西部生态脆弱区固废多态充填技术应用与实践

朱 磊

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

我国西部生态脆弱区主要是指宁夏、陕北、蒙西的农牧交错区，这些区域的农耕区和草原牧区地理上相连接，气候上降水量少、气候半干旱，属于典型的生态环境变化过渡地带[1-3]。同时，西部生态脆弱区煤炭资源赋存丰富、开采条件好，建设有陕北、神东等大型煤炭生产基地，配套建设了多个大型、特大型煤电一体化及煤化工一体化的煤矿。根据《2019年BP世界能源统计年鉴》[4]，鄂尔多斯盆地西北部的宁夏、陕北、蒙西原煤产量占我国原煤总产量50%以上，在我国能源安全供应中具有举足轻重的地位。煤炭资源大规模、高强度开采的同时，带来了一系列生态环境问题：一是生态破坏问题，煤炭资源的开采造成了地表沉降，每年新形成的沉陷土地面积约为 3.34万hm2，由于西部生态脆弱区自身内部结构的不稳定性，导致农牧交错区呈现出严重的草地退化、沙化和盐碱化；二是环境污染问题，根据《煤炭工业发展“十三五”规划》[5]，西部生态脆弱区产生煤矸石4.03亿t、煤泥9 120万t，粉煤灰6 320万t，锅炉粗渣4 488万t，如此体量的固体废弃物排至地面后会造成地表水污染、占用土地、自燃发火等问题，超出西部生态脆弱区生态环境承受阈值，进而使草地严重退化、沙化和盐碱化。

国家多次强调要保持加强西北生态文明建设的战略定力，牢固树立生态优先、绿色发展的导向。2020年4月29日，新修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》[6]特别关注固体废物污染的“源头防控”，明确规定产废单位对工业固废的全程性责任；2020年5月28日新颁布的《中华人民共和国民法典》[7]体现了“绿色原则”，制定了生态环境损害的惩罚性赔偿制度。因此，科学、绿色、合法、合规地处置煤矸石、粉煤灰、锅炉粗渣等固体废弃物已成为西部生态脆弱区能否实现生态环境与经济社会高质量发展的关键。

1 固废多态充填技术优势及生态需求

1.1 西部生态脆弱区固废综合利用现状

近年来我国专家、学者在固废综合利用方面取得了长足的发展[8-9]，以煤矸石为例，其利用量逐年增加(如图1所示)，综合利用途径不断扩展(如图2所示)。

图1 2013—2019年我国煤矸石产量与利用情况

图2 2019年我国煤矸石主要利用途径

1)能源领域应用

目前研究发现煤矸石中夹杂有10%～25%的炭质可燃物，属于低热值燃料。使用煤矸石作燃料发电，在实现变废为宝的同时，可降低煤炭资源的用量。然而煤矸石发电企业受市场竞争、运输成本、技术条件、发电装机容量、电能转换效率低等因素影响，经济效益走低。另外，煤矸石发电产生的粉煤灰、脱硫石膏、废烟气脱硝催化剂等固体废弃物仍面临固废处置难题。

2)建筑材料领域应用

煤矸石和锅炉粗渣中主要含有SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分，是一种近似于黏土质的原料，可以通过相关工艺烧制成普通硅酸盐水泥、无熟料水泥等多种建筑材料，但由于不同地区的煤矸石、锅炉粗渣等受所在地区地质情况影响，构成的矿物种类组成及含量差别较大，仅有少部分煤矸石和锅炉粗渣可被利用。

3)农业领域应用

利用固废的酸碱性及其中含有的多种微量元素和营养成分，可将其用于土壤改良，调节土壤的酸碱度和疏松度，并可增加土壤的肥效。但由于具有利用价值的固废数量有限，因此并不能将大规模的固废处理手段运用在农业领域。

1.2 固废多态充填技术优势

固废多态充填技术是指将煤矸石、粉煤灰、锅炉粗渣等固体废弃物直接制成膏体、浆体等不同流态形式填充至井下采动空间中，从而起到处理固废、控制岩层移动、减缓地表下沉、保护地下水资源的作用[10-12]。基于西部生态脆弱区固废产量大、固废综合利用量有限的现状，固废井下充填是一项符合国家产业政策、前景光明的技术手段[13-14]。

1.3 固废多态充填技术生态需求

“缺气、少油、富煤”的能源格局决定了以煤炭作为主导能源是国家经济社会发展的必然选择。我国西部生态脆弱区煤电一体化、煤化工一体化是煤炭资源规模开发利用的主要方式，固废处理、地面生态保护、地下水资源保护是绿色开采的难点。固废多态充填技术将煤炭采掘洗选、加工利用活动产生的伴生废弃物原位返还井下采动空间，实现了在源头消纳固废及原态控制地表，把煤炭开发、资源利用和环境保护有机协调统一，固废多态充填已成为西部生态脆弱区可持续发展的关键之一。

2 固废多态化充填技术内涵

围绕西部生态脆弱区固废处理难题，以生态保护需求为导向，以新时代生态文明思想为根本遵循，以固废井下充填技术为载体，集成跨界先进技术，优化生产适性技术、提升系统匹配技术，突破传统技术瓶颈，构建地区适应型、工艺匹配型和经济高效型西部生态脆弱区固废多态化充填的理论、技术与装备，实现固废零排放、环境低损伤、生态弱扰动功能，最终实现西部生态脆弱区固废绿色化处理。西部生态脆弱区固废多态化充填技术框架如图3所示。

图3 西部生态脆弱区固废多态化充填技术框架

3 固废多态化充填技术体系

3.1 固体充填技术

1)发展简况

固体充填技术在我国发展于2000年以后，由于固体充填系统投资大、运营成本高，最初的固体充填技术应用目的在于控制岩层移动。历经20 a的发展，固体充填技术不断完善成熟、充填效率大幅提高，目前低生态环境损伤已成为固体充填技术主要应用目标[15-17]。

2)技术原理

固体充填技术是指将煤矸石、粉煤灰及锅炉粗渣等固体废弃物直接通过连续或半连续运输方式输送至井下，并利用充填液压支架、抛夯一体机等设备将固废填充至充填区域。其中,固体充填技术按照在井下充填区域的不同分为工作面固体充填技术(刮板输送机卸矸充填)和巷道充填技术(短壁干式充填)。工作面固体充填技术原理如图4所示。

图4 工作面固体充填技术原理示意图

3)设计方法

固体充填技术设计流程如图5所示,主要包括固废地面运输与破碎系统设计、固废下井系统设计、充填工作面(或充填巷)排矸系统设计。

图5 固体充填技术设计流程

固废地面运输和破碎作为固体充填技术的准备环节，在其设计上应充分考虑地面和井下生产系统、固废运输破碎系统和井下充填制度的衔接，保障其系统独立、生产可靠；固废下井系统在设计上应从源头减量的角度重点关注固废下井方式选择、下井系统结构设计及物料投放关键参数计算；充填工作面(或充填巷)排矸系统设计应从工作面设备布置形式、充填面生产能力、关键设备选型及充填工艺方面展开。

4)技术适用条件

工作面固体充填技术固废处理能力最大可达1.0 Mt/a以上，吨矸充填成本为60～80元；巷道固体充填技术固废处理能力一般不大于0.3 Mt/a，吨矸充填成本为40～60元。该技术主要适用于煤厚在2.5～5.0 m，顶板条件较好的矿井。

3.2 膏体充填技术

1)发展简况

膏体充填技术始于20世纪50年代的加拿大，经过几十年的发展，膏体充填技术已在我国的淄博、济宁、峰峰和陕北矿区得到了应用[18-19]。

2)技术原理

膏体充填技术是指将固废在地面或井下进行筛分破碎，并辅以水泥、粉煤灰、添加剂和水，加工制成无临界流速、不需脱水的高浓度膏体，利用充填工业泵，通过管道输送到井下采空区，适时进行置换采煤的新型采煤方法。膏体充填技术原理如图6所示。

图6 膏体充填技术原理示意图

3)设计方法

膏体充填技术设计流程如图7所示，主要包括充填站设计、充填工作面设计、膏体充填料配比设计和充填子系统设计。

图7 膏体充填技术设计流程

充填站是膏体制备场所，其选址时应兼顾充填原料运输和井下膏体运输。充填工作面设计包括充填区域选择、充填能力与采充参数设计、工作制度与充填步距确定；膏体充填配料比设计包括充填原材料选择、充填原材料性能分析、充填材料配比和输送可靠性分析；充填子系统设计包括固废供给系统、除尘系统、膏体配比搅拌系统、泵送系统、充填管路系统、充填专用控制阀系统、电气集中控制系统设计等。

4)技术适用条件

膏体充填技术因其控制顶板效果良好，在“三下”压煤充填开采中应用较多，吨矸充填成本为 50～70元。

3.3 浆体充填技术

1)发展简况

浆体充填技术最早由苏联学者发明，并被称为覆岩离层注浆减沉技术。20世纪80年代被范学理教授引进国内后先后在抚顺、大屯、新汶、兖州、开滦、淮南矿区进行了工业应用，积累了一定的实践经验[20-21]，但由于离层注浆不能对采动空间有实质性的介入，目前注浆效果存在争议。近年来，中煤能源研究院在覆岩离层注浆、黄泥灌浆、矿浆管道输送的基础上进行优化和集成创新，突破传统技术瓶颈，提出了浆体管道立体充填技术[22]。

2)技术原理

浆体管道立体充填技术的基本原理是将矸石等固体废弃物破碎、研磨成微小颗粒，然后以水为载体，以管路为通道，以泵压为动力，将固废颗粒高效迁移至井下开采垮落后的残余空间，利用“水—砂”混合物在开放空间的沉淀特性及采空区的过滤能力，使固废颗粒滞留于井下废弃空间，并根据需要将水从低位进行回收，以达到固废的高效处理和水资源的分区调配及重复利用。浆体充填技术原理如图8所示。

图8 浆体充填技术原理示意图

3)设计方法

浆体管道立体充填技术设计流程如图9所示，主要包括地面制浆及泵送系统设计、长距离管道输送系统设计和充填系统设计。

图9 浆体充填技术设计流程

4)技术适用条件

浆体管道立体充填技术主要特征是实现了固废流态化充填，充填与采煤作业相互平行、互不干扰，矸石充填能力可达1.0 Mt/a以上，吨矸充填成本为35～50元。适用于矸石量大、矸石运距长、固废处理难的矿井，尤其适宜于综放采煤工艺的矿井。

4 固废多态化充填技术工程实践

1)葫芦素煤矿煤矸石固体充填项目

葫芦素煤矿在已实施固体充填开采的矿井中，是投放井深度最大(600.8 m)、投放量(1.0 Mt/a)最大的矿井。针对该矿井，中煤能源研究院应用气固两相流理论对物料投放速度进行了深入的研究，得到了此种条件下投放井、投放管的关键参数，并研发了控制物料下落冲击力的缓冲技术、控制物料下落速度的稳压技术。同时由于葫芦素煤矿充填量较大，设计工作面推进速度较快，通过放矸工艺由单孔顺序到成组联动、工艺控制由人为干预到系统集控、固定方式由单机悬挂到平台支撑3项工艺优化实现了高效充填。

2)龙王沟煤矿矸石浆体充填项目

龙王沟煤矿主采的6号煤层平均厚度约为18.34 m，采用综采放顶煤开采。矿井达产后年产矸石约 2.0 Mt。采用流态化浆体充填技术将矸石在地面制成浆体，利用管道输送至采空区附近，通过高位注浆(约 120万t/a)、邻位注浆(约60万t/a)和低位灌浆(约20万t/a)工艺的匹配，做到采充平行作业，在不影响矿井正常生产的情况下，实现了煤矿矸石的流态化浆体零排放处置。

3)永乐煤矿固废膏体充填项目

永乐煤矿采用短壁膏体充填方式进行保水采煤。膏体充填采煤首试工作面为CT3114工作面和CT3243工作面，工作面长度为100 m，工作面内平行于开切眼每26.4 m划分为一组，每组分四轮开采并充填。膏体密度2 100 kg/m3，料浆质量分数70%，充填体28 d龄期单轴抗压强度达到3 MPa，材料性能满足弹性模量不低于100 MPa的要求。一个开采循环内煤柱极限状态下位移为20.62 mm，最大垂直应力为8.84 MPa，煤柱稳定性良好。开采过程中煤层顶板岩层没有发生破断，且涌水量没有发生明显的变化，工程应用效果良好。

5 结论

1)大宗固废处理问题是实现西部生态脆弱区可持续发展的必然要求，在总结西部生态脆弱区固废综合利用的基础上，指出了现有固废综合利用方式存在的问题，并通过技术比较，指出在西部生态脆弱区实施多态化充填是解决固废处理难题的有效途径。

2)介绍了固废多态化充填技术的内涵和技术体系，相应的工程实践表明，西部生态脆弱区因地制宜采用固废多态化充填技术可从源头上保护生态环境，经济、社会效益显著。

3)通过关键技术重点攻关、共性技术集成创新，研发形成了适用于浅埋深、厚煤层的浆体充填技术，该技术利用采动空间内矸石碎胀特性和固废浆体流动特性，可实现采充平行、减压减水、高效处理固废，并在积极构建20%～25%矸石产率的矿井“一区一站、一面一机”的充填模式和装备配套，为西部生态脆弱区千万吨级矿井大排量固废零排放探索出一条路径。