)場實踐，最終優(yōu)化方案如下：鉆孔長度為55.8 m，水平面夾角為55°，垂直煤柱施工，終孔高度為50 m，鉆孔孔徑Φ178 mm，全孔采用Φ150 mm的保護套管用于隔離采空區(qū)垮落矸石，下套管后鉆孔尾端進行注水泥漿固管，注漿管末連接長度為3 m注漿花管增加灑漿范圍。工作面鄰巷注漿鉆孔平面布置如圖14所示，鄰位注漿充填漿體擴散模型如圖15所示。

圖14 工作面鄰巷注漿鉆孔平面布置

圖15 鄰位注漿充填漿體擴散模型

根據(jù)61605工作面的垮落帶計算高度，充填漿料在采空區(qū)內(nèi)的最大堆積高度為50 m，形成的堆積體大致為楔形結(jié)構(gòu)。采空區(qū)鄰位鉆孔注漿充填系統(tǒng)的最大注漿能力約為80萬t/a，充填煤矸石能力為50萬t/a。

5.4 密閉內(nèi)廢棄巷道灌漿充填

工作面回采結(jié)束封閉后，回撤通道至密閉墻位置存在大量的廢棄巷道空間，在采空區(qū)封閉前將注漿管路提前預(yù)埋，密閉向采空區(qū)灌漿充填。目前龍王溝煤礦61617、61605工作面密閉內(nèi)空間可利用注漿充填，每個工作面廢棄巷道空間5 000 m3，可處理矸石約1萬t。

矸石漿液井上下充填時空銜接及能力見表3。充填系統(tǒng)由破碎篩分系統(tǒng)、攪拌制漿系統(tǒng)、高壓泵送系統(tǒng)及采空區(qū)充填系統(tǒng)組成，地面制漿、管道輸送及井下充填模式綜合示意如圖16所示。

表3 矸石漿液井上下充填時空銜接及能力

圖16 地面制漿、管道輸送及井下充填模式綜合示意

6 產(chǎn)業(yè)化前景探討

(1)優(yōu)化充填原料，拓寬材料來源?，F(xiàn)階段充填技術(shù)應(yīng)用中將煤矸石作為注漿材料，后期可以研究將建筑垃圾破碎并無害化處理后，研磨配制成漿液進行充填注漿，既可以有效解決城市建筑垃圾對環(huán)境的破壞，又符合我國綠色發(fā)展理念。

(2)拓展思路，為煤電聯(lián)營提質(zhì)增效。目前煤炭、電力企業(yè)聯(lián)營成為趨勢，且隨著環(huán)保力度的加大，西部地區(qū)火電產(chǎn)生的粉煤灰地面存放也將成為環(huán)保治理的重點，如在西部煤礦推廣矸石注漿充填技術(shù)，還可以將粉煤灰加入到矸石漿液中進行井下充填，同樣可以緩解火電粉煤灰處理的壓力，且粉煤灰作為很好的潤滑劑，有助于整個充填系統(tǒng)運營維護，煤電聯(lián)營的優(yōu)勢將更好的體現(xiàn)。

7 結(jié)語

龍王溝煤礦矸石充填項目的建設(shè)，推動了該礦“低碳化”開采進程，有效避免了因煤矸石第三方處置綜合利用帶來的生態(tài)環(huán)境保護風(fēng)險，在無害化處理煤矸石的同時，也減輕了因地表沉陷造成的一系列生態(tài)環(huán)境問題，實現(xiàn)了煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護的協(xié)同發(fā)展，為煤矸石處置開辟了新思路，提供了新方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。