張 翔，姜福興，李佳潔，朱斯陶

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院 教育部金屬礦山高效開(kāi)采與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

目前在我國(guó)乃至世界范圍內(nèi)廣泛使用的固廢處理方式主要有近地表填埋、焚燒和堆肥3種[1]，但仍會(huì)造成地表土壤、水和空氣的長(zhǎng)期污染；而煤礦、冶金礦山、有色金屬礦山、化工礦山以及非金屬礦床開(kāi)發(fā)過(guò)程中，形成了大量井下采空區(qū)和廢棄空間，僅煤礦每年就形成數(shù)億立方米空間[2]，如果不及時(shí)處理將會(huì)成為巨大的安全隱患，威脅井下采礦安全和地面建筑物的安全，并造成地面塌陷等環(huán)境問(wèn)題。北京科技大學(xué)城市固廢處理課題組承擔(dān)北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目“利用埋填充實(shí)用城市垃圾實(shí)現(xiàn)礦山封閉的技術(shù)試驗(yàn)研究”，該技術(shù)能夠處理未分類陳腐垃圾、解放土地資源；控制地表沉降、防治采礦災(zāi)害；多采資源，提高資源回采率。課題組前期工作對(duì)城市固廢進(jìn)行了分類充填工藝的研究，仍需要對(duì)充填空間封閉處理，達(dá)到城市垃圾安全深埋的目的。目前，許多專家學(xué)者對(duì)礦山深部封閉技術(shù)進(jìn)行了的研究，馮志強(qiáng)等[3，4]對(duì)破碎煤巖體注漿堵水作用機(jī)理進(jìn)行了研究，并研制出新型聚氨酯堵水材料；劉泉聲等[5，6]探討了三步注漿漿液擴(kuò)散機(jī)理，并將該工藝應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)注漿工程；姜福興等[7，8]研究了新型化學(xué)材料密閉墻的快速構(gòu)筑技術(shù)，并探討了我國(guó)煤礦防爆密閉墻的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前礦山深部封閉技術(shù)主要應(yīng)用于防治突水、瓦斯等災(zāi)害，而針對(duì)深井采空區(qū)固廢封存的研究較少，本文擬研究深井固廢封閉技術(shù)，通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研等方法，建立固廢礦山充填多層次封閉技術(shù)體系，對(duì)該技術(shù)體系中的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析研究，以期為固廢深井封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材和施工工藝設(shè)計(jì)等提供理論基礎(chǔ)。

1 固廢深井封存的目標(biāo)

固廢深井封存的終極目標(biāo)是將固廢及其產(chǎn)生的甲烷、滲濾液等污染物限制在充填區(qū)范圍內(nèi)，遠(yuǎn)離生物圈邊界，并保證充填空間的長(zhǎng)期封閉直至固廢穩(wěn)定不再向外界擴(kuò)散污染物。該目標(biāo)包括以下三個(gè)方面：

1.1 固廢隔離

本研究擬通過(guò)人工布置多層封閉措施和天然圍巖屏障，切斷水流、氣體通道，將固廢隔離于地面以下500m(深地質(zhì)處置)[9，10]以深的礦山廢棄采空區(qū)中。

1.2 長(zhǎng)期封閉

參考我國(guó)對(duì)于極低水平放射性廢物淺地層處置庫(kù)關(guān)閉后的有組織控制期限(30a)[11]、國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)的可以作為人類的生活場(chǎng)所的地表生活垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)時(shí)間(20a以上)[12]，結(jié)合深井采空區(qū)自身特點(diǎn)，本技術(shù)的目標(biāo)封閉年限為20年以上。

1.3 固廢穩(wěn)定

固廢穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為充填區(qū)內(nèi)部氣體產(chǎn)生速率接近為零[13，14]，充填區(qū)上覆巖層停止活動(dòng)。本研究擬根據(jù)圍巖活動(dòng)基本停止、封存區(qū)域氣壓和液面高度保持穩(wěn)定等實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果作為有效封閉年限的實(shí)際判別指標(biāo)。

2 固廢礦山充填多層次封閉體系建立

固廢礦山充填采用充填空間多層次封閉結(jié)構(gòu)，包括區(qū)域封存、表面封閉、充填體封閉和通道封閉4個(gè)層次的封閉結(jié)構(gòu)。煤礦固廢礦山充填多層次封閉結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦固廢礦山充填多層次封閉技術(shù)體系

2.1 區(qū)域封存結(jié)構(gòu)

區(qū)域封存結(jié)構(gòu)是指由采空區(qū)和一定范圍內(nèi)的圍巖組成的地下結(jié)構(gòu)。區(qū)域封存結(jié)構(gòu)可由頂板、煤柱和底板構(gòu)成。用于固廢礦山充填的區(qū)域封存結(jié)構(gòu)，要求該區(qū)域一定范圍的圍巖應(yīng)具備有利的水文環(huán)境、長(zhǎng)期穩(wěn)定的地質(zhì)力學(xué)條件和較低的滲透性，從而能夠維持充填空間結(jié)構(gòu)長(zhǎng)久穩(wěn)固。

2.2 表面封閉結(jié)構(gòu)

表面封閉結(jié)構(gòu)是指在區(qū)域封存結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為防止圍巖長(zhǎng)期變形等因素導(dǎo)致的圍巖結(jié)構(gòu)整體性破壞、斷層和節(jié)理面構(gòu)造增多，而實(shí)施的表面封閉措施的結(jié)構(gòu)。用于固廢礦山充填的表面封閉結(jié)構(gòu)包括圍巖注漿和表面噴漿，圍巖注漿是指向圍巖內(nèi)部注入可固化的液體材料以充填圍巖原生微觀和細(xì)觀裂隙；表面噴漿是指向圍巖表面噴涂一定厚度的防水材料以隔離封閉區(qū)域水氣的交換。

2.3 充填體封閉結(jié)構(gòu)

充填體封閉結(jié)構(gòu)是指為維護(hù)區(qū)域封存結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、提高充填體整體強(qiáng)度，在充填空間內(nèi)布置的封閉結(jié)構(gòu)。用于固廢礦山充填的充填體封閉結(jié)構(gòu)包括整體注漿和分部隔離兩個(gè)部分。

整體注漿是指對(duì)充填固廢單元體之間實(shí)施空隙注漿，用以提高接頂程度和充填體密實(shí)度，同時(shí)，減少空隙對(duì)充填體整體強(qiáng)度的影響，降低充填單元體之間有害物析出的風(fēng)險(xiǎn)。

分部隔離是指通過(guò)砌筑隔離墻將充填區(qū)域分割成較小的封閉單元，根據(jù)“隔離倉(cāng)”原理，降低大體積充填區(qū)域整體封閉失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 通道封閉結(jié)構(gòu)

通道封閉結(jié)構(gòu)是指固廢充填工作完成后，在充填空間進(jìn)出口處布置的封閉結(jié)構(gòu)。通道封閉結(jié)構(gòu)由充填擋墻和封閉墻構(gòu)成。充填擋墻提供力學(xué)支撐作用，封閉墻起密閉作用，防止固廢充填體產(chǎn)生的有害氣體、滲濾液外泄至外部。

用于固廢礦山充填的通道封閉結(jié)構(gòu)，需要綜合考慮上覆巖層高應(yīng)力導(dǎo)致墻體的變形甚至開(kāi)裂和充填區(qū)內(nèi)部水壓、氣壓的滲漏，因此采空區(qū)通道封閉墻體結(jié)構(gòu)需要具有一定強(qiáng)度和變形能力，區(qū)別于常規(guī)封閉墻。通道封閉墻結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 通道封閉墻結(jié)構(gòu)模型

固廢封閉墻受力模型如圖3所示，上覆部分巖層傳遞至封閉墻較高的應(yīng)力；同時(shí)固廢降解產(chǎn)生的水與氣在體積固定的充填空間內(nèi)不斷積聚，對(duì)封閉墻體施加的單側(cè)壓力不斷增大，充填區(qū)內(nèi)部帶壓氣、液對(duì)封閉墻的施壓情況可用式(1)表示：

式中，ρ為滲濾液密度，kg/m3；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，m/s2；h為滲濾液液面高度，m；y為計(jì)算點(diǎn)至墻底部距離，m；p為混合氣體壓強(qiáng)，N/m2。

圖3 固廢封閉墻受力模型

在這樣的壓力條件下要求封閉墻具有一定的變形能力，能夠隨著圍巖變形而協(xié)調(diào)變形，避免墻體因過(guò)載而被破壞。墻體需要使用具有一定可壓縮性能的柔性封閉材料砌筑，例如聚亞胺膠脂材料。本研究擬采用雙墻結(jié)構(gòu)充當(dāng)模具，由木柱和塑紙快速搭建而成，中間灌注柔性封閉材料(圖2)；同時(shí)柔性封閉墻采用掏槽結(jié)構(gòu)，掏槽深度見(jiàn)硬底、硬幫、硬頂，與圍巖接實(shí)；綜合分析墻體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)，設(shè)定充填空間水位警戒線和氣壓預(yù)警閥值，通過(guò)在封閉墻留設(shè)濾水管和排氣系統(tǒng)控制充填空間內(nèi)的水位和氣壓。

通道圍巖中存在大量的原生節(jié)理裂隙和薄弱面，并且掘進(jìn)和回采的擾動(dòng)應(yīng)力進(jìn)一步破壞了圍巖的完整性，僅依靠封閉墻無(wú)法有效封堵充填區(qū)入口，因此在構(gòu)筑封閉墻的同時(shí)，需要對(duì)封閉墻附近的圍巖裂隙進(jìn)行注漿封堵，漿液固化后將封閉墻與周邊破碎圍巖粘結(jié)到一起，使二者組成“封閉墻系統(tǒng)”共同作用。

在布置多層次封閉措施的同時(shí)，為保證密閉系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的水位高度、氣體壓力和圍巖狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

3 圍巖條件對(duì)固廢礦山充填多層次封閉的影響

圍巖是固廢得以封存的重要保障，其性質(zhì)、狀態(tài)直接影響封閉系統(tǒng)的密閉狀態(tài)。根據(jù)圍巖性質(zhì)，對(duì)適用于固廢礦山充填的圍巖分為以下三類：

3.1 完整高強(qiáng)度硬巖圍巖

完整高強(qiáng)度硬巖圍巖強(qiáng)度較高，單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于60MPa。此類圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微，節(jié)理裂隙不發(fā)育，整體性和自穩(wěn)能力強(qiáng)，能夠承受采空區(qū)上覆巖層高應(yīng)力而不被破壞。通過(guò)圍巖自身和少量的礦柱支撐充填空間，即可保持充填空間的密閉性。此類圍巖是充填固廢的理想圍巖。

采空區(qū)附近的圍巖可視為處于單向受力狀態(tài)，如圖4所示，其承受應(yīng)力水平較低，屬于低應(yīng)力區(qū)；在采空區(qū)側(cè)向支撐壓力的影響下，出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)；在采空區(qū)頂角和底角處存在高低應(yīng)力差場(chǎng)，該處圍巖受到高剪切應(yīng)力作用。高應(yīng)力區(qū)及高剪切應(yīng)力區(qū)的巖體容易發(fā)生破壞。

圖4 封閉區(qū)域圍巖受力示意圖

在此應(yīng)力條件下要求圍巖具有足夠強(qiáng)度，維持充填空間穩(wěn)定和封閉，需要滿足以下條件：圍巖承受的最大支承壓力(σmax)小于圍巖單軸抗壓強(qiáng)度([σ])，圍巖承受的最大剪切應(yīng)力(τmax)小于圍巖極限抗剪強(qiáng)度([τ])，見(jiàn)式(2)、式(3)。

3.2 膨脹性軟巖圍巖

膨脹性軟巖圍巖中含有較多蒙脫石、伊利石、高嶺石或伊蒙混層等成分，具有明顯的脹縮性，如泥巖、粘土巖、頁(yè)巖等。在較低應(yīng)力水平條件下，此類圍巖能發(fā)生顯著變形將固廢充填體包裹，自我修復(fù)節(jié)理、裂隙甚至斷層形成的通道。此類圍巖也是封存固廢的理想圍巖。

膨脹性軟巖厚度對(duì)封閉效果的影響如圖5所示。R為污染擴(kuò)散區(qū)半徑，L為充填區(qū)域與巖層交界面的最小距離，當(dāng)R小于L時(shí)，膨脹性軟巖可以有效阻止有害物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，如圖5(a)所示；當(dāng)R大于L時(shí)，部分有害物質(zhì)可能通過(guò)相鄰巖層交界面擴(kuò)散泄漏，導(dǎo)致封閉失效，如圖5(b)所示。

圖5 膨脹性軟巖厚度對(duì)封閉效果的影響

3.3 弱損傷巖體圍巖

弱損傷巖體圍巖中含有少量斷層和節(jié)理面發(fā)育。通常，在上覆巖層壓力的持續(xù)作用下，圍巖中的節(jié)理裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大甚至彼此貫通，導(dǎo)致圍巖失去屏障作用，污染物通過(guò)貫通的裂隙通道直接進(jìn)入井下作業(yè)空間、地下含水層等，導(dǎo)致封閉失效(如圖6所示)，此類圍巖雖然不是固廢封閉的最理想圍巖，由于其存在最為普遍，可采取表面封閉技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)，增強(qiáng)充填區(qū)域的密封性能。

圖6 弱損傷巖體圍巖

4 煤礦固廢礦山充填多層次封閉體系設(shè)計(jì)

濟(jì)寧2號(hào)井地理位置條件優(yōu)越，該礦距離市中心僅為14km，大幅度降低固廢運(yùn)輸過(guò)程的成本和污染；同時(shí)三下壓煤嚴(yán)重。固廢礦山充填技術(shù)應(yīng)用后對(duì)該市可產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，如圖7所示，試驗(yàn)區(qū)域定為該礦七采區(qū)的9個(gè)條帶開(kāi)采工作面。

圖7 濟(jì)寧2號(hào)井“固廢礦山充填”試驗(yàn)區(qū)域

4.1 區(qū)域封存

試驗(yàn)區(qū)域煤層平均埋深794m，區(qū)域內(nèi)無(wú)較大的斷層構(gòu)造，見(jiàn)表1，12號(hào)下煤層頂?shù)装宸謩e為5.3m厚砂質(zhì)粘土巖、0.17m厚泥巖偽底，二者均具有膨脹性軟巖性質(zhì)，是固廢封閉的理想圍巖；另外1.86m厚石灰?guī)r基本底的巖性較為致密堅(jiān)硬、隔水性較好。綜上分析該區(qū)域滿足區(qū)域封存要求。

表1 試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)局部鉆孔柱狀表

4.2 表面封閉

為避免頂板巖層提前垮落破壞圍巖完整，工作面生產(chǎn)采用邊回采邊充填的工藝?！袄a(chǎn)品”充填前，對(duì)工作面后方的破碎巖體或圍巖中的裂隙通道進(jìn)行錨桿注漿處理，向圍巖表面噴涂一定厚度的防水漿液，選用水泥和化學(xué)噴涂材料分別作為錨桿注漿與表面噴漿的主料，施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體條件以確定注漿錨桿的數(shù)量和規(guī)格、噴涂漿液的厚度、與主料相配合的注漿材料種類，以達(dá)到預(yù)期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

4.3 充填體封閉

整體注漿采用向封存空間內(nèi)預(yù)鋪?zhàn){管的方式進(jìn)行，如圖8所示，選用黃泥漿作為注漿材料，注漿時(shí)進(jìn)行多次復(fù)注、提高注漿終壓等措施以增加充填體密實(shí)度；每充填一定距離砌筑一道無(wú)縫磚墻，達(dá)到分部隔離和力學(xué)支撐的目的。

圖8 工作面注漿管鋪設(shè)及隔離墻布置平面圖

4.4 通道封閉

固廢充填完畢后分別在工作面回風(fēng)巷、工作面運(yùn)輸巷內(nèi)砌筑通道封閉結(jié)構(gòu)，封閉墻設(shè)計(jì)參考圖2；向封閉墻前后一定距離的巷道圍巖中布置注漿錨桿和錨索，根據(jù)巷道圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)整體性等因素確定錨桿、錨索的布置范圍、規(guī)格和密度。

5 結(jié) 論

1)固廢深井封存包含固廢隔離、長(zhǎng)期封閉和固廢穩(wěn)定三方面，確保固廢深地質(zhì)處置達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，封存年限為20年以上，應(yīng)根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果作為有效封閉年限的實(shí)際判別指標(biāo)。

2)固廢礦山充填封存采用充填空間多層次封閉結(jié)構(gòu)，包括區(qū)域封存、表面封閉、充填體封閉和通道封閉4個(gè)層次的封閉結(jié)構(gòu)。

3)對(duì)試驗(yàn)煤礦進(jìn)行了固廢礦山多層次封閉體系設(shè)計(jì)，為后期封閉工作的實(shí)施提供理論基礎(chǔ)。