城市建筑垃圾充填煤礦采空區研究*

龔遠恒，黃青榮

(貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著煤炭資源的開發利用，開采技術及方法在不斷提高。其中煤礦采空區是指地下礦產被挖掘或者地質運動后在地下產生的空洞。當受力變形達到一定的程度會引起地面裂縫或地表下沉等災害。而城市垃圾是指城市中固體廢物的混合體，包括工業垃圾、建筑垃圾和生活垃圾，如果將這部分垃圾加工處理后作為充填開采的充填體，一舉兩得，即城市垃圾充填。現階段，關于城市垃圾充填煤礦采空區的研究不多。谷志孟等[1]提出城市垃圾充填采空區，變兩害為一利的環境綜合治理建議，為“城市垃圾處理”和“解決采空區問題”提供新思路。王梓桐等[2]發現相對于傳統的城市垃圾處理方法，城市垃圾固化后充填煤礦采空區更加科學、環保。劉音等[3]根據城市垃圾處理和礦山充填開采研究現狀，提出研究重點,城市垃圾壓縮及其固化性能關鍵技術，利用城市垃圾充填煤礦采空區的充填工藝設計，充填設備研究與開發等。楊睿[4]提出將建筑垃圾用于煤礦采空區充填不僅可以減輕其帶來的環境問題，還能有效地治理采空區災害。

針對以上所述，無論是綠色開采和城市垃圾處理，還是二者相結合的城市垃圾采空區充填，其目標均是為了有效處理好生態環境問題。將“城市垃圾處理”“煤礦采空區充填”結合形成一項系統工程將是一項偉大的工程。

1 城市垃圾處理現狀

根據《2020年全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報》,2019年，中國大、中城市一般工業固體廢物的產生量為13.8億t，工業危險廢物的產生量為4 498.9萬t，醫療廢物產生量為84.3萬t，城市生活垃圾產生量為23 560.2萬t[5]。

目前國內大多數城市的垃圾還處于混合收集階段，且處理方式還是傳統的填埋、焚燒和堆肥3種方式，雖然各具優點，但其也存在環境二次污染等問題。如垃圾焚燒處理雖然在現階段是成本較低、效果較好、效益較高的處理方式，但也存在技術缺陷，如：煙氣中有害物質超標、燃燒不徹底等。由前人研究可見，城市垃圾利用方式將越來越多，而將其加工轉化為采空區充填體未來可期。

2 煤礦采空區處理研究現狀

目前對煤礦采空區最好的處理方式便是充填處理。但傳統充填方法投資大，成本高，且難以實施。

對采空區充填，控制采動引起的覆巖破壞運動和離層間隙，從而保障地表穩定性。對采空區充填要切實做好關鍵層第1次破裂控制工作的巖離層注漿技術，可以實現廢棄物的有效循環使用[11]。何標慶等[12]提出將固廢資源利用與采空區處理有機結合，利用固體廢棄物對大型采空區進行充填處理；張厚泉[13]也提出灌注充填法處理采空區的理念，采用全灌注充填法對采空區地基發育的垮落帶空洞、斷裂帶裂隙等進行加固處理；另外有學者尹麗軍等[14]提出注漿法的理念，即注漿法是利用氣壓、液壓或電化學原理，把某些能固化的漿液注入到土層、巖層的裂隙或孔洞中，使漿液和巖層一起固化凝結為一體。劉永[15]將風積沙用于制備煤礦井巷條帶充填的高沙充填材料，實現低成本保水充填開采。王紅偉等[16]分析了大傾角采場矸石分區域充填量化特征及其作用下頂板破壞內在機制，得出了各充填區域長度的量化公式。翟志露[17]在對尾砂膠結充填技術、塊石膠結的充填技術、全尾砂充填膠結技術及應用、膏體充填技術及應用淺析中，也強調實現固體廢料的再利用，提升礦產資源的開采效益，加強對有毒有害物質的處理，實現綠色采礦的目標。

針對眾多學者的研究，大多采用尾礦砂與固體廢物膠結的方法，尾礦砂是鐵、銅等礦山開采后的廢物，對此可以實現廢物二次利用，但其保水性差且需要經歷重重篩選，耗費大量工時，其經濟合理性還待商榷。

3 “充填開采一體化”技術對策

目前城市固體建筑垃圾堆積如山，難以處理，對環境造成極大影響。然而許多煤礦采空區需要大量的充填材料，僅靠頂板垮落的矸石不足以將采空區充滿。因此將城市固體建筑垃圾運至采空區充填將是一個不錯的選擇，在一定程度上緩解了城市垃圾危機。應注意如何將固體垃圾運至采空區并將其緊密充填以提高強度是一項技術難題。

3.1 垃圾固化

城市建筑垃圾之所以固化，首先固體建筑垃圾比較凌亂分散，不方便運輸；其次固化能夠提高其強度，為采空區支撐頂板提供可靠性，針對垃圾加工，設計出垃圾烘干壓塊一體機，綜合利用垃圾物理處理和熱處理的方法，將垃圾脫水、壓制成粒徑150 mm的塊體，最后經過六面纏繞封裝，作為煤礦采空區充填材料。整個加工技術保證了垃圾充填材料的強度和無濾液。

3.2 運輸環節

目前用城市固體建筑垃圾充填采空區仍是紙上談兵，運輸問題是該方法面臨的重大挑戰。城市與礦山之間距離遙遠，城市固體建筑分散凌亂，密度較低，這環節是運輸需解決的首要任務。而當礦物運到礦山時，采空區所需的充填材料用礦車由副井下放到井底車場，經主要運輸石門、運輸大巷、采區運輸石門、采區下部材料車場，由采區軌道上山提升到區段回風平巷，再運到工作面采空區。

3.3 充填

采空區充填采煤法，通過改裝充填液壓支架，增設充填機構，實現工作面“開采—充填”一體化。以城市建筑垃圾為原料制備煤礦膏體充填骨料的方法[18]，可以作為參考。

城市固體廢棄物深井封閉和充填開采方法[19]，該方法主要針對垃圾封存技術，對充填前巷道圍巖裂隙進行注漿封閉、巷道表面進行噴漿處理，待充填后每隔500 m分段組封閉墻。采用封閉墻Ⅰ4、封閉墻Ⅱ5雙道雙墻結構作為封閉墻，同時留設封閉墻觀測孔1、封閉墻壓力孔2和泄水孔3，方便后續的監測及處理。如圖1所示。

圖1 封閉墻結構Fig.1 Structure of closed wall

3.4 充填支架

在非煤礦方面，充填開采已經發展的較好，但是在煤礦由于成本高而未得到推廣，與之配套的充填支架也不多。馬婧[20]通過分析支架與直接頂的相互作用關系，構建了直接頂懸臂梁力學模型等，得到了主要承載組件的具體載荷參數。趙立勝等[21]為進一步提高固體充填液壓支架的自動化程度，解決充填液壓支架自動控制中精度和聯動性能差的問題，提出了一種基于PLC的固體充填液壓支架自動控制系統，提高了充填液壓支架的穩定性和可靠性。以上2種支架都有一定優勢，也是目前比較先進的充填支架，本次垃圾充填選用液壓支架，如圖2所示。

圖2 充填式液壓支架Fig.2 Filling hydraulic support

3.5 充填密封

垃圾充填流程如圖3所示。

圖3 垃圾充填流程Fig.3 Waste filling process

當把垃圾填入地下后，垃圾濾液會對地下土壤、水等造成嚴重污染，故充填物料經過六面纏繞封裝、充填體在采空區六面封閉、充填體注漿密封。密閉后，垃圾進行“自我消化處理”，在該密閉空間內，不會對地下造成污染。

4 技術所面臨的問題

4.1 城市垃圾分類及壓縮固化技術

由于城市固體垃圾組成成分不同，因此，從城市建筑垃圾分類開始，研究固體垃圾膏體充填工藝中地面預處理環節，包含篩分工藝和破碎工藝；城市垃圾經過篩分確定充填體的組成成分，確定固體垃圾充填漿體在初凝時間、終凝時間、坍落度以及泌水率等相關技術指標之間的相似性，最終確定合適的城市建筑垃圾作為膏體充填骨料。

4.2 城市垃圾材料填充工藝及技術

確定好填充材料的配比，對于填充工藝的研究是非常重要的，對于不同的地質環境與自然環境，填充工藝是不同的，填充需要的設備不同，填充材料的配比也不同。因此，需要對不同情況下，填充工藝進行研究，確定合理的填充設備、填充配比等，以保證填充后的采空區安全穩定。

4.3 密閉充填

進行封閉充填時，封閉的材料選取困難，要考慮其牢固性，且不能對地下造成污染，從而達到足夠密閉。

5 結語

城市建筑垃圾堆積如山，如何處理建筑垃圾是一個棘手的問題，而煤炭地下開采形成的采空區需要得到及時有效的支撐或充填，防止頂板下沉，否則會引起地表沉陷，造成環境破壞及經濟損失。將“城市垃圾處理”與“煤礦采空區充填”結合起來進行系統研究，既可解決充填體成本，又保護了生態環境達到綠色開采。用城市建筑垃圾來充填采空區既減輕了城市建筑垃圾對環境的危害，還可以降低煤礦充填材料成本，更是廢棄物再次利用，達到社會效益與經濟效益雙贏。