固體廢棄物采空區充填前景淺析

摘 要：固體廢棄物井下換煤充填采空區是一種良好的固體廢棄物的解決方案，能夠大大的減輕固體廢棄物堆積過程中風化揚塵、自燃等對生態環境的影響，也能減少對土地資源的占用，同時減輕了安置搬遷的壓力，具有良好的生態效益、經濟效益、社會效益。文章就城市固體垃圾及煤矸石進行分析，探討采空區充填的新途徑。

關鍵詞：城市固體垃圾；煤矸石；采空區充填；潔凈綠色開采

城市垃圾是城市中固體廢棄物混合體的統稱，其處理情況直接關系到我國城市景觀、資源的合理利用和社會的可持續發展。據有關資料統計，中國每年產生近1.5億噸城市垃圾，累積堆放量已高達70億噸。中國約有三分之二的城市陷入垃圾圍城的困境，這些城市垃圾絕大部分是露天堆放。大量露天堆放的垃圾所產生的惡臭和滋生的蚊蠅蟲鼠嚴重影響人們的健康，垃圾在長期存貯發酵過程中產生的污物，對附近土壤、水體、大氣都將產生極為嚴重的污染[1]。

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中的廢棄物，占中國工業固體廢物排放總量的40%以上。我國每年約產生1.3億t煤矸石，目前全國煤矸石山超過1500座，堆積已超過50億t，占地面積約22萬公頃。煤矸石長期堆存，占用大片土地，其中所含的硫化物和重金屬逸出或浸出會污染大氣、農田和水體，對生態和環境造成損害。矸石山還會自燃發生火災，或在雨季崩塌，淤塞河流造成災害。

同時，煤礦開采造成大量采空區，在強大地壓作用下容易引起地表沉陷，發生坍塌事故，破壞原有地上建筑物、構筑物和耕地。目前，我國因采礦形成的采空區面積約80.96萬公頃，造成的地面塌陷面積約35.22萬公頃，占壓和破壞土地面積143.9萬公頃。

1 城市垃圾充填

1.1 傳統處理方式

城市垃圾一般通過填埋處理、堆肥處理和焚燒處理進行處置，如圖所示：

1.1.1 填埋處理

填埋方法簡單、投資低，基本可以處理所有種類的垃圾，所以垃圾填埋是我國普遍采用的方法。但直接填埋處理時埋掉了大量可回收資源，同時填埋場地的選址問題越來越難以解決，運輸成本、流程管理成本也不斷提高，而且填埋場占地面積大，可造成對土地的二次污染。

1.1.2 堆肥處理

堆肥處理是將生活垃圾堆積成堆，在一定的溫度條件下借助微生物將有機物分解為無機養分。但此方法不能對塑料制品等不可腐爛的有機物和無機物進行處理，而且堆肥處理周期長，堆肥量大，衛生條件差，肥料養分含量低、長期使用易造成土壤板結，與化肥相比，經濟效益差。

1.1.3 焚燒處理

焚燒法是指將垃圾中的可燃物在焚燒爐充分氧化，再利用產生的熱量進行發電和供暖。焚燒處理對垃圾低位熱值要求大于3.35Mj/kg，否則就要添加助燃劑，且焚燒廠的建設和生產費用較高，使得垃圾焚燒法的應用受到很大限制。

1.2 城市垃圾充填原理

城市垃圾采空區充填主要是利用垃圾中無害的無機固體部分，因此首先要對城市固體垃圾進行無害化處理，并分類進行安置：對于有機種類的垃圾進行堆肥或焚燒處理，并回收可再利用的資源；對于垃圾中塊度較大的無機固體廢棄物則應破碎至適當塊度，作為骨料加入一定量水泥及早強劑，并和一定量的水配制成膏體或似膏體，通過專用管道輸送至采空區進行充填。

1.3 城市垃圾充填的可行性

經過對城市垃圾和采空區處理現狀及充填開采方法的發展趨勢的分析，可以對城市固體垃圾充填采空區進行如下分析：

把城市固體廢棄物的處理和采空區的充填有機結合，既可以實現對垃圾的無害化管理，又可以改善巷道和圍巖的應力狀態，減小地表下沉和變形，有效保護地面建筑物、生態環境和水體；采空區的圍巖在受到采動影響后將很快發生變形破壞，因此為保證充填效果的時效性和提高充填體的早期強度，在實際充填時，應向水泥和固體廢棄物配成的充填物中加入早強劑；同時應將采空區圍巖進行防滲處理，并及時封閉充填后的采空區以避免充填過程中的水體滲入地下水層引起污染。

因此，實施城市固體廢棄物處理與采空區充填兩者的結合，是一項意義深遠的綠色工程。

2 矸石充填

2.1 矸石充填技術的優勢

（1）減少了提矸、運矸環節工作量和費用；（2）產出的矸石用于采空區充填，減少了矸石對地面的占用和污染；（3）矸石充填采空區，有效地控制了地表沉陷，大大提高了采煤工作面頂板的安全性，是“三下”條件下采煤頂板管理的有效方法；（4）工藝過程不復雜，可實現保護地面建筑物。

矸石充填開采技術，實現了以矸石換煤炭、矸石免提升、不占地的潔凈綠色開采效果，有效地解決了“三下”壓煤問題，對延長礦井壽命，保障生產安全具有重要意義。

2.2 煤矸石回填采空區的常用方法

煤矸石回填采空區的充填方法主要有水力充填、風力充填、機械充填和自溜充填等。由于機械充填和自溜充填效率較低、效果較差，因此通常采用水力充填和風力填充。

水力充填是最常用的方法之一，其工藝流程見圖。一般是將破碎到約12mm的煤矸石、砂、碎石、爐渣或其他固體廢棄物混合后，加入一定量的水攪拌成砂漿，然后用自然壓頭或泵壓，通過管路送到井下充填。填料干燥后，即可均勻緊密的留在礦井內充填采空區，以支撐圍巖、防止或減少圍巖跨落或變形[2]為目的，排出的水則由泵抽出，循環使用。水力填充可阻止空氣和水進入填充層，因此煤矸石發生自燃的可能性就會減少，對周圍造成污染的機率會大大降低[3]。

應當注意的是，具體實施過程中應根據煤矸石的種類適當改變添加料。當主要為砂巖和石灰巖時，需要向填充材料里加入適量粘土、粉煤灰等材料以增強填充料的粘結性和惰性。當主要為泥巖和碳質巖類時，需要添加適量沙子來增強充填料的骨架結構強度和惰性。

風力回填是以壓縮空氣為動力，將充填材料沿充填管路輸送到采空區進行充填。風力充填的主要特點是充填體致密、充填能力大、系統簡單易行，但對充填料的粒度、配比等要求比較嚴格，而且動力消耗較大、對管路耐磨性能要求較高。

2.3 技術經濟評價

井下矸石充填技術在消除矸石山及污染，不僅可以改善開采造成的圍巖變形和破壞、地表下沉和移動以及對地點建筑物、構筑物、水體和人民正常生產生活的破壞，而且可以減少矸石提升的成本與地面矸石山對環境的破壞和對土地的占用。矸石井下直接處理進行充填開采還對采場頂底板管理、改善井下通風環境十分有利。

3 進一步展望

固體廢棄物采空區充填目前沒有現成的經驗可以借鑒，需要我們不斷探索和實踐。根據本文的分析，固體廢棄物采空區充填具有很高的技術可行性，進一步推廣需考慮以下問題：

3.1 加快這種綜合治理方法的技術、工藝及相關設備的研究與配套，積極開展工程示范，促進研究成果的商品化、產業化[4]。

3.2 目前由于國內固體廢棄物充填采空區的實踐幾乎為零，因此對于其充填開采后的礦壓顯現規律的研究尚無建樹，加強對于采后礦壓顯現規律對于固體廢棄物充填采空區技術有重要意義。

3.3 充填之前的頂板下沉量對充填效果有重要影響，因此需要不斷總結經驗，著力推廣行之有效的固體廢棄物井下換煤方法及相關設備促進固體廢棄物填充產業的有序發展[5]。

綜上所述，固體廢棄物充填采空區方法不僅可以得到資源的合理利用和經濟效益，而且能夠獲得巨大的政府支持和環境效益，因此固體廢棄物充填采空區具有十分開闊的應用前景。

參考文獻

[1]谷志孟，白世偉.關于用城市垃圾回填礦山采空區的環境治理問題[J].科技導報，2000，45（6）：55-58.

[2]張欽禮，王新民，鄧義芳.采礦概論[M].北京：化學工業出版社。2008.

[3]戚家忠，胡振琪，周錦華.高潛水位礦區煤矸石充填復墾對環境的影響[J].中國煤炭，2002，28（10）：39-42.

[4]孫文標，郭軍杰，張建立，等.煤系固體廢棄物用作充填材料改善煤礦安全和環境狀況[J].礦業安全與環保，2008（1）：70-72.

[5]谷志盂，白世偉.利用城市垃圾充填廢棄采礦空場的環境綜合治理建議[J].科技進步與對策，2000（1）：25-26.