煤矸石井下处理与冒落区流态化充填技术

李 亮，黄庆享，吴 杰，左 小，张伟龙，张 杰，胡俊峰，杨玉玉

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710100；3.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 710065；4.陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 韩城 715400)

0 引 言

近年来，随着大型现代化矿井建设的推进，煤矿排矸呈集中化、高产化和规模化的发展趋势，开采产生的矸石堆放至地面引发的环境污染问题愈发突出[1]。据不完全统计，目前中国矸石累计堆放量超过60亿t，形成矸石山1 500～1 700座，占地20余万亩，且以约5亿～8亿t/a的排放量逐年增加[2]。韩城矿区的煤矸石年排放量已突破100万t，绝大多数煤矸石仍以地面堆积的方式进行处理，不但制约生产，而且煤矸石地表堆积对矿区生存环境和条件带来的威胁与危害愈加严重。在进入“十四五”时期，能源供需格局深刻变化，《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》等文件中均指出提高煤矸石综合利用水平，推动煤炭绿色低碳发展。不设地面排矸场、减少或杜绝矸石升井是发展低碳经济的必然趋势。

众多学者和煤矿企业在源头控制矸石排放、保护矿区生态环境方面亦做了大量的工作，从矸石处理与利用的众多实践中得出，现有以煤矸石发电、铺路、制建筑材料等为主的煤矸石地面综合处理技术已经不能满足矿区日益增大的煤矸石处理量的要求，仅能作为煤矸石规模化处理的补充技术[2-5]。煤矸石井下充填处理技术具有处理效率高、产矸点就是处理点、处理集中等优点，以综合机械化固体充填技术和胶结充填技术为核心的处理技术应用较为广泛，但受充填效果要求、装备工艺及自动化程度等方面的限制，也存在投资大、成本高、工艺复杂、处理能力小等缺点，主要用于“三下”采煤[6-11]。神东矿区已在15个矿井建成地下水库35座，总设计储水量达2 499.5万m3，储水系数一般为 0.15～0.25，这对地下采动空间进行了成功的探索和实践[12]。冒落区矸石流态化充填技术是地下采动空间储废新技术的一种，是将矸石破碎后简单胶结或直接加水制浆泵送充填至井下已冒落采空区的新型充填技术，既满足矿井矸石生态处理的要求，又对采空区灾害治理有一定促进作用，充填工艺简单、投资小、“采—充”工艺独立，在低成本规模化处理矸石方向的应用前景已初步显现。钱鸣高院士等通过开采后岩层移动实测，得到了岩层内部位移曲线，并揭示了采场上覆岩层下沉规律和采空区覆岩破断的“O型圈”形态，为精准利用采空区空间奠定了基础[13]。李兴尚利用分形理论研究条带开采冒落矸石堆体形态、空隙分布特征，并对某煤矿冒落区注浆充填量进行了预计[14]。张宏贞通过建立覆岩空间结构类型的残留空洞、空隙预测模型，将采空区覆岩结构类型分为“匚”、“工”、“伞”型3种基本类型[15]。胡胜勇等研究了采空区应力分布、岩石碎胀特性和垮落带空隙率的关系[16]。黄炳香等通过相似模拟试验研究了冒落带和裂隙带的孔隙率变化规律[17]。王建学等研究了冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉技术的可行性[18]。张天军等研究了矸石膏体充填材料粒径对其力学性能的影响，根据Talbol理论进行连续级配设计，配制了矸石膏体浆料[19]。古文哲等提出了煤矿固体废弃物浆体处理的技术构思，在龙王沟煤矿和锦界电厂进行了应用[20]。上述研究，为矸石冒落区流态化充填技术的应用提供了良好借鉴，但是，对地下采动空间的产生与发展规律的研究及利用尚无系统性成果。

基于砌体梁理论和采空区上覆岩层下沉规律，提出利用工作面冒落采空区残余空间处理矿井矸石，研究冒落区残余空间分布规律和冒落区矸石流态化充填技术，并在桑树坪二号井开展了工业性试验。

1 煤矸石井下处理与利用

1.1 煤矸石井下处理与利用方法

西部矿区煤炭开采普遍具有采高大、单产高等高强度开采特点，造成采动损伤更加剧烈，加之西部矿区生态脆弱，面临高强度开采和生态损伤剧烈与修复难的突出矛盾[21-23]。韩城矿区位于渭北煤田东北端，属典型的渭北黄土高原低山丘陵地貌特征，矸石地面堆积处理同样产生以上问题，煤矸石的综合利用及生态治理已是一个刻不容缓、亟待解决的问题，因此，韩城矿区煤矸石处理与利用应遵循减量化排放、源头治理、“采—充”平衡、经济高效和环境效益最佳的原则。基于以上原则，矿区矸石井下处理与利用方法如图1所示。

1.2 冒落区矸石流态化充填技术原理

在煤层开采后，覆岩由下至上分别为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。基于采动损伤空间守恒原理，提出采动损伤空间耗散分区模型[24]如下。

VM=V0+V1+V2+V3

(1)

式中V0为地表下沉的总空间；V1为冒落带采动损伤耗散空间；V2为裂隙带内采动损伤耗散空间；V3为弯曲下沉带内损伤耗散空间。根据空间守恒原理，采动损伤总空间VM等于煤层采出空间。

冒落带由冒落矸石组成，即使工作面充分采动后，内部仍然残余较大的空间，加之破碎煤岩体自身的碎胀性，使得冒落带为采动后空间最大的区域，这些空间是随着工作面推采动态变化的，且以空洞、空隙、孔隙等多种类型存在，称之为冒落区残余空间。在采空区边界附近由于悬臂岩梁的存在会产生大的空洞区域，深部则主要以空隙、孔隙区域分布，并且距离开采边界越远，空洞、空隙、孔隙量则越小[14-15]。煤层开采后产生大量的冒落区残余空间可作全矿井矸石处理的天然空间，因此，可通过邻近巷道在冒落带范围内协同布置高位、低位充填孔进行矸石流态化充填，实现冒落区“空洞-空隙-孔隙”多类型残余空间精准高效利用，即“高、低位协同共充技术”。高位孔终孔高度一般以冒落带上限为准，水平孔终孔高度与采高一致，具体可根据地质采矿条件调整。技术原理如图2所示。

冒落区流态化充填系统布置地面或井下矸石仓、破碎站、制浆站、充填泵站及管路，如图3所示。制备好的浆体通过泵站和管路输送至充填作业点，利用高位钻孔和低位钻孔协同共充至冒落区。

2 冒落区残余空间分布规律

2.1 试验工作面概况

桑树坪二号井3305工作面采用综合机械化放顶煤开采工艺，煤厚6 m，整体倾角为1°，工作面沿煤层倾向布置，切眼宽度165 m，可采长度870 m，可采面积143 550 m2。顶底板概况见表1。

表1 3305工作面顶底板概况

2.2 冒落区残余空间理论计算

冒落区内部的残余空间通常是不规则的、是无序分布的。根据冒落岩块分维数与孔隙率的关系，得到孔隙率与分维数的关系式为[14]

(2)

(3)

(4)

式中P为孔隙率，%；V为冒落区岩块总体积，m3；M为冒落矸石岩块质量，kg；ρ0为冒落岩块的密度，kg/m3；rmin为岩层冒落堆体中破碎最严重、数目最多，尺寸最小的岩块的直径，m；ρ为冒落区松散堆体密度，kg/m3；D为分维数；H为垮落带高度，m；h为开采煤层高度，m；b为开采煤层倾向长度，m；L为开采煤层走向长度，m。

根据试验工作面地层条件，结合冒落区矸石取样观察，工作面伪顶及直接顶较易垮落，冒落区矸石中泥岩、砂质泥岩、细砂岩的破碎较严重，如图4所示。根据工作面冒落区残余空间“空洞—空隙—孔隙”分布规律，将采空区按顶板岩层冒落量及矸石密积程度划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ区。根据Menger海绵分形模型，计算得出冒落区矸石的统计分维值D为2.765，则由式(2)计算可得Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ区对应孔隙率分别为：32.6%，20.27%，12.33%，8.60%。

采空区孔隙体积主要分布在冒落区，对孔隙率由冒落带在垂直方向上积分得空间滞留高度[25]。

(5)

(6)

联立上式得

(7)

得出冒落区残余空间为

Vc=Shv

(8)

式中S为工作面面积，m2；hv为滞留高度，m；Vc为冒落区残余空间体积，m3。将计算得到的冒落区孔隙率代入式(7)中可得滞留高度在冒落区不同位置分别为：2.47，1.54，0.94，0.65 m。

理论计算整个试验工作面冒落区残余空间体积约为200 970 m3，占整个采空区体积比为23.3%，以冒落区走向方向单侧长度1 m内的料浆充填量用延米充填量表征，则冒落区单侧延米充填量为97.1 m3。

2.3 冒落区残余空间分布规律探查

采用瞬变电磁法对试验工作面邻近的3307工作面冒落区进行残余空间地表电法探查，该工作面已回采完毕，地质采矿条件与3305试验工作面基本一致。依据实际地形和实地踏勘情况，在3307工作面设计瞬变电磁主测线21条，在主测线附近布置旁测线23条，瞬变电磁测线合计44条，瞬变电磁物理点合计1 806个，探测直径按D=H/10圈定，实际探测总面积40 484.5 m2，测点布置及探测范围如图5所示。

探测得出所有瞬变电磁测线(TMP-Z1～ TMP-Z21,TMP-P1～ TMP-P23)的视电阻率断面成果图，图6为测线TMP-Z14，TMP-Z19瞬变电磁视电阻率断面成果。

根据采空区顶板“O-X”破断规律，选取工作面南半区为代表研究区，提取所有测点250 m高程位置的视电阻率值，并根据总探测范围，绘制工作面250 m深度位置视电阻率切片成果如图7所示，3307工作面地质解译如图8所示。根据工作面地质解译平面图，对研究区内已推断异常区规模进行统计如下：推断空区(含水)异常区域共4处，总面积约为3 785.0 m2，占比约15.81%，推断空区(不含水)异常区域共5处，总面积约为1 847.2 m2，占比约7.72%。针对瞬变电磁法探测原理、探测设备以及成果解译过程中对第四系覆盖层、基岩层、煤层、含水空区、不含水空区的异常识别特征文中不再赘述。

根据上述异常区分布规律可知，冒落区残余空间多集中在边界附近，形态符合“O”形圈分布规律，实际探测到的冒落区残余空间面积占整个研究区的23.5%，探测结果为精准利用冒落区残余空间提供了指导。

3 现场充填试验

3.1 工艺流程

本次试验采用在相邻巷道跨煤柱施工充填钻孔对试验工作面冒落区进行注浆充填。为简化试验流程，试验所用矸石浆体均在商混站配制后罐车输送至地面泵站，经下料斗二次搅拌后通过工业充填泵泵送至井下充填钻孔充填冒落区。试验采用KOS25100HP工业充填泵，最高泵送压力14 MPa，最大输送量150 m3/h，充填主管路为DN245×22Q345B(16 Mn)，总长1 840 m，总高程差约175 m。现场充填试验工艺流程如图9所示。

3.2 充填材料选择

为了提高冒落区残余空间的利用率，需将矸石破碎到一定粒径级配作为骨料，并按比例配制成具有流动性好、扩散能力强、泌水率小的浆体。试验矸石的破碎粒径<3 mm，粒径占比如图10所示。

充填试验选用H-2，S-1和Y-1共3种配比浆体，所选用浆体矸石占比大、泌水率小、成本低，但因矸石参量不同，不同配比浆体的流动性和扩散能力有差异。为避免堵管，试验添加一定量的添加剂，同时配置灰浆用于充填前后润管，浆体配比参数及特点见表2。

表2 浆体配比参数

3.3 充填钻孔设计

依据矿井前期研究成果，3#煤层覆岩冒落带高度为21～26 m。基于试验工作面冒落带高度发育规律，设计高位孔如下：高位孔布置5#，6#，7#共3个，间距6 m，仰角分别为31°，45°，40°，实际施工孔深分别是18，20，40 m，终孔高度分别为15.3，20.1，31.7 m，终孔位置与煤柱水平距离为5.1，2.6，19.1 m。为充分考察浆体扩散规律，低位水平充填孔布置1#，2#，3#，12#，13#共5个，间距12，15 m，用12#，13#，4#水平孔兼作应急废料孔，充填钻孔布置如图11所示。

3.4 试验结果分析

试验持续时间15 d，合计充填浆体4 949 m3，处理矸石约6 414 t。其中，高位孔充填2 421 m3，低位孔充填浆体总体积为2 545 m3，各充填孔试验充填量见表3。

表3 充填量统计

通过试验数据分析，得出了以下结论。

1)2#水平孔充填全过程孔口无压力，平均流量为120 m3/h，回撤通道有少量浆体溢出，扩散距离为42 m，表现出无压阶段持续时间长、流量大的特点，主要以走向方向无压淌流式扩散为主。

2)5#高位孔首次充填1 063 m3，充填起始阶段压力有小微波动，二次充填浆体累计2 183 m3时孔口压力仍未出现陡增现象，充填期间13#平孔有少量水析出，浆体的实际扩散距离约为47 m，相比而言，高位孔充填覆盖冒落区垂向空间大，更利于浆体水平方向扩散以及冒落区多类型残余空间的精准高效利用。

3)12#，13#低位孔受邻近2#，5#孔充填的影响，充填量偏低，浆体沿倾向向深部扩散的动力不足，深部残余空间利用较低，结合2#，5#孔充填过程处于无压状态的特点，试验发现浆体扩散存在“通道效应”，即浆体在扩散过程中，普遍会选择阻力最小的“空洞”区域扩散。通过高位孔、低位孔协同可显著降低或解除“通道效应”和高效利用冒落区残余空间，但增大了钻孔工程量，因此对工程尺度上合理确定高、低位充填钻孔参数提出要求。

4)通过冒落区高、低位充填孔均可以安全高效充填矸石浆体，试验得出本次试验工作面冒落区单侧的延米充填量为31.9～58.9 m3。由于试验区为整个冒落区的一部分，相当于无封闭边界约束，无压充填浆体呈椎体形态扩展，在采用单孔充填时，存在孔口正下方浆体堆积厚度较大、两侧浆体则较薄的特点，因此，本次试验冒落区残余空间未完全利用，实际延米充填量低于理论延米充填量。

4 结 论

1)指出韩城矿区煤矸石处理与利用应遵循减量化排放、源头治理、“采-充”平衡、经济高效和环境效益最佳的原则，基于冒落区残余空间分布规律揭示冒落区矸石流态化充填技术原理。

2)根据冒落岩块孔隙率与分维数关系，结合冒落区残余空间的分区特性，得出试验工作面理论预计残余空间占采空区体积比约为23.3%。同时采用瞬变电磁法对试验工作面冒落区残余空间分布规律进行了地表探查研究，推断研究区内空区(含水)异常区域4处，推断空区(不含水)异常区域5处，实际探测到的冒落区残余空间面积占整个研究区的23.5%，探测结果为精准利用冒落区残余空间提供了指导。

3)工业性试验验证冒落区高、低位充填孔均可以安全高效充填矸石浆体，总结了高、低位充填孔充填的工艺特点，得出试验工作面冒落区单侧的延米充填量为31.9～58.9 m3。研究成果为韩城矿区大规模低成本处理矸石奠定了空间容量设计依据。