煤礦井下注漿充填技術(shù)*

姚衛(wèi)平,馬 云,宋 博,許照剛,唐 輝,石英斌

(陜西中環(huán)機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 銅川 727031)

0 引言

2020年4月29日,第十三屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十七次會(huì)議修訂通過《中華人民共和國(guó)固體廢物污染環(huán)境防治法》,法規(guī)中明確指出:產(chǎn)廢單位對(duì)工業(yè)固廢全程負(fù)責(zé),對(duì)部分違法行為實(shí)行雙罰制,明確生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度,實(shí)施最嚴(yán)格最嚴(yán)密法律責(zé)任[1]。

2021年3月18日,國(guó)家發(fā)改委等十部委聯(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》中提出,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(jí)回收+生態(tài)修復(fù)+封存保護(hù)”體系,推動(dòng)綠色礦山建設(shè)[2-3]。

全國(guó)歷年累計(jì)堆放的煤矸石約55億t,規(guī)模較大的矸石山有1 600多座,已占用土地約1.5萬ha,而且堆積量每年仍以1.5～2.0億t的速度增加。隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),礦區(qū)開發(fā)過程的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)要求日趨嚴(yán)格,矸石外排及形成的矸石山給礦區(qū)綠色發(fā)展帶來的不可忽視的負(fù)面影響,環(huán)境污染等負(fù)面效應(yīng)越來越難以被接受,甚至影響到煤礦的生存?，F(xiàn)代化礦井的綠色可持續(xù)開采模式日益排斥這種傳統(tǒng)的矸石處理方式,消除矸石的危害及矸石綜合利用成為煤炭企業(yè)亟待解決的問題,也是煤炭綠色開采的重要技術(shù)攻關(guān)方向。

1 工程背景

黃陵二號(hào)煤礦位于陜西省黃陵縣境內(nèi),行政區(qū)劃屬黃陵縣雙龍鎮(zhèn)管轄。井田南北長(zhǎng)約31.5 km,東西寬8～17 km,井田面積337.866 7 km2,地質(zhì)資源儲(chǔ)量970.22 Mt。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8.0 Mt/a,實(shí)際生產(chǎn)能力可達(dá)10.0 Mt/a。目前黃陵二號(hào)煤礦矸石來源主要包括2部分:①洗煤廠洗選的矸石;②井下掘進(jìn)矸石。地面洗選矸石產(chǎn)矸地點(diǎn)為主場(chǎng)地的選煤廠;井下掘進(jìn)矸石目前通過風(fēng)井提升至風(fēng)井場(chǎng)地,然后經(jīng)車輛運(yùn)輸至排矸場(chǎng)進(jìn)行排放,但隨著排矸場(chǎng)地容量的不斷減少,以及國(guó)家環(huán)保政策的不斷收緊,新批排矸場(chǎng)地的可能基本不存在。因此,黃陵二號(hào)煤礦將面臨矸石無處可排的困境。

為解決礦井面臨的矸石排放難題,消滅部分地面矸石山,緩解或解決矸石山污染土地、廢氣排放等問題,同時(shí),響應(yīng)國(guó)家綠色開采理念,樹立地區(qū)示范效應(yīng),在煤礦開采中發(fā)展充填技術(shù)成為一種趨勢(shì),利用井下或地面的矸石、砂、碎石等物料充填采空區(qū),以達(dá)到控制巖層運(yùn)動(dòng)及地表沉陷的目的。陜西中環(huán)機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“中環(huán)公司”)致力于創(chuàng)建煤矸分選及就地充填一體化生產(chǎn)模式,針對(duì)不同礦井、不同能力、不同采掘特征,提供安全、高效的系列化生產(chǎn)解決方案。

2 關(guān)鍵性技術(shù)

2.1 井下注漿充填技術(shù)

井下注漿充填技術(shù)工藝是將智能干選與矸石充填技術(shù)有機(jī)相結(jié)合,研究煤礦井下注漿充填技術(shù),分析井下注漿充填技術(shù)系統(tǒng)能力相互匹配關(guān)系,優(yōu)化井下注漿充填技術(shù)設(shè)備及流程工藝,建立煤礦井下注漿充填技術(shù)體系和生產(chǎn)模式,最終形成井下注漿充填技術(shù)工藝,為從源頭上解決“三下”壓煤、煤礦固體廢棄物排放和煤炭開采地面沉陷三大問題提供一種開采新模式[4-5]。

2.1.1 空間三維模型

為了探索采場(chǎng)殘余空間的分布特征,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)充填,基于采礦基礎(chǔ)理論,建立采場(chǎng)覆巖空間三維模型,揭示煤層開采后采場(chǎng)覆巖空間三向分布規(guī)律(垂向、傾向、走向),為充填位置選擇、工藝制定及參數(shù)計(jì)算提供理論支撐。

2.1.2 模擬實(shí)驗(yàn)

針對(duì)不同礦區(qū),首先進(jìn)行煤矸的分選試驗(yàn),驗(yàn)證分選精度;再對(duì)矸石進(jìn)行破碎處理,依據(jù)不同配比、不同流量、不同管徑、不同管道布置方式、不同停泵時(shí)間下的管道壓力損失,開展充填模擬試驗(yàn),對(duì)充填物的擴(kuò)散規(guī)律和充填效果進(jìn)行系統(tǒng)研究;解決分選與充填過程中的揚(yáng)塵、防爆及管路堵塞和磨損等問題[6-7]。

2.1.3 介入理論

根據(jù)漿體輸送管路敷設(shè)方式的不同,可將漿體充填分為高位注漿、鄰位注漿和低位灌漿[8-10]。其中高位注漿是通過地面向采空區(qū)冒落帶施工垂直注漿鉆孔;鄰位注漿一般要求工作面布置3條回采巷道,從工作面輔助運(yùn)輸巷向正在回采的工作面采空區(qū)施工傾斜注漿鉆孔,或者利用正在回采的工作面回風(fēng)平巷向臨近工作面的已有采空區(qū)施工傾斜注漿鉆孔;低位灌漿是通過預(yù)先在工作面回風(fēng)平巷中敷設(shè)的管路向采空區(qū)注漿。如圖1所示。

圖1 漿體充填介入理論Fig.1 Theory of slurry filling intervention

根據(jù)矸石充填模式的不同,主要分為固體充填、膏體充填與漿體充填;目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于料漿輸送阻力特性研究集中在膏體管道輸送阻力模型研究和環(huán)管試驗(yàn)研究[11],在黃陵項(xiàng)目中,中環(huán)公司采用漿體充填的方式來處置矸石,3種充填方式主要有以下方面特點(diǎn)。

固體充填:主要是用機(jī)械方法落煤和裝煤、輸送機(jī)運(yùn)煤、液壓支架支護(hù)的采煤方法,同時(shí)用機(jī)械方法把固體充填材料充填到采空區(qū)的方法的綜合。該方法的特點(diǎn)是機(jī)械化程度高,運(yùn)營(yíng)成本低;但是投資大,工藝復(fù)雜,效率低,處理能力30～50萬t/a[12]。

膏體充填:將煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、爐渣、劣質(zhì)土、城市固體垃圾等加工成一定級(jí)配的骨料,并按一定比例與膠結(jié)材料、水混合成為無臨界流速、不需脫水的膏狀漿液(膏體),在外加力(充填泵泵壓)及膏體自身重力作用下通過管道輸送到井下,實(shí)時(shí)充填采空區(qū)的采礦方法。膏體充填方法的特點(diǎn)是機(jī)械化充填,勞動(dòng)強(qiáng)度小;但投資大,成本高,處理能力30～40萬t/a[13]。

漿體充填:將煤炭生產(chǎn)和利用過程中所產(chǎn)生的的矸石、粉煤灰等固體廢棄物經(jīng)破碎、研磨后制成漿體,通過長(zhǎng)距離漿體管道輸送技術(shù)輸送至采空區(qū)附近再利用注漿手段將其充填與煤礦開采覆巖垮落后的殘余空間中,從而達(dá)到處理固體廢棄物的目的。漿體充填特點(diǎn)是矸石處理量大,效率高,可實(shí)現(xiàn)采充并行低干擾作業(yè);但無法控制巖層移動(dòng),處理能力50～100萬t/a。

2.2 矸石充填技術(shù)

針對(duì)黃陵礦區(qū)矸石量大、礦井水大等問題,在采空區(qū)黃泥灌漿防滅火和管道輸送技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地提出矸石漿體管道充填技術(shù),該技術(shù)的主要內(nèi)涵是將矸石破碎、研磨成微小顆粒,然后以水為載體,以管路為通道,以泵為動(dòng)力,將固廢顆粒遷移至井下開采垮落后的殘余空間,利用“水-砂”混合物在開放空間的沉淀特性以及采空區(qū)的過濾能力,使得固廢顆粒滯留于井下廢棄空間,并根據(jù)需要將水在特定時(shí)間從低位回收,以達(dá)到對(duì)矸石的處理和對(duì)水資源分區(qū)調(diào)配和重復(fù)利用。其技術(shù)構(gòu)想如圖2所示[14]。

圖2 漿體管道充填技術(shù)示意Fig.2 Schematic diagram of slurry pipeline filling technology

通過井下矸石倉(cāng)上口繞道附近設(shè)置的破碎系統(tǒng)進(jìn)行三級(jí)破碎,將煤矸石破碎成粉末,按照設(shè)定比例將煤矸石粉末配制成特定濃度的漿體,利用柱塞充填泵將煤矸石漿體泵送至充填地點(diǎn)。

2.2.1 制漿站布置及矸石緩存位置

利用矸石倉(cāng)東北側(cè)的矸石倉(cāng)上倉(cāng)無軌膠輪車斜巷作為矸石堆放點(diǎn),井下產(chǎn)生矸石即可利用無軌膠輪車運(yùn)輸至矸石堆放點(diǎn)進(jìn)行緩存,該矸石倉(cāng)上倉(cāng)無軌膠輪車斜巷可利用緩存長(zhǎng)度共300 m,有效緩存容量600 m3,可緩存矸石約1 000 t,大于充填系統(tǒng)日充填量600 t。矸石堆存期間應(yīng)保證巷道一側(cè)留有2.3 m以上的行車道,便于鏟車及無軌膠輪車通過,保證在系統(tǒng)檢修期間掘進(jìn)矸石可通過原有的大傾角皮帶運(yùn)輸至地面。充填工作面位于二盤區(qū)211工作面,制漿站位置位于二號(hào)風(fēng)井。

井底矸石倉(cāng)上倉(cāng)無軌膠輪車斜巷。矸石緩存位置及制漿站位置如圖3所示。

圖3 制漿站及矸石緩存位置Fig.3 Location of pulping station and gangue buffer

2.2.2 管路布置及充填位置

由于211工作面已開采完畢,因此試注漿將注漿位置選在211工作面膠運(yùn)巷道,制漿設(shè)備及泵站安裝在矸石倉(cāng)上口繞道,在制漿站位置配制好規(guī)定濃度漿液后,漿液通過管道輸送至充填注漿位置,漿液輸送選用D127×14 mm無縫鋼管,輸漿管道鋪設(shè)路線為:矸石倉(cāng)上口繞道→北一一號(hào)輔運(yùn)大巷→17號(hào)聯(lián)絡(luò)巷→北一一號(hào)回風(fēng)大巷→211膠運(yùn)巷道密閉墻。管路總長(zhǎng)2.2 km,沿線共布置5個(gè)壓力傳感器,分別位于巷道里程沿走向10 m、100 m、300 m、700 m、1 200 m處,用于監(jiān)測(cè)沖洗管路及注漿過程中管路壓力的變化。

2.2.3 總體方案

煤矸石漿體管道充填技術(shù)主要包括矸石破碎系統(tǒng)、制漿泵送系統(tǒng)和注漿充填系統(tǒng)3大核心,矸石破碎系統(tǒng)主要是將煤矸石破碎成特定粒徑的成品矸石粉末后;制漿泵送系統(tǒng)主要是將成品矸石粉末加水制成一定濃度且均勻的煤矸石漿體并將煤矸石漿體輸送至注漿充填系統(tǒng);注漿充填系統(tǒng)主要是采用一定的技術(shù)方法將煤矸石漿體充填至采空區(qū)。整個(gè)工藝流程為:通過井下矸石倉(cāng)上口繞道附近設(shè)置的破碎系統(tǒng)進(jìn)行三級(jí)破碎,將煤矸石破碎至3 mm以下粉末,按照設(shè)定比例將煤矸石粉末配制成特定濃度的漿體,制漿硐室破碎機(jī)主泵運(yùn)輸巷工作面回風(fēng)巷煤柱輔助運(yùn)輸巷采空區(qū)利用柱塞充填泵將煤矸石漿體泵送至充填地點(diǎn)。

3 項(xiàng)目概況

3.1 項(xiàng)目進(jìn)展

2021年制定黃陵二號(hào)煤礦項(xiàng)目井下注漿充填方案,完成黃陵項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)。2022年年初開展井下漿體充填系統(tǒng)的工業(yè)性試驗(yàn),分別對(duì)每次注漿的過程進(jìn)行描述并分析存在的問題,對(duì)試注漿過程中矸石粉粒徑分布和漿液濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。通過對(duì)系統(tǒng)整體問題和試注漿相關(guān)數(shù)據(jù)的總結(jié),可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備在正常工作的前提下,可以實(shí)現(xiàn)矸石順利充填,從而驗(yàn)證漿體充填技術(shù)的可行性。

2022年10月至2022年12月該項(xiàng)目已完成系統(tǒng)安裝與調(diào)試工作并對(duì)工作面廢棄巷道進(jìn)行注漿作業(yè),實(shí)現(xiàn)起底矸不升井,減少矸石地面排放,改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,取得良好的效果,并得到用戶的充分肯定,樹立地區(qū)示范效應(yīng)。整理綜合績(jī)效評(píng)價(jià)材料,做好項(xiàng)目驗(yàn)收準(zhǔn)備。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

3.2.1 矸石破碎效果

為得到矸石破碎效果及粒徑分布,將矸石料樣品分為篩上及篩下分別對(duì)其粒徑分布進(jìn)行測(cè)試,篩上和篩下料各設(shè)計(jì)2組分級(jí)篩分實(shí)驗(yàn),測(cè)試采用震動(dòng)分級(jí)篩,篩上料篩網(wǎng)直徑分別為:>10 mm、5～10 mm、3～5 mm、<3 mm。篩下料篩網(wǎng)直徑分別為:1 250～3 000 μm、630～1 250 μm、315～630 μm、160～315 μm、 75～160 μm、<75 μm。按照指定粒徑篩分后的矸石粉末形態(tài)如圖4所示。

圖4 矸石粉末篩分Fig.4 Gangue powder screening

將各粒徑篩分矸石料稱重并記錄,篩上和篩下矸石粉粒度占比見表1。

表1 矸石粉粒度占比測(cè)試Table 1 Proportion test of gangue powder particle size

3.2.2 漿液樣品測(cè)試

在試注漿過程中,觀察攪拌機(jī)出口漿液濃度較適宜時(shí)開始取樣,共取得漿液樣品共3瓶,樣品如圖5所示。將每瓶樣品分為1組,采用自然晾干法測(cè)試漿液濃度,共得到3組漿液濃度及平均濃度測(cè)試結(jié)果,見表2[15]。

表2 漿液濃度測(cè)試Table 2 Slurry concentration test

圖5 漿液取樣Fig.5 Slurry Sampling

由表2可以看出,3組實(shí)驗(yàn)漿液濃度分別為71.75%、73.20%、73.38%,平均濃度為72.77%,對(duì)比設(shè)計(jì)濃度(75%,誤差±3%)可知現(xiàn)場(chǎng)試注漿過程中,待漿液配比穩(wěn)定時(shí),濃度可達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)試注漿共進(jìn)行9次,其中4次注漿成功,5次注漿失敗,導(dǎo)致注漿失敗或系統(tǒng)運(yùn)行中斷的主要原因?yàn)橥ㄟ^式破碎機(jī)和鼠籠式破碎機(jī)適應(yīng)性差、故障率高;每次試注漿過程中,系統(tǒng)幾乎都存在粉塵和噪音過大、給料不連續(xù)、沖洗管路不充分、漿液濃度配比過稀等問題,通過對(duì)矸石粉粒徑和漿液濃度樣品測(cè)試,得到破碎矸石級(jí)配分布,在配漿穩(wěn)定的前提下漿液濃度可以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

(1)首次采用井下鄰位注漿充填方式來進(jìn)行充填作業(yè),當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行充填作業(yè)時(shí),其充填與工作面采煤工序相對(duì)獨(dú)立,不存在相互干擾,可實(shí)現(xiàn)充填處理矸石的同時(shí)達(dá)到不影響煤礦正常生產(chǎn)的效果。

(2)漿體、膏體和固體充填相比,漿體充填材料運(yùn)輸工藝簡(jiǎn)單,有利于提高系統(tǒng)可靠性,減少管道堵塞現(xiàn)象,漿體充填的處理能力、處理效率以及處理成本可以滿足現(xiàn)代化大型礦井的矸石處理需求。

(3)為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、煤炭資源綠色開采和綠色礦山建設(shè)提供一個(gè)全面、可行的辦法,對(duì)落實(shí)能源方針政策、引領(lǐng)煤炭行業(yè)綠色革命、加強(qiáng)礦業(yè)領(lǐng)域生態(tài)文明建設(shè)具有重要的環(huán)保意義及現(xiàn)實(shí)意義。