黃土溝壑礦區高濃度自流充填技術研究

鄧俊林，崔 鋒

(1.山西神州煤業有限責任公司,山西 呂梁 033000;2.天地科技股份有限公司,北京 100013)

山西省是我國重要的煤炭生產基地,煤炭面積達 6.2萬km2,占全省土地總面積的39.6%,目前已探明的煤炭儲量達2 353.7億t,累計開采總量約40 億t。但是經過連年開采,目前易采可采的煤炭資源日趨減少,建(構)筑物下壓煤開采成為眾多煤礦要解決的問題。同時,能源城市煤炭利用產生的以粉煤灰為主的固體廢棄物的無害化處理,也是困擾城市可持續發展的難題。近年來,我國中東部礦區應用以粉煤灰、廢棄矸石為主要充填材料在建(構)筑物下進行充填開采的技術得到快速發展[1-3]。胡炳南[4]經過對20個典型煤礦充填開采應用實例的研究,系統分析了膏體充填、長壁普采矸石充填、高水充填、巷道掘進拋矸充填和長壁綜采矸石充填等的技術特點,并得出了其適用條件。劉鵬亮[5]等以風積沙為骨料,經過一系列實驗研究開發了風積砂似膏體機械化充填采煤技術,通過榆陽煤礦的現場應用驗證了該充填采煤技術的合理性。

本文應用粉煤灰基高濃度自流充填技術將粉煤灰等固體廢物制成充填材料回填至井下采空區,以實現保護地面建(構)筑物的目的,同時提高了資源回收率,保護了礦區環境,為實現煤礦綠色開采提供了新途徑。

1 高濃度自流充填技術

高濃度自流充填技術[6-7]是以充填料質量分數為50%～66%的料漿自流充填采空區,凝固后支撐頂板達到控制開采沉陷的一種膠結充填技術。高濃度自流充填因其系統簡單、初期投資低、系統可靠度高、巖層移動控制效果好等特點,在山東、遼寧地區應用較廣。

1.1 高濃度自流充填材料

高濃度自流充填材料以粉煤灰、尾礦、建筑垃圾等硅質材料為主料,以延緩劑、速凝劑、固化劑和膨脹劑等為輔料,與水充分攪拌混合后,制成水固質量比為(1.3～1.5)∶1左右的充填料漿。該材料具有流動性好、有一定膨脹性、成型后可保持長期穩定的特點。

1)反應原理。該充填材料利用堿激發原理,以輔料中的堿土氫氧化物激發主料粉煤灰中的火山灰物質(SiO2，Al2O3),以生成具有水硬性的水化硅酸鈣(C2S2H凝膠)、水化鋁酸鈣(CAS)、CaO-SiO2-H2O等系列水化產物。充填材料反應方程式如下所示:

3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O

(1)

2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(2)

3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2

(3)

2)流動性。在實驗室測定了粉煤灰骨料∶粉煤灰及輔料質量比為1∶1的情況下,不同填料含量的料漿的表觀黏度和剪切應力，測試結果如表1所示。結果表明:主料加輔料質量分數不超過66%時,其表觀黏度在102 mPa·s以內,剪切應力在2.82 Pa以內,初始剪切應力在2 Pa以內,能實現料漿2 h不凝固且流動性較好,故應控制現場作業時主料加輔料質量分數小于等于66%。

表1 不同填料含量料漿的表觀黏度和剪切應力Table 1 Apparent viscosity and shear stress of slurry with different concentrations

為檢驗該材料的流動性，在煤礦井下進行了不同填料含量的料漿實際流動性測試，測試結果如表2所示。從表2中可以看出，輸送管道高差均為270 m條件下，填料質量分數為55%的料漿進行井下自流輸送試驗時的流量為61.70 m3/h，流速為1.50 m/s，其流動性高于63%、66%的料漿，說明主料加輔料質量分數為55%的料漿流動性較好，因此確定主料加輔料質量分數為55%。

表2 井下自流料漿輸送試驗數據Table 2 Underground gravity flow test data

3)材料膨脹性。實驗室測得該充填材料的膨脹率控制在3%～10%,材料具有良好的膨脹性,可有效提高現場充填作業時的充填接頂率，實現充填體主動接頂。

4)充填體長期強度[8]。在王臺鋪煤礦地面養護質量分數為55%的充填體,并對井下已充填材料進行取芯,測試各齡期地面養護充填體和井下取芯充填材料的強度,來分析時長對充填體強度的影響,測試結果如圖1所示。

圖1 充填體各齡期強度Fig.1 Strength of filling body at different ages

由此可知,充填體強度總體隨成型充填體齡期的增長而增長,充填7 d時樣品的單軸抗壓強度達到2 MPa,28 d時充填體強度在3 MPa以上,90 d時充填體強度在4 MPa以上,表明充填體可保持長期穩定。

5)泌水率。實驗室內測定該充填材料的泌水率一般小于1%。在王臺鋪煤礦現場實測充填材料的泌水率結果如圖2所示,實測結果顯示該充填材料泌水率平均值為0.28%,表明該充填材料的泌水率滿足充填開采要求。

圖2 充填體泌水率變化實測結果Fig.2 Measured results of filling body’s bleeding rate

1.2 高濃度自流充填系統

充填開采工藝系統包括制漿系統、輸送系統和采空區充填三部分。制漿系統如圖3所示,由儲料罐、一級攪拌罐、二級攪拌罐構成。儲料罐由粉煤灰罐、輔料罐構成。充填開采工藝系統運行時,首先向一級攪拌罐內注入定量的水,邊攪拌邊注入與水相應配比的粉煤灰,攪拌制成初漿;然后將初漿與儲存在輔料罐中的輔料按照設定配比同時輸入二級攪拌罐,在攪拌器的作用下自上而下強力、快速的混合,邊攪拌邊輸出料漿,實現連續在線制漿;最后料漿經控流、過濾、管路輸送系統,靠料漿重力自流輸送到充填工作面進行充填。

1.3 煤礦高濃度自流充填應用

目前高濃度自流充填技術已在王莊煤礦、埠村煤礦、彩屯煤礦、艾友煤礦、王臺鋪煤礦、榆陽煤礦等進行現場應用,多數煤礦通過該技術進行三下壓煤的回采作業,均達到了控制開采沉陷的目的。

圖3 充填站制漿系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of the slurry system of filling station

2 黃土溝壑礦區高濃度自流充填技術應用研究

以呂梁某礦為背景,論證高濃度自流充填開采技術在黃土溝壑地區實施的可行性。

2.1 地質采礦條件

山西呂梁某礦采用斜井開拓,年生產能力120 萬t,主采4#，8#煤層。全礦井三下壓煤約920 萬t。其中4#煤為特低灰、中等揮發性、低硫、特低磷、高發熱量的焦煤,煤質最好,該礦六采區垃圾場及村莊下壓煤量約180萬t,有回采意義。目前該礦六采區地面建(構)筑物較為密集,搬遷難度較大，若采用條帶開采,預計可回收約30%的煤,回采率較低,故考慮采用充填開采。

4#煤層六采區位于井田的南端,東西長約1 850 m,南北寬約1 600 m,采區面積約3 km2。采區地表有垃圾場、村莊等。地面標高+915～+1 087 m。根據采區內鉆孔的揭露,煤層底板標高為+703～+735 m。本區煤層傾角3°～5°,一般為4°,煤層厚度為0.8～1.6 m。煤層的直接頂為砂質泥巖,局部夾粉砂巖,厚度為2.5～6.7 m,一般在4.3 m。煤層的直接底為細砂巖,厚度為2～2.5 m,平均厚度為2.3 m。煤層依次向下對應的底板為細砂巖、砂質泥巖、泥巖、砂質泥巖、5#煤層、泥巖、砂質泥巖等。

2.2 地面保護等級要求

地面建(構)筑物主要為生活垃圾場及村莊。

垃圾場處于山溝中,為生活垃圾場,南北向長度約820 m,東西向平均寬度約70 m,全場占地面積約16.38 萬m2。垃圾場鋪設采用防水土工膜,為掌握垃圾場土工膜的性能,進行了力學測試,其縱向橫向屈服伸長率均為14%,縱向斷裂伸長率為767%,橫向為757%。考慮一定的安全期系數,垃圾場及辦公區建筑物正常使用的采動變形在I級以內，即下沉值小于300 mm,水平拉伸變形小于2 mm/m,水平壓縮變形小于2 mm/m,傾斜變形小于3 mm/m。

村民約400余戶,常住人口約2 000人。村莊(社區)住宅以磚混、磚木結構平房、樓房為主。建(構)筑物變形控制在I級范圍內時,可不維修或簡單維修繼續使用。考慮一定的安全性,設定下沉值小于200 mm,水平拉伸變形小于1 mm/m,水平壓縮變形小于2 mm/m,傾斜變形小于3 mm/m。

2.3 充填材料

呂梁地區大部分地表被黃土覆蓋,濕陷性黃土極易受采動影響發生裂縫或臺階下沉。呂梁市為能源大市,且離柳礦區為我國重要的焦煤產地,該地區分布有大量用于發電、供熱的燃煤電廠,煤炭的利用會產生大量的粉煤灰,全市每年粉煤灰產量初步估計在200 萬t以上,現階段一半以上的粉煤灰難以資源化利用,存在潛在污染環境的可能。

為對該地區煤炭利用所產生的粉煤灰進行進一步的資源化利用,取山西中鈺能源有限公司、山西呂梁山煤電有限公司方山電廠所產生的粉煤灰進行化學成分測試,測試結果如表3所示。

表3 粉煤灰成分分析Table 3 Composition analysis of fly ash

實驗室內將中鈺能源粉煤灰與方山煤電粉煤灰分別與輔料、水按質量比1∶0.2∶1制成充填材料后,主料加輔料質量分數為55%,料漿流動度分別為190 mm和170 mm,均能滿足倍線20的自流輸送。

實驗室內測中鈺粉煤灰加輔料質量分數為55%的料漿時,成型齡期為12 h，3，7，14，28 d時的單軸抗壓強度分別為0.2，1.1，2.0，2.3，2.5 MPa,成型齡期為12 h，3，7，14，28 d時的彈性模量分別為0.1，0.3，0.5，1.0，1.2 GPa。結合該礦覆巖力學參數,在充填體高度1.6 m、埋深200 m、充填體彈性模量為1.2 GPa的條件下,數值模擬所得地表下沉值為160 mm,能滿足煤礦充填開采需求。

2.4 充填制漿系統及管路輸送

采用如圖3所示的充填制漿工藝及系統進行該礦充填開采料漿的制作。

為達到礦方設計的六采區年產20 萬t煤炭的生產計劃,設計充填系統的充填能力為150 m3/h。

(4)

式中:Q為體積流量,m3/h;v為流速,m/s;d為管道內徑,mm。

將Q=150 m3/h,v=2.4 m/s代入式(4),可得d=148 mm。

綜上，六采區垂深270 m,充填管路系統總長度約2 100 m,理論計算所得管路參數為Φ168 mm×10 mm時能滿足充填要求。

2.5 工作面充填工藝

設計六采區4604充填開采工作面充填作業采用“采煤-充填-采煤-充填”的循環模式進行,工作面每采四刀煤后充填一次,即充填步距為2.4 m,將采空區充滿待充填體凝固后進行下個采煤循環,如圖4所示。采用在支架后方掛袋的方式,向袋內充填漿體,來保證采空區形成密閉的充填空間。

(a)上循環充填體凝固

3 充填開采效果分析

3.1 充填開采地表變形效果預計

采用概率積分法對該礦六采區4604(1)充填工作面開采區域進行地表變形預計[9]。采用充填開采時地表變形預計中下沉系數η=0.08,采用自然垮落法開采時下沉系數η=0.7,水平移動系數b=0.22,主要影響角正切tanβ=2.1,拐點移動距S=0,開采影響傳播角θ0=90°-0.6α。計算所得地表變形預計最大值如表4所示。

表4 地表變形預計最大值Table 4 Maximum predicted surface deformation

分析表4可知,采用充填開采時地表最大水平變形均在Ⅰ級范圍內,上覆巖層變形平緩,開采過程中產生的地表移動變形值小于最終值,不影響地表建筑物的正常使用。相比垮落法,充填法開采地表下沉及變形值減少90%以上,與模擬結果相近,可以達到控制開采沉陷的目的。

3.2 充填開采地表變形實測

在該礦六采區4604(1)充填工作面回采期間,工作面對應地表區域布置有傾向觀測線與走向觀測線進行工作面回采期間地表變形的監測。由于該充填工作面尚處于回采初期,故對傾向觀測線中的WA60測點和走向觀測線中A20測點的變形量進行分析,統計結果如圖5。

(a)傾向觀測線WA60測點

觀察圖5可知,在4604(1)充填工作面回采通過傾向測線WA60測點與走向測線A20測點300 m的范圍內,隨著工作面充填開采的進行，地表傾向測點與走向測點的最大下沉量穩定于約160 mm,與概率積分法預測的地表最大下沉值基本相同,有效地控制了地表變形。

3.3 高濃度膠結自流充填對環境影響的分析

高濃度膠結自流充填技術以粉煤灰為主料,通過堿激發原理結合輔料對粉煤灰進行資源化利用,處理了大量粉煤灰,減輕了地面處理粉煤灰造成的環境污染。

為進一步掌握高濃度膠結自流充填技術對地下水環境的影響,依據GB 30760-2014《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》對以粉煤灰為主料的充填料漿進行監測,結果如表5所示。

表5 粉煤灰料漿重金屬浸出檢測結果Table 5 Test results of heavy metal leaching in fly ash slurry

由表5可知,充填材料有效將粉煤灰、煤矸石中的重金屬元素進行了固化,充填料漿可浸出重金屬及固料重金屬檢測結果均合格,因此進行井下充填開采不會造成地下水源污染,同時減輕了粉煤灰地表外排對環境的影響。

3.4 充填開采經濟效益分析

經計算充填開采噸煤增加成本為188.70元,該礦4#煤層綜合機械化采煤綜合成本約450 元/t,因此充填開采噸煤成本合計638.7元。該礦4#煤層的市場綜合價格為900 元/t,故采用充填開采仍有較大的利潤空間,噸煤利潤約261.3元,六采區建筑物下壓煤的充填開采每年可帶來產值約1.8億元,每年產生約5 220萬元利潤,經濟效益可觀。

4 結論

本文對以粉煤灰為主料,以延緩劑、速凝劑、固化劑和膨脹劑等為輔料,按特定比例制成的充填材料的流動性、膨脹性、泌水率和強度進行實驗分析,得出該充填材料滿足充填開采要求的結論,并對高濃度自流充填系統及工藝進行介紹。結合呂梁某礦的具體條件,設計并進行以粉煤灰為主料的高濃度自流充填系統現場應用,得到充填開采相比垮落法開采地表下沉及變形值減少90%以上的效果,現場充填開采地表最大下沉量穩定于160 mm左右,并且該材料不會對地下環境造成影響。通過現場試驗論證了黃土溝壑地區實施高濃度自流充填開采建筑物下壓煤的可行性,為呂梁及類似地區充填開采提供了有益借鑒。