基于綠色開采理念的覆巖離層注漿充填技術研究

王小軍

(中煤地生態環境科技有限公司, 北京 豐臺 100071)

新型覆巖離層注漿是一種有效控制地表沉降,保護含水層,防止沖擊地壓,釋放壓覆煤炭資源的綠色開采技術。錢鳴高等[1-2]首次提出綠色開采的概念,其內容包含建筑物下開采與離層注漿減沉;許家林等[3]構建的綠色開采技術體系中提到減沉開采,目的是為了取得更大的經濟、環境和社會效益;朱衛兵等[4]提出了“覆巖離層分區隔離注漿充填”技術,并將該技術應用于淮北某礦,利用煤矸石破碎制粉和粉煤灰混合作為骨料充至離層區,實現了綠色采煤;劉建功等[5]表明實施充填開采消除了矸石對生態環境的污染,并取得了良好的生態和社會效益;韓磊[6]指出覆巖離層注漿充填作為綠色開采方式之一,不僅可規模化消納煤矸石、粉煤灰等煤基固廢,還能有效控制地表沉降。

研究表明[7-9],離層注漿技術在國內“三下”開采應用較為廣泛,是一種高效低成本采煤技術;是一種有效消納粉煤灰、煤矸石等大宗廢棄物的新型綠色開采技術,通過固廢無害化及規模化處置方案,實現了資源開采與環境治理的協調發展。新型覆巖離層注漿的應用與推廣對于推進綠色礦山生態文明建設具有創新性,具有廣闊的前景。本文在已有研究基礎上,通過分析特殊地層離層注漿技術原理,對注漿工作面埋深較大;覆巖主關鍵層厚度較大,在200 m左右及以上,且巖性非常堅硬;注漿層位間隔導水裂隙帶安全距離需大于6倍采高;注漿區域無明顯斷層等特殊地層實施覆巖離層注漿技術進行研究。

1 固廢充填材料概況

目前,堆存和填埋仍然是粉煤灰和煤矸石的主要處置方式,且尚未大規模利用,長期堆積不僅占用大量的土地,而且其中的有害物質經雨水沖刷浸入地表,對周圍水資源和土壤環境造成嚴重影響。當前我國粉煤灰和煤矸石等固廢資源化利用主要集中于水泥、混凝土等建筑材料。

十部委聯合印發的《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》明確指出,要提高大宗固廢資源利用效率,拓寬粉煤灰、煤矸石等大宗固廢利用途徑,如何規模化、無害化處理固廢也是目前亟需解決的問題。

2 覆巖離層注漿充填機理

注漿的本質是為了消納矸石、粉煤灰等固廢,而能否注漿取決于可注空間,可注空間即為覆巖離層的形成,注入量多少即為可注空間大小。離層是工作面開采過程中,巖層由下向上層層剝離或卸荷,在巖層層面產生拉、剪破壞后出現的力學現象。

垂直方向上,離層位置動態變化,其產生位置易發點往往是相鄰巖層互層,當下位巖層屬于軟弱巖層,而上位相鄰巖層為硬巖層或者中硬巖層時,下位巖層就會從上位巖層中逐漸剝離開來,巖層結構發生拉剪破斷,起到卸荷作用,而此時上位巖層承擔剩余絕大部分載荷,支承結構稱為覆巖關鍵層結構,下方被剝離開來的那部分空間即為離層空間。

當上、下位巖層均為硬巖或中硬巖層,而中間巖層為軟弱巖層時,隨著工作面推進,下位巖層逐漸懸露,當懸露面積達到一定值,懸露段巖層首先破斷下移,中間軟弱層在垂直方向無法支撐呈鉸接結構,相繼破斷下移,此時,上位巖層又起到支撐上覆載荷作用,巖層下方剝離開來的那部分空間又為離層空間。

以此類推,覆巖直至破斷運移到厚且堅硬的主關鍵層下方形成離層空間,將地面制好的漿液以“泵送+管路”的形式注入離層空間,既起到消納矸石的作用,又起到承載上覆巖層載荷,對井下工作面安全開采具有重大意義。覆巖離層注漿充填關鍵層階段破斷原理示意圖見圖1.

圖1 注漿關鍵層階段破斷示意圖

由圖1可知,離層空間位置處于動態運移狀態,且離層空間屬于彈性空間,并非一成不變,離層下方巖層受自重破碎擠壓呈弱鉸接,為了能夠有效消納矸石,在泵送注漿系統運行時,可適當加大注漿壓力,促進裂隙發育,壓實采空區,從而增大注漿充填量以及注采比。互層巖層中,離層因覆巖關鍵層而存在,隨著工作面的推進,離層量不斷增加,最大離層量位于采空區中部,隨著離層位置向上發育,離層空間逐漸減小,主要與巖層碎脹有關,故在保證井下生產安全的條件下,注漿層位越靠近煤層,越有利于注漿。主關鍵層初次破斷前的離層量大,易于注漿充填;而一旦關鍵層初次破斷后,關鍵層下離層量明顯變小,縮小為初次破斷前的25%～30%,注漿難度也隨之加大。因此,離層注漿必須在主關鍵層初次破斷前進行。

3 注漿可行性分析

優越的地質條件是注漿施工的基礎,如地質構造簡單,地形高差起伏較小,地面建筑物較少,注漿區域無斷層,注漿工作面埋深較大,基巖厚度大等,除此以外,充填材料的選取和供求、漿液濃度的大小及離層空間發育也是注漿所需基本條件。

1) 充填材料。

覆巖離層注漿材料有煤矸石、粉煤灰、煤泥、礦井水等,充填材料量的充足與否直接關系到注漿的可行性。

2) 漿液濃度。

漿液水灰比的把控需要在正式注漿前進行試驗分析,漿液濃度過稀,水灰比越大,漿液進入離層空間后凝結時間越長,抗壓強度較小,對上覆巖層起不到承載作用;漿液濃度過稠,水灰比越小,漿液進入離層空間后凝結時間越短,抗壓強度較大,對上覆巖層起承載作用,但對于漿液管道輸送環節有很大影響,尤其是針對遠距離輸漿工程。因此,合理的漿液濃度有利于注漿施工。

3) 離層空間。

離層空間即為漿液最終儲存地,空間大小受采高和結構互層影響,采高是直接導致覆巖地層在垂直方向的剝離程度,互層結構的存在使得離層隨著工作面推進而動態發育,工程實踐中,為保證注漿效果及注漿量,需注漿工作面采高較大。離層注漿位置示意圖見圖2,當工作面采高較大時,覆巖主關鍵層與下部軟弱層結構互層,離層便會形成。

圖2 離層注漿位置走向示意圖

4) 主關鍵層。

隨著工作面開采,覆巖呈現周期性破斷,如前文所述,當主關鍵層厚且堅硬,此時相鄰軟弱層便會首先破斷,離層發育到主關鍵層下方時刻,主關鍵層形似“板狀”起到“承載”作用,離層空間處于自由狀態,此時注漿為最佳時機。

4 注漿關鍵性要素

1) 注漿層位。

覆巖離層注漿技術要求注漿層位位于導水裂隙帶上方,覆巖主關鍵層下方互層層位,《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中規定了導水裂隙帶的經驗計算公式,其導水裂隙帶高度應以實測為主。在導水裂隙帶之上并留設5倍采高的保護厚度,防止注漿區域導通采空區。

2) 注漿壓力。

注漿充填壓力的設定。注漿壓力應大于注漿充填層位以上地層的自然地壓。注漿壓力表示為:

P注≥P地

(1)

式中:P注為注漿充填壓力,MPa;P地為注漿充填層以上地層自然壓力,MPa.

注漿充填鉆孔孔口的注漿壓力P孔:

P孔=H注(γ-γ1)

(2)

式中:H注為地表到注漿充填層位的距離,m;γ為注漿充填層以上地層的綜合比重,g/cm3;γ1為充填漿液的比重,g/cm3.

3) 注漿時機。

工程經驗表明,離層充填時機應在選定的關鍵層下方開始產生離層時進行,離層空間隨著煤層的開采逐步形成,離層注漿充填應緊跟回采工作面,保證關鍵層不斷裂,防止離層空間壓實閉合,保證注漿空間。當鉆孔產生離層裂隙時即開始注漿。離層的實時監測主要依靠水壓監測,通過壓水試驗統計水壓變化從而判斷離層的產生時機,水壓監測在注漿前進行,當水壓驟降幅度較大,說明離層已經形成,當水壓驟降值接近為0 MPa時,開始注漿。

注漿時機也可依據滯后影響距離來判斷離層形成。根據巖層移動破斷角、煤層埋藏深度和鉆孔深度,計算滯后影響距離,巖層破斷角大小與煤層厚度(采高)、開采距離、覆巖巖性、巖層破斷距等有關,注漿時機確定方式如下:

L1=H-H注-M

(3)

(4)

式中:L1為注漿層位與煤層頂板的垂直距離,即垂距,m;H為地表距離煤層底板埋深,m;M為工作面煤層厚度,即采高,m;L2為工作面煤壁與注漿鉆孔水平間距,即滯后距,m;β為巖層破斷角,(°).

穩妥考慮注漿效率,注漿時機段應為滯后影響距離最小時,越利于注漿。當巖層規律破斷時,巖石移動角按照65°～85°進行理論計算,如遇巖層發生整體切落情況,巖層移動角按照89°進行理論計算,工作面與注漿鉆孔空間位置分布見圖3. 因注漿時機與工作面開采位置相關,圖3僅代表工作面開采位置與注漿鉆孔空間位置的分布,滯后距指的是在垂直方向上,沿著工作面推進方向,工作面當前位置與注漿鉆孔的水平距離,而實際注漿時機具體確定方法應參考所列公式。

圖3 工作面與注漿鉆孔空間位置分布示意圖

5 注漿工程實踐與應用

石拉烏素煤礦位于鄂爾多斯市呼吉爾特礦區東北部,礦井設計生產能力1000萬t/a,核定生產能力為800萬t/a. 據調查,2018-2022年,煤矸石平均年產量100萬t,為積極響應當地固廢處置,加快推進綠色生態建設,采用覆巖離層注漿充填技術進行煤矸石處置,首注面為1208綜放工作面。

1208工作面煤厚9 m,位于221采區中南部,屬2-2煤層。工作面長289 m,膠運順槽推進長度3 243.7 m,輔運順槽3 233.7 m,平均3 238.7 m,工作面采用走向長壁采煤法,綜采放頂煤工藝開采,工作面標高+685.4～+697.8 m,平均+691.6 m,工作面上方地面標高+1 337.9～+1 355.9 m,平均+1 346.9 m.2-2煤層頂板巖性以砂質泥巖為主、砂巖次之,底板巖性以砂質泥巖為主,局部為泥巖,采區無斷層分布,工作面導水裂隙帶高度約為225 m,主關鍵層為厚度295.16 m的細粒砂巖,主關鍵層和亞關鍵層均與下方緊鄰巖層互層,離層較為發育。

該項目系統設計矸石處置能力150萬t/a,注漿能力270 m3/h,采用兩級注漿站注漿,一級注漿站主要為制漿系統,漿液密度為1.30～1.42 kg/m3,二級注漿站起到中轉輸漿作用,通過“泵送+管路”的方式,將漿液注入鉆孔,泵送能力最大100 m3/(h·臺),首注1208工作面現已施工注漿鉆孔6個,注漿鉆孔布置見圖4.

圖4 注漿鉆孔布置圖

注1孔正式注漿時機為滯后距20.4 m,壓水試驗時流量80～90 m3/h,持續壓水30～60 min,該孔對應泵壓和孔壓均接近0 MPa,此時判斷為注漿時機;注2孔正式注漿時機為滯后距27.6 m,注3孔正式注漿時機為滯后距36.5 m,注漿時機判斷均和注1孔類似,注1、2、3孔同時注漿。

2022年11月正式開始注漿截止到2023年5月,累計處置煤矸石約59萬t,累計注入漿液122萬m3,煤矸石日處理量最大可達4700 t,按照每年煤矸石處置110萬t計劃,現煤矸石處置率將近53.6%,實現了固廢消納,減少了煤矸石堆存,節約了外排費用,緩解了地表沉降。通過地表沉降數據分析,注漿區域較非注漿區域地表沉降速度明顯降低,在注漿區域,地表下沉速度為0.8～1.2 mm/d,較非注漿區域減少80%～87%,有效改善了地表沉降,保護了地表水資源的流失,實現了工作面同采同注,釋放了煤炭資源,對當地生態環境保護建設起到積極的效應,該項目現為內蒙古自治區礦山建設的示范工程。

6 注漿社會效應

1) 減征資源稅。

國家稅務總局發布的《關于實施煤炭資源稅改革的通知》中明確指出,對衰竭期煤礦充填開采置換出來的煤炭減征資源稅50%.鼓勵煤炭企業提高資源回采率,保護礦區生態環境。

2) 控制地表沉降。

通過離層注漿,使得覆巖離層空間再次被充填壓實,起到支撐上覆巖層載荷作用,有效控制了注漿層位上部巖層對下部的載荷傳遞,緩解了地表沉降速率。

3) 消納礦井固廢。

礦井開采必然產生固廢,包括煤矸石、粉煤灰、礦井廢水、廢渣等,隨著綠色礦山生態文明建設的號召,礦井固廢“從哪里來,回哪里去”的原則已在全國各地實行,其中山西、陜西、內蒙古自治區地區應用較為廣泛。

4) 保護生態環境。

各地政府堅持生態優先,綠色發展的原則,認真貫徹落實資源與環境相協調工作,離層注漿工程的應用及實施,推進了綠色礦山生態文明建設步伐,實現了綠色開采,同時避免了固廢外排影響礦區周邊土壤土質,減小了地表水流失。

7 結 語

1) 通過系統闡述覆巖離層注漿充填機理,建立了覆巖離層注漿關鍵層階段破斷基本模型,揭示了覆巖離層空間動態運移特征。

2) 覆巖離層注漿充填技術可行性應綜合考慮充填材料、漿液濃度、離層空間、主關鍵層等因素,其中主關鍵層厚且堅硬,與下部巖層結構互層是注漿空間形成的關鍵。

3) 注漿層位確定、注漿壓力的計算、注漿時機的掌握對于覆巖離層注漿施工及應用至關重要,而注漿時機要根據現場實際注漿生產情況實時調整。

4) 提出了一種注漿時機以“滯后距”為依據的確定方法,該方法適用于特殊地層條件注漿,為類似礦井注漿生產提供理論依據。

5) 覆巖離層注漿技術有效解決了礦井大宗固廢的外排問題,該技術的創新與完善對未來更好更全面地服務于綠色礦山發展和生態文明建設具有重要意義。