煤矿环境治理技术新进展及应用

朱开成,杜金龙,霍 超,牟兆刚,晏 嘉,赵 明,赵 岳

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 前言

长期以来，由于煤炭资源的无序开采引起的环境问题日益凸显恶化，主要为环境污染、资源破坏和地质灾害三大类[1-2]。环境污染主要表现为煤层、煤矸石等地质体中有害物质的迁移扩散，造成煤矿周围空气、水质、土壤污染及煤矿生产活动产生的噪声污染等问题[3-4]。资源破坏主要表现为煤层自燃、岩层移动等导致的煤炭资源损毁、水土流失，采动岩移、矿井抽排水导致的煤矿区地表水缺失、地下水位下降等问题。地质灾害主要表现为矸石山滑坡、地表塌陷等地表地质灾害与冒顶、片帮、突水等井下地质灾害[5]。

国外矿业发达国家的煤矿环境治理技术较先进，多集中在三废治理和土地复垦方面。而我国煤矿环境治理技术起步较晚，通过科研工作者的不懈努力，形成了煤矿环境治理关键技术和治理模式。

煤矿环境治理主要包括采煤沉陷治理、煤矸石治理、矿井水污染治理、土地复垦、生态修复、矿山环境监测预警等。中国煤炭地质总局目前致力于采煤沉陷治理，并以新型覆岩离层区注浆技术为核心，形成了产学研用一体化的采煤沉陷区综合治理技术体系。

1 采煤沉陷治理技术

采煤活动引起上覆岩层移动，形成地面沉降和地裂缝，破坏耕地与村庄，浪费土地资源，同时影响煤矿的可持续开发。通过工程治理、生态恢复技术进行地上治理，地下充填开采进行治理，从而修复生态环境，为煤矿的绿色开采开创出一条途径[6-8]。

1)工程治理技术。根据治理对象的不同，采用边坡整治、地面整形、土壤修复、防排水工程、景观及监测工程进行综合治理，为下一步深层次的开发做好准备。

2)生态恢复技术。根据复垦土地的自然环境条件，在生态适宜性分析的基础上进行开发改造，使其具有生态经济价值，建成有利于当地环境和经济发展的人工生态系统[9-10]。生态恢复技术包括物理性修复、化学改良法、植被修复、动物修复、微生物修复等技术。

3)特殊采煤技术。目前主要有条带开采法、井下充填法与离层注浆充填法。

①条带开采法。解放我国“三下”压煤中曾发挥极为重要作用，但采出率低、生产效率低、巷道掘进率高，目前已逐渐趋于淘汰[11-12]。

②井下充填法。包括矸石、膏体和高水充填，近年受到关注，但采煤与充填相互干扰严重、生产效率低、成本高，煤矿企业难以承受。

③离层注浆法。成本低、回采率与效率高、适合高产能特点，受到青睐[13-15]。

2 新型离层注浆技术

离层注浆充填技术由范学理1985年引进，1986年7月-1987年9月在抚顺老虎台矿进行试验；后张玉卓、郭惟嘉在山东省兖州东滩矿、济宁二号井、新汶华丰矿，袁亮在淮南李一矿，高延法在开滦唐山矿，大同徐庄矿等进行了大量试验(表1)。

根据各矿区试验结果来看，传统的离层注浆方法在不充分开采时减沉效果较为理想，若达到充分采动时，充填效果较好时减沉率可达到30%～50%，但常不能满足建筑物下采煤的减沉要求，需要不断改进[16-18]。新型离层注浆技术在此基础上进行改进，从成本、效率、回采率等方面均有明显的改善。

2.1 技术原理

采煤工作面从开切眼开始推进到一定距离后，覆岩开始出现移动。由于岩性的差异及竖向移动不一致，在软、硬岩层交界处会出现离层(图1)。随着煤层开采覆岩离层空隙逐渐发育扩展。图2模拟工作面开采长度达98m时，硬、软地层界面处产生离层裂隙，工作面长度达285m时，离层发育达到最高，高度为1.21m(采高为2m)，离层裂隙长度为220 m左右[19]。

治理机理：离层注浆方法是在第一时间(离层刚形成时)注入高压浆体，提前干预因采空而产生的上覆岩层运动，有效阻止和切断主关键层以上地层运动，人为形成主关键层下部至煤层底板充填压实区(柱)，形成“隔离煤柱-主关键层-充填压实区”稳定受力结构，形成新的空间守恒，有效控制地表塌陷或者使地表变形在可接受范围之内，从而在不搬迁建筑物前提下释放压覆的煤炭资源(图3)。

该技术经典案例是华丰矿一采区。开采水平-750m(深920m)，开采4煤，厚6.4m，上覆新近或古近系巨厚砾岩(500～650m)，整体性好、强度大，底部50m红色砂泥岩(红层)和20m杂色泥岩。随着工作面推采，采区上方覆岩发生断裂与弯曲，弯曲带内沿层面(巨厚砾岩与软弱红层间)产生离层空隙，并不断发展，高度最大2.1m，宽度最大230m。

表1 传统离层注浆技术运用实例

图1 采前、采后钻孔超声成像 图2 倾斜断面模拟离层 Figure 1 Borehole ultrasonic images before and after coal mining Figure 2 Inclined section simulated abscission layer

图3 离层注浆技术概念模型Figure 3 Abscission layer grouting conceptual model

2.2 关键环节

离层注浆成功与否，在于如下关键环节的把控：1)注浆层位选择；2) 注浆工作面设计及注浆孔位布置，包括注浆充填工作面采宽设计方法、隔离煤柱宽度设计方法、注浆孔位布置方法；3)注浆时机掌握； 4)注浆材料选取； 5)注浆压力控制；6) 注浆设备及工艺选用。

2.3 技术特点

1)从空间置换角度，变平面置换(采区)为立体置换(覆岩)，减少或消除平面置换带来的工序相互干扰。实现充填开采史上真正意义的连续开采，首次实现三下采煤的大产能、低成本高产高效模式。同时，由于只需在地面建立注浆站，进行孔内注浆，所以具有投资小、系统工艺简单等优势。

2)从空间守恒角度，变过去离层空间的被动灌入(填入)为带压注入。通过主动挤压与地层运动共同作用，水灰快速分离，实现离层空间最大压填，最大程度压缩因采煤形成的失稳空间，最大限度实现地表减沉。离层注浆自身泌水性，增加了断面上充填率，避免了平面充填充填率不理想问题。传统垮落法采煤导致主关键层迅速破断、地面急速下沉，水平与倾斜变形剧烈，而高压注浆下沉是在主关键层不断裂条件下的缓慢微量下沉，因此破坏极小。

3)从空间转换角度，变平面整体填埋为主体承压平台下柱式(楞式)结构。利用结构转换的力学原理，实现有效承载的柱式平台结构，实现类似上有高度建筑的地下停车场的承载结构，以有效柱式充填代替整体填实，有效减少充填量，实现充填成本的成倍减少。

2.4 技术优势及效益

新型离层注浆技术与其他充填技术及传统离层注浆技术相比，优势明显，是一种有效控制地表塌陷的新方法(表2、表3)。

表2 新型离层注浆技术与其他充填技术对比

表3 新型离层注浆技术与传统离层注浆技术对比

新型离层注浆技术解决了工作面开采顺序一般采用跳采的方式，以及由此带来的矿压控制问题，可实现顺序开采，同时延长煤矿生产年限，缓解了矿山关闭所带来的环境与社会问题。此外，新型离层注浆技术可解决煤矿建筑物压煤问题，使生产成本控制在50～55元/t，与村庄搬迁(120元/t)及采空区充填相比，经济效益明显。

通过对新型离层注浆技术的研究与实践，形成了厚煤层覆岩离层注浆控制采空塌陷技术体系，完善和发展了采空塌陷控制理论与技术。

3 新型离层注浆技术运用实例

目前已将新型离层注浆技术用于山西省潞安集团夏店煤矿，在3116、3117工作面开展试验。其中3116工作面试验区位于工作面X2陷落柱和开拓大巷之间，沿走向长290m、宽210m，煤厚6.2m，倾角约10°，采用放顶煤采煤法开采；3117工作面试验区位于工作面西风井保护煤柱以北，沿走向长265m，宽180m，采用放顶煤采煤法开采(图4)。

3.1 注浆层位

利用附近钻孔(JJ-1)柱状图，根据地层岩性、厚度、岩石力学参数(表4)，根据关键层判别方法判断关键层的层位。采用固支梁、板理论，计算关键层破断距。

图4 潞安集团夏店煤矿工作区示意Figure 4 A schematic diagram of working area in Xiadian coalmine, Lu’an Group

表4 JJ-1钻孔关键层信息

充分采动下，控制主关键层不发生破断，是地表不发生沉降的关键。一般情况下在主关键层下进行注浆(图5)。而对于一侧采动情形(3117面)，为防止浆体渗漏，还需提前在亚关键层下进行离层注浆。

图5 离层注浆位置示意Figure 5 A schematic diagram of abscission layer grouting location

同时，为避免连通裂隙，注浆层位应在裂隙带以上，并留设5倍采高保护带。夏店煤矿煤层采高6.2m，据实测结果，裂采比22，计算得到导水裂隙带高度136.4m，加上保护带31m，注浆层位应距煤层167m以上。

3116工作面采动覆岩离层区注浆的层位在主关键层下离层区(图5)，在导水裂隙带之上，距煤层182.65m。

3117工作面初始注浆层位在亚关键层1， 距煤层164.89m；后续注浆孔的注浆层位在主关键层下离层区，距煤层182.65m。

3.2 工作面设计

进行注浆的工作面不同于普通开采工作面，为防止主关键层破断，要进行特别设计。

1)工作面宽度。工作面宽度(W)采用下式计算：

W≤Lk+2Hk/tanθ

式中：Lk—主关键层破断距；

Hk—距煤层高度；

θ—上覆岩层断裂角。

计算得到采宽W应小于191.3m(图6)。

2)隔离煤柱宽度。按极限强度理论与岩层移动理论计算隔离煤柱宽度，取二者中较大值。

①极限强度理论。隔离煤柱宽度b=有效隔离煤柱宽度b1+煤柱塑性区宽度b2(图7)

计算得到b1≥40.4m，b2=10.7m，确定隔离煤柱宽度b≥ 51.1m。

②岩移理论。夏店煤矿上山岩层移动角为74°，下山移动角为72°，计算隔离煤柱宽度

式中：h—注浆层位距煤层高度 ；

β—下山移动角，72° 。

图6 工作面宽度计算示意Figure 6 A schematic diagram of working face width computation

图7 采动覆岩隔离注浆充填开采的等效条带开采模型Figure 7 Equivalent partial extraction model for mining overburden isolated grouting filling extraction

计算得隔离煤柱宽度b≥59.35m。

综合两种理论，确定注浆充填3116工作面隔离煤柱60m。

3.3 钻孔布置

钻孔布置遵循以下原则：

1)注浆孔应位于主关键层下方最大离层位置，故3116面初次注浆孔距切眼距离小于191.3÷2=95.65m。

2)相邻注浆孔距离根据浆液的扩散半径确定，小于224m。

3)注浆孔倾向上位于离层最大下沉位置，在中心线靠近下山方向。

4)首个钻孔与建筑物距离大于开采波及范围(图8)，经计算为L≥175m。

图8 首孔距建筑距离示意Figure 8 A schematic diagram of first grouting borehole apart from buildings

5)3117工作面初次注浆孔注3(亚关键层注浆)距离注4(首个主关键层注浆孔)尽量近，其余孔位布设同3116面(表5，图9)。

3.4 注浆时机

1)注浆开始时机。3116工作面根据钻孔水体漏失量判断初次注浆时机，当钻孔水体漏失量突然增大， 即进行初次注浆。 3117工作面初次充填的时机应在主关键层下方第1个亚关键层下开始产生断裂时进行注浆，即当钻孔位于工作面超前支承压力峰值区时开始实施注浆。

表5 注浆孔信息

2)注浆结束时机。当注浆量达到预估注浆量，或者注浆压力超过正常压力的1.2倍，停止注浆。

3.5 注浆压力

孔口注浆压力为：

p孔=p注-H1γ1≥p地-H1γ1=H1(γ-γ1)

带入数据计算得注浆孔孔口压力在3.4～6 MPa。

3.6 注浆材料及注入量

注浆充填材料选择电厂粉煤灰，浆体水灰比1.3～2.0，粉煤灰细度见表6。

表6 注浆材料粉煤灰性质

按注采比0.4计算，3116、3117工作面村庄下可采压煤95万t，估算注入粉煤灰28万m3(为压实体积)。

3.7 注浆效果监测与预测

3.7.1 地表移动观测

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(安监总煤装〔2017〕81号)确定。

图9 注浆孔布置Figure 9 Grouting boreholes layout

3116面倾向观测线取工作面中心位置，距离切眼143m；长度805m，由于3112采空，确定为560m；走向观测线距中心线偏下山方向77m，长度540m。

3117面倾向观测线距离切眼143m，长度805m；走向观测线距离中心线偏下山方向77m，长度540m。

观测点距为控制点间距50m，一般观测点20m。

3.7.2 注浆效果钻孔检测

布设1个检测钻孔，位于3116工作面注2孔附近，深度247m。根据地表移动观测，在地表下沉基本结束后开始施工，取心检测注浆灰层位置。

3.7.3 注浆效果模拟预测

对效果进行模拟并对照，下沉量明显降低，水平移动、水平变形、倾斜度等均有明显改善，具体参数比较见表7。由此可见，新型离层注浆技术对于采煤沉陷区的治理，效果非常显著。表7中可见，预测的地表建筑物损坏程度控制在Ⅰ级范围内。

表7 注浆前后地表变形预测情况对比

4 结论

1)煤矿环境治理方法多样，通过工程治理、生态恢复技术可进行地上治理，而地下治理主要通过充填开采进行。地下充填方法中，离层注浆法具有成本低、回采率与效率高、适合高产能的特点，受到广泛关注与青睐，为煤矿的绿色开采开创出一条途径。

2)新型离层注浆技术与其他充填技术及传统离层注浆技术相比，优势明显，是一种有效控制地表塌陷的新方法。新型离层注浆技术可有效解决煤矿建筑物压煤问题，实现顺序开采，同时延长了煤矿生产年限，缓解了矿山关闭所带来的环境问题。

3)新型离层注浆技术与村庄搬迁及采空区充填相比，具有明显的成本优势，取得了良好的经济效益。

4)在山西省潞安集团夏店煤矿3116、3117工作面开展新型离层注浆技术试验中,对效果进行模拟。结果显示：下沉量明显降低，水平移动、水平变形、倾斜度等均有明显改善。由此可见，新型离层注浆技术对于采煤沉陷区的治理，效果非常显著。