西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢多態(tài)充填技術(shù)應(yīng)用與實踐

朱 磊

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

我國西部生態(tài)脆弱區(qū)主要是指寧夏、陜北、蒙西的農(nóng)牧交錯區(qū)，這些區(qū)域的農(nóng)耕區(qū)和草原牧區(qū)地理上相連接，氣候上降水量少、氣候半干旱，屬于典型的生態(tài)環(huán)境變化過渡地帶[1-3]。同時，西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源賦存豐富、開采條件好，建設(shè)有陜北、神東等大型煤炭生產(chǎn)基地，配套建設(shè)了多個大型、特大型煤電一體化及煤化工一體化的煤礦。根據(jù)《2019年BP世界能源統(tǒng)計年鑒》[4]，鄂爾多斯盆地西北部的寧夏、陜北、蒙西原煤產(chǎn)量占我國原煤總產(chǎn)量50%以上，在我國能源安全供應(yīng)中具有舉足輕重的地位。煤炭資源大規(guī)模、高強度開采的同時，帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題：一是生態(tài)破壞問題，煤炭資源的開采造成了地表沉降，每年新形成的沉陷土地面積約為 3.34萬hm2，由于西部生態(tài)脆弱區(qū)自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致農(nóng)牧交錯區(qū)呈現(xiàn)出嚴(yán)重的草地退化、沙化和鹽堿化；二是環(huán)境污染問題，根據(jù)《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[5]，西部生態(tài)脆弱區(qū)產(chǎn)生煤矸石4.03億t、煤泥9 120萬t，粉煤灰6 320萬t，鍋爐粗渣4 488萬t，如此體量的固體廢棄物排至地面后會造成地表水污染、占用土地、自燃發(fā)火等問題，超出西部生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)環(huán)境承受閾值，進而使草地嚴(yán)重退化、沙化和鹽堿化。

國家多次強調(diào)要保持加強西北生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略定力，牢固樹立生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的導(dǎo)向。2020年4月29日，新修訂的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》[6]特別關(guān)注固體廢物污染的“源頭防控”，明確規(guī)定產(chǎn)廢單位對工業(yè)固廢的全程性責(zé)任；2020年5月28日新頒布的《中華人民共和國民法典》[7]體現(xiàn)了“綠色原則”，制定了生態(tài)環(huán)境損害的懲罰性賠償制度。因此，科學(xué)、綠色、合法、合規(guī)地處置煤矸石、粉煤灰、鍋爐粗渣等固體廢棄物已成為西部生態(tài)脆弱區(qū)能否實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。

1 固廢多態(tài)充填技術(shù)優(yōu)勢及生態(tài)需求

1.1 西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢綜合利用現(xiàn)狀

近年來我國專家、學(xué)者在固廢綜合利用方面取得了長足的發(fā)展[8-9]，以煤矸石為例，其利用量逐年增加(如圖1所示)，綜合利用途徑不斷擴展(如圖2所示)。

圖1 2013—2019年我國煤矸石產(chǎn)量與利用情況

圖2 2019年我國煤矸石主要利用途徑

1)能源領(lǐng)域應(yīng)用

目前研究發(fā)現(xiàn)煤矸石中夾雜有10%～25%的炭質(zhì)可燃物，屬于低熱值燃料。使用煤矸石作燃料發(fā)電，在實現(xiàn)變廢為寶的同時，可降低煤炭資源的用量。然而煤矸石發(fā)電企業(yè)受市場競爭、運輸成本、技術(shù)條件、發(fā)電裝機容量、電能轉(zhuǎn)換效率低等因素影響，經(jīng)濟效益走低。另外，煤矸石發(fā)電產(chǎn)生的粉煤灰、脫硫石膏、廢煙氣脫硝催化劑等固體廢棄物仍面臨固廢處置難題。

2)建筑材料領(lǐng)域應(yīng)用

煤矸石和鍋爐粗渣中主要含有SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分，是一種近似于黏土質(zhì)的原料，可以通過相關(guān)工藝燒制成普通硅酸鹽水泥、無熟料水泥等多種建筑材料，但由于不同地區(qū)的煤矸石、鍋爐粗渣等受所在地區(qū)地質(zhì)情況影響，構(gòu)成的礦物種類組成及含量差別較大，僅有少部分煤矸石和鍋爐粗渣可被利用。

3)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用

利用固廢的酸堿性及其中含有的多種微量元素和營養(yǎng)成分，可將其用于土壤改良，調(diào)節(jié)土壤的酸堿度和疏松度，并可增加土壤的肥效。但由于具有利用價值的固廢數(shù)量有限，因此并不能將大規(guī)模的固廢處理手段運用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

1.2 固廢多態(tài)充填技術(shù)優(yōu)勢

固廢多態(tài)充填技術(shù)是指將煤矸石、粉煤灰、鍋爐粗渣等固體廢棄物直接制成膏體、漿體等不同流態(tài)形式填充至井下采動空間中，從而起到處理固廢、控制巖層移動、減緩地表下沉、保護地下水資源的作用[10-12]?；谖鞑可鷳B(tài)脆弱區(qū)固廢產(chǎn)量大、固廢綜合利用量有限的現(xiàn)狀，固廢井下充填是一項符合國家產(chǎn)業(yè)政策、前景光明的技術(shù)手段[13-14]。

1.3 固廢多態(tài)充填技術(shù)生態(tài)需求

“缺氣、少油、富煤”的能源格局決定了以煤炭作為主導(dǎo)能源是國家經(jīng)濟社會發(fā)展的必然選擇。我國西部生態(tài)脆弱區(qū)煤電一體化、煤化工一體化是煤炭資源規(guī)模開發(fā)利用的主要方式，固廢處理、地面生態(tài)保護、地下水資源保護是綠色開采的難點。固廢多態(tài)充填技術(shù)將煤炭采掘洗選、加工利用活動產(chǎn)生的伴生廢棄物原位返還井下采動空間，實現(xiàn)了在源頭消納固廢及原態(tài)控制地表，把煤炭開發(fā)、資源利用和環(huán)境保護有機協(xié)調(diào)統(tǒng)一，固廢多態(tài)充填已成為西部生態(tài)脆弱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。

2 固廢多態(tài)化充填技術(shù)內(nèi)涵

圍繞西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢處理難題，以生態(tài)保護需求為導(dǎo)向，以新時代生態(tài)文明思想為根本遵循，以固廢井下充填技術(shù)為載體，集成跨界先進技術(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)適性技術(shù)、提升系統(tǒng)匹配技術(shù)，突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，構(gòu)建地區(qū)適應(yīng)型、工藝匹配型和經(jīng)濟高效型西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢多態(tài)化充填的理論、技術(shù)與裝備，實現(xiàn)固廢零排放、環(huán)境低損傷、生態(tài)弱擾動功能，最終實現(xiàn)西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢綠色化處理。西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢多態(tài)化充填技術(shù)框架如圖3所示。

圖3 西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢多態(tài)化充填技術(shù)框架

3 固廢多態(tài)化充填技術(shù)體系

3.1 固體充填技術(shù)

1)發(fā)展簡況

固體充填技術(shù)在我國發(fā)展于2000年以后，由于固體充填系統(tǒng)投資大、運營成本高，最初的固體充填技術(shù)應(yīng)用目的在于控制巖層移動。歷經(jīng)20 a的發(fā)展，固體充填技術(shù)不斷完善成熟、充填效率大幅提高，目前低生態(tài)環(huán)境損傷已成為固體充填技術(shù)主要應(yīng)用目標(biāo)[15-17]。

2)技術(shù)原理

固體充填技術(shù)是指將煤矸石、粉煤灰及鍋爐粗渣等固體廢棄物直接通過連續(xù)或半連續(xù)運輸方式輸送至井下，并利用充填液壓支架、拋夯一體機等設(shè)備將固廢填充至充填區(qū)域。其中,固體充填技術(shù)按照在井下充填區(qū)域的不同分為工作面固體充填技術(shù)(刮板輸送機卸矸充填)和巷道充填技術(shù)(短壁干式充填)。工作面固體充填技術(shù)原理如圖4所示。

圖4 工作面固體充填技術(shù)原理示意圖

3)設(shè)計方法

固體充填技術(shù)設(shè)計流程如圖5所示,主要包括固廢地面運輸與破碎系統(tǒng)設(shè)計、固廢下井系統(tǒng)設(shè)計、充填工作面(或充填巷)排矸系統(tǒng)設(shè)計。

圖5 固體充填技術(shù)設(shè)計流程

固廢地面運輸和破碎作為固體充填技術(shù)的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，在其設(shè)計上應(yīng)充分考慮地面和井下生產(chǎn)系統(tǒng)、固廢運輸破碎系統(tǒng)和井下充填制度的銜接，保障其系統(tǒng)獨立、生產(chǎn)可靠；固廢下井系統(tǒng)在設(shè)計上應(yīng)從源頭減量的角度重點關(guān)注固廢下井方式選擇、下井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及物料投放關(guān)鍵參數(shù)計算；充填工作面(或充填巷)排矸系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)從工作面設(shè)備布置形式、充填面生產(chǎn)能力、關(guān)鍵設(shè)備選型及充填工藝方面展開。

4)技術(shù)適用條件

工作面固體充填技術(shù)固廢處理能力最大可達(dá)1.0 Mt/a以上，噸矸充填成本為60～80元；巷道固體充填技術(shù)固廢處理能力一般不大于0.3 Mt/a，噸矸充填成本為40～60元。該技術(shù)主要適用于煤厚在2.5～5.0 m，頂板條件較好的礦井。

3.2 膏體充填技術(shù)

1)發(fā)展簡況

膏體充填技術(shù)始于20世紀(jì)50年代的加拿大，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，膏體充填技術(shù)已在我國的淄博、濟寧、峰峰和陜北礦區(qū)得到了應(yīng)用[18-19]。

2)技術(shù)原理

膏體充填技術(shù)是指將固廢在地面或井下進行篩分破碎，并輔以水泥、粉煤灰、添加劑和水，加工制成無臨界流速、不需脫水的高濃度膏體，利用充填工業(yè)泵，通過管道輸送到井下采空區(qū)，適時進行置換采煤的新型采煤方法。膏體充填技術(shù)原理如圖6所示。

圖6 膏體充填技術(shù)原理示意圖

3)設(shè)計方法

膏體充填技術(shù)設(shè)計流程如圖7所示，主要包括充填站設(shè)計、充填工作面設(shè)計、膏體充填料配比設(shè)計和充填子系統(tǒng)設(shè)計。

圖7 膏體充填技術(shù)設(shè)計流程

充填站是膏體制備場所，其選址時應(yīng)兼顧充填原料運輸和井下膏體運輸。充填工作面設(shè)計包括充填區(qū)域選擇、充填能力與采充參數(shù)設(shè)計、工作制度與充填步距確定；膏體充填配料比設(shè)計包括充填原材料選擇、充填原材料性能分析、充填材料配比和輸送可靠性分析；充填子系統(tǒng)設(shè)計包括固廢供給系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、膏體配比攪拌系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、充填管路系統(tǒng)、充填專用控制閥系統(tǒng)、電氣集中控制系統(tǒng)設(shè)計等。

4)技術(shù)適用條件

膏體充填技術(shù)因其控制頂板效果良好，在“三下”壓煤充填開采中應(yīng)用較多，噸矸充填成本為 50～70元。

3.3 漿體充填技術(shù)

1)發(fā)展簡況

漿體充填技術(shù)最早由蘇聯(lián)學(xué)者發(fā)明，并被稱為覆巖離層注漿減沉技術(shù)。20世紀(jì)80年代被范學(xué)理教授引進國內(nèi)后先后在撫順、大屯、新汶、兗州、開灤、淮南礦區(qū)進行了工業(yè)應(yīng)用，積累了一定的實踐經(jīng)驗[20-21]，但由于離層注漿不能對采動空間有實質(zhì)性的介入，目前注漿效果存在爭議。近年來，中煤能源研究院在覆巖離層注漿、黃泥灌漿、礦漿管道輸送的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化和集成創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，提出了漿體管道立體充填技術(shù)[22]。

2)技術(shù)原理

漿體管道立體充填技術(shù)的基本原理是將矸石等固體廢棄物破碎、研磨成微小顆粒，然后以水為載體，以管路為通道，以泵壓為動力，將固廢顆粒高效遷移至井下開采垮落后的殘余空間，利用“水—砂”混合物在開放空間的沉淀特性及采空區(qū)的過濾能力，使固廢顆粒滯留于井下廢棄空間，并根據(jù)需要將水從低位進行回收，以達(dá)到固廢的高效處理和水資源的分區(qū)調(diào)配及重復(fù)利用。漿體充填技術(shù)原理如圖8所示。

圖8 漿體充填技術(shù)原理示意圖

3)設(shè)計方法

漿體管道立體充填技術(shù)設(shè)計流程如圖9所示，主要包括地面制漿及泵送系統(tǒng)設(shè)計、長距離管道輸送系統(tǒng)設(shè)計和充填系統(tǒng)設(shè)計。

圖9 漿體充填技術(shù)設(shè)計流程

4)技術(shù)適用條件

漿體管道立體充填技術(shù)主要特征是實現(xiàn)了固廢流態(tài)化充填，充填與采煤作業(yè)相互平行、互不干擾，矸石充填能力可達(dá)1.0 Mt/a以上，噸矸充填成本為35～50元。適用于矸石量大、矸石運距長、固廢處理難的礦井，尤其適宜于綜放采煤工藝的礦井。

4 固廢多態(tài)化充填技術(shù)工程實踐

1)葫蘆素煤礦煤矸石固體充填項目

葫蘆素煤礦在已實施固體充填開采的礦井中，是投放井深度最大(600.8 m)、投放量(1.0 Mt/a)最大的礦井。針對該礦井，中煤能源研究院應(yīng)用氣固兩相流理論對物料投放速度進行了深入的研究，得到了此種條件下投放井、投放管的關(guān)鍵參數(shù)，并研發(fā)了控制物料下落沖擊力的緩沖技術(shù)、控制物料下落速度的穩(wěn)壓技術(shù)。同時由于葫蘆素煤礦充填量較大，設(shè)計工作面推進速度較快，通過放矸工藝由單孔順序到成組聯(lián)動、工藝控制由人為干預(yù)到系統(tǒng)集控、固定方式由單機懸掛到平臺支撐3項工藝優(yōu)化實現(xiàn)了高效充填。

2)龍王溝煤礦矸石漿體充填項目

龍王溝煤礦主采的6號煤層平均厚度約為18.34 m，采用綜采放頂煤開采。礦井達(dá)產(chǎn)后年產(chǎn)矸石約 2.0 Mt。采用流態(tài)化漿體充填技術(shù)將矸石在地面制成漿體，利用管道輸送至采空區(qū)附近，通過高位注漿(約 120萬t/a)、鄰位注漿(約60萬t/a)和低位灌漿(約20萬t/a)工藝的匹配，做到采充平行作業(yè)，在不影響礦井正常生產(chǎn)的情況下，實現(xiàn)了煤礦矸石的流態(tài)化漿體零排放處置。

3)永樂煤礦固廢膏體充填項目

永樂煤礦采用短壁膏體充填方式進行保水采煤。膏體充填采煤首試工作面為CT3114工作面和CT3243工作面，工作面長度為100 m，工作面內(nèi)平行于開切眼每26.4 m劃分為一組，每組分四輪開采并充填。膏體密度2 100 kg/m3，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%，充填體28 d齡期單軸抗壓強度達(dá)到3 MPa，材料性能滿足彈性模量不低于100 MPa的要求。一個開采循環(huán)內(nèi)煤柱極限狀態(tài)下位移為20.62 mm，最大垂直應(yīng)力為8.84 MPa，煤柱穩(wěn)定性良好。開采過程中煤層頂板巖層沒有發(fā)生破斷，且涌水量沒有發(fā)生明顯的變化，工程應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)論

1)大宗固廢處理問題是實現(xiàn)西部生態(tài)脆弱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，在總結(jié)西部生態(tài)脆弱區(qū)固廢綜合利用的基礎(chǔ)上，指出了現(xiàn)有固廢綜合利用方式存在的問題，并通過技術(shù)比較，指出在西部生態(tài)脆弱區(qū)實施多態(tài)化充填是解決固廢處理難題的有效途徑。

2)介紹了固廢多態(tài)化充填技術(shù)的內(nèi)涵和技術(shù)體系，相應(yīng)的工程實踐表明，西部生態(tài)脆弱區(qū)因地制宜采用固廢多態(tài)化充填技術(shù)可從源頭上保護生態(tài)環(huán)境，經(jīng)濟、社會效益顯著。

3)通過關(guān)鍵技術(shù)重點攻關(guān)、共性技術(shù)集成創(chuàng)新，研發(fā)形成了適用于淺埋深、厚煤層的漿體充填技術(shù)，該技術(shù)利用采動空間內(nèi)矸石碎脹特性和固廢漿體流動特性，可實現(xiàn)采充平行、減壓減水、高效處理固廢，并在積極構(gòu)建20%～25%矸石產(chǎn)率的礦井“一區(qū)一站、一面一機”的充填模式和裝備配套，為西部生態(tài)脆弱區(qū)千萬噸級礦井大排量固廢零排放探索出一條路徑。