卞 卡，柏建彪，趙 濤

(1.揚(yáng)州中礦建筑新材料科技有限公司，江蘇省揚(yáng)州市，211400；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)試驗室，江蘇省徐州市，221116；3.江蘇博廈礦山科技有限公司，江蘇省徐州市，221008)

0 引言

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2和Al2O3(二者質(zhì)量占比80%以上)、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等[1-4]。粉煤灰外觀與水泥相似，顏色在乳白色到灰黑色之間變化，顏色越深粉煤灰粒度越細(xì)，含碳量越高。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加，已成為我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一。根據(jù)灰色模型估計，2020年我國粉煤灰的產(chǎn)量達(dá)到7.81億t，2024 年將達(dá)到9.25億t[4]。

國外粉煤灰的綜合利用最早可以追溯到20世紀(jì)20年代，當(dāng)時一些發(fā)達(dá)國家就開始對粉煤灰進(jìn)行研究。目前在國外，粉煤灰已被廣泛應(yīng)用于建材、建工、交通、農(nóng)業(yè)、化工和冶金等行業(yè)；在我國，粉煤灰在建材、化工、道路、填筑、農(nóng)業(yè)的應(yīng)用技術(shù)也已經(jīng)較為成熟[5-10]。但是受地域限制，如果當(dāng)?shù)亟ú募庸ぁ⑸a(chǎn)企業(yè)對粉煤灰需求量較低，粉煤灰被企業(yè)再利用的可能性較小。

煤化工產(chǎn)業(yè)中的一些環(huán)節(jié)會產(chǎn)生高鹽水，這些環(huán)節(jié)包括循環(huán)水的反復(fù)利用、除鹽水制備過程中所帶入的濃鹽水、廢水處理過程以及再利用過程中所添加的各種藥劑和產(chǎn)生的濃鹽水。這些高鹽水如果未經(jīng)過處理就排放到自然環(huán)境中，就會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，高鹽水中的氯離子和硫酸根離子含量較高，若不凈化直接排放，將會對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染。目前采用的離子交換技術(shù)、膜分離技術(shù)及熱蒸發(fā)等高鹽水處理技術(shù)存在成本較高、處理能力有限等缺點(diǎn)，在一定程度上限制了其應(yīng)用[11-20]。

因此研發(fā)粉煤灰及高鹽水處理技術(shù)及配套材料、設(shè)備、工藝成為該領(lǐng)域工程技術(shù)人員需要解決的問題。基于以上問題的研究，筆者提出了一種粉煤灰及高鹽水固化充填到煤礦井下采空區(qū)的綠色高效處理方法，可同時消耗大量的粉煤灰及高鹽水。

1 工程背景

內(nèi)蒙古鄂爾多斯國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司下屬的察哈素煤礦和布連電廠，在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生20萬t/a的粉煤灰和18萬m3/a左右的高鹽水。目前粉煤灰的主要處理方式：一是周邊直接填埋，污染環(huán)境；二是外賣水泥廠及商砼站，需求量較低；三是將原狀粉煤灰制成漿液，灌注到井下采空區(qū)，缺點(diǎn)是漿液進(jìn)入采空區(qū)后出現(xiàn)粉煤灰沉淀的現(xiàn)象，水幾乎完全析出，又會帶來采空區(qū)積水隱患。隨著粉煤灰產(chǎn)出量的逐年增大，粉煤灰的處理越來越困難。

電廠高鹽水中的氯離子和硫酸根離子含量較高，若不處理直接排放將會對周邊生態(tài)環(huán)境造成污染，為此需要對高鹽水采用熱蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行凈化處理后回用，但其成本較高，目前還做不到零污染排放。電廠現(xiàn)有的高鹽水減排裝置因沙坑處理能力有限，部分高鹽水未經(jīng)過減排裝置直接排向雨水井，外排高鹽水中的氯離子含量高達(dá)2 549.9 mg/L，電導(dǎo)率為12 650 μs/cm。

電廠粉煤灰的處理和高鹽水的排放給企業(yè)經(jīng)營和環(huán)保工作帶來越來越大的壓力，煤電一體化企業(yè)在國內(nèi)也沒有成熟處理的成功先例，為此亟需研究低投入、高效率的粉煤灰及高鹽水處理技術(shù)，提出粉煤灰和高鹽水的綠色綜合處理方案。

2 實(shí)驗測定參數(shù)及無機(jī)粉煤灰固化劑簡介

2.1 實(shí)驗測定參數(shù)

根據(jù)大量實(shí)驗結(jié)果，確定粉煤灰及高鹽水的最佳配比如下(均為質(zhì)量比)，即甲料水灰比為1∶1，乙料水灰比為1.5∶1，粉煤灰漿液水灰比為1∶1，甲乙漿液注速比為2∶1，最終實(shí)現(xiàn)甲料∶乙料組分比為3∶1。

相關(guān)參數(shù)測定結(jié)果如下：甲料漿液比重為1.52 cm3/mL，乙料漿液比重為1.32 cm3/mL，粉煤灰漿液比重為1.4 cm3/mL。

與使用正常水進(jìn)行固化實(shí)驗相比，高鹽水中的氯離子和硫酸根離子不影響固化效果，固化比(無機(jī)粉煤灰固化劑與粉煤灰質(zhì)量比)為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50時，混合后漿液凝結(jié)體均不析水，但凝結(jié)體強(qiáng)度有差別，強(qiáng)度范圍為0.2～1.5 MPa，固化比與凝結(jié)體強(qiáng)度大小成非線性反比關(guān)系，即固化比越小強(qiáng)度就越高，固化比為1∶50時，凝結(jié)體強(qiáng)度最小。

2.2 無機(jī)粉煤灰固化劑簡介

無機(jī)粉煤灰固化劑為無機(jī)材料，呈粉末狀，分為甲料和乙料這2種組分配合使用。單位質(zhì)量的無機(jī)粉煤灰固化劑可固結(jié)10～50倍的粉煤灰(根據(jù)粉煤灰分級及使用要求調(diào)整)，無機(jī)粉煤灰固化劑及粉煤灰可用高鹽水進(jìn)行制漿，粉煤灰漿液與固化劑漿液混合后根據(jù)需要在適宜時間(20～120 min，可根據(jù)使用要求調(diào)整)內(nèi)凝固，凝結(jié)體不析水，且受熱后失水速度慢，凝結(jié)體具有一定的強(qiáng)度。

固化比為1∶10、1∶20、1∶30以及粉煤灰漿液水灰比1∶1時，可用于綜采工作面空巷充填、采空區(qū)充填及矸石條帶充填開采置換煤柱等，漿液流動性好，可充滿整個充填空間；用于綜采工作面空巷充填及采空區(qū)充填時，凝結(jié)體強(qiáng)度適中，完整性好，回采時工作面頂板得到了有效控制，避免了冒頂、片幫及支架壓死等事故的發(fā)生，確保工作面順利推進(jìn)；用于矸石條帶充填開采置換煤柱時，工藝簡單，可對拋投、堆積矸石進(jìn)行裂隙充填，也可隨破碎后矸石一起泵送充填，矸石膠結(jié)效果好、強(qiáng)度高，滿足“三下”采煤地表沉降要求。

固化比為1∶40、1∶50以及粉煤灰漿液水灰比1∶1時，可用于采空區(qū)密閉、工作面后方及相鄰工作面防滅火。將采空區(qū)一定范圍內(nèi)空間完全充滿，采空區(qū)隔絕效果好，防止工作面采空區(qū)瓦斯、CO等有毒有害氣體涌出。從防滅火的角度來講，礦井原有灌漿系統(tǒng)原狀粉煤灰漿液氣密性不夠，保水能力觸變性較差，此外漿液內(nèi)聚的粘結(jié)力較弱，對浮煤的粘附及包裹力較差，進(jìn)入采空區(qū)后泥漿落地如同一灘散砂，隨水帶走的大量細(xì)灰四處流淌。粉煤灰固化劑漿液固結(jié)體能夠覆蓋、固結(jié)破碎煤巖體，將破碎遺煤與空氣隔離，可以阻止破碎煤體進(jìn)一步氧化。

3 多元物料智能制備及注漿系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

多元物料智能制備及注漿系統(tǒng)分為甲料和乙料制漿單元、混合注漿單元2個部分，甲料和乙料制漿單元主要由儲料斗，螺旋輸送機(jī)，甲、乙一次攪拌機(jī)，攪拌泵，螺旋輸送機(jī)，稱重傳感、閥門等組成；混合注漿單元主要由甲、乙二次攪拌機(jī)，注漿泵，控制箱，動力箱，稱重傳感等組成。為方便移動和便于牽引，各單元的平臺均加裝移動膠輪，平臺加裝固定裝置，確保平臺上的設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。多元物料智能制備及注漿系統(tǒng)外觀如圖1所示。

圖1 多元物料智能制備及注漿系統(tǒng)外觀

多元物料智能制備及注漿系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如下：額定注漿速度為1～2 m3/h、電壓為660 V、供氣壓力為0.4～0.7 MPa、額定壓力為5 MPA、總功率為34 kW、甲料水灰比為1∶1(質(zhì)量比)、乙料水灰比為1.5∶1(質(zhì)量比)、甲料和乙料配比(質(zhì)量比)為3∶1、需水量≥30 m3/h、甲料和乙料制漿單元外形尺寸為3 500 mm×1 500 mm×2 100 mm、混合注漿單元外形尺寸為3 300 mm×1 500 mm×1 900 mm。

3.2 系統(tǒng)自動運(yùn)行原理

系統(tǒng)開啟時按照預(yù)設(shè)值進(jìn)行制漿。自動運(yùn)行后，控制系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的固化劑制漿量、水灰比和甲、乙料重量配比，在充分考慮甲、乙攪拌機(jī)殘留重量的基礎(chǔ)上，分配甲、乙制漿量和供水量。

在制漿過程中，供水量和供料量均由稱重傳感系統(tǒng)控制；當(dāng)甲、乙筒的供水量和供料量到達(dá)額定值時，分別自動關(guān)閉供水閥門和螺旋輸送機(jī)；供料順序為先供水后供料。為保證制漿精度，在供水完成后，系統(tǒng)會再次檢測供水量，得出精確供水量后，根據(jù)預(yù)設(shè)的水灰比自動計算供料量，確保制漿精度。

4 工業(yè)性試驗

4.1 工藝系統(tǒng)簡介

察哈素煤礦將原狀粉煤灰制成漿液，灌注到井下采空區(qū)，灌漿系統(tǒng)主要由西安森蘭科貿(mào)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的儲料系統(tǒng)、膠體制備機(jī)、濾漿機(jī)及輸送管路等組成。粉煤灰與高鹽水通過制漿機(jī)、濾漿機(jī)混合制成漿液，水灰比為1∶1，然后通過自重由輸送管路輸送至采空區(qū)，平均流量為60 m3/h，管路直徑為133 mm，垂直輸送距離約為430 m。

多元物料智能制備及注漿系統(tǒng)可將無機(jī)粉煤灰固化劑添加到粉煤灰漿液中，再輸送到采空區(qū)，使粉煤灰漿液固化后不析水，達(dá)到處理粉煤灰和高鹽水的目的。為保證固化效果，將固化劑在粉煤灰灌漿系統(tǒng)末端管路添加。甲料和乙料按照固定的質(zhì)量比分別加水?dāng)嚢韬螅ㄟ^變量注漿泵混合器(Φ50 mm管式紊流攪拌器)充分混合后，固化劑漿液與粉煤灰漿液再經(jīng)混合器(Φ100 mm管式紊流攪拌器)充分混合后的漿液經(jīng)管路直徑為102 mm的灌漿管道進(jìn)入灌漿區(qū)域，粉煤灰固化充填系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 粉煤灰固化充填系統(tǒng)示意圖

4.2 實(shí)施情況

在察哈素煤礦進(jìn)行了粉煤灰固結(jié)工業(yè)性試驗，試驗步驟如下：將固化劑添加至儲料斗內(nèi)，然后通知地面將制備好的粉煤灰、高鹽水漿液輸送至井下，同時開啟井下多元物料智能制備及注漿系統(tǒng)泵送固化劑漿液。添加固化劑的初期，輸漿管上的閘閥1關(guān)閉、閘閥2開啟，將粉煤灰漿液輸送至采空區(qū)。約30 min后，開啟閘閥1、關(guān)閉閘閥2，將粉煤灰漿液輸送至儲漿池，觀察漿液凝結(jié)和泌水情況，并記錄初凝時間。儲漿池儲滿漿液后，開啟閘閥2、關(guān)閉閘閥1，將剩余的粉煤灰漿液輸送至采空區(qū)，直至無機(jī)粉煤灰固化劑使用完畢。井下試驗設(shè)備布置見圖3所示。

圖3 井下試驗設(shè)備布置示意圖

試驗取得成功后，在井下進(jìn)行了粉煤灰及高鹽水固化充填施工，按粉煤灰灌漿系統(tǒng)平均流量為60 m3/h、每天施工2個小班、每班施工6 h計算，可處理粉煤灰及高鹽水量均為504 t/d(粉煤灰及高鹽水1∶1制漿，故消耗量相同)，每年施工300 d，則可處理粉煤灰及高鹽水量均為15萬t/a左右。由此可見，采用粉煤灰及高鹽水井下采空區(qū)固化充填施工，可以處理企業(yè)大部分的粉煤灰及高鹽水，同時配合粉煤灰外銷、高鹽水熱蒸發(fā)處理等措施，企業(yè)的經(jīng)營和環(huán)保壓力大大減小。

4.3 應(yīng)用效果

經(jīng)過對現(xiàn)場記錄試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得出以下結(jié)論，單位質(zhì)量固化劑固結(jié)30倍粉煤灰的情況下，粉煤灰固化漿液初凝時間為20～45 min，凝固速度滿足要求。漿液初始流動性好且在凝固過程中不析水，鎖水功能符合預(yù)期；隨著時間增長至90～120 min時，凝結(jié)體強(qiáng)度有一定程度增高、可達(dá)0.2～0.3 MPa，漿液灌入采空區(qū)在流動過程中覆蓋、固結(jié)破碎煤巖體，可對采空區(qū)防滅火產(chǎn)生積極作用。

5 結(jié)論

筆者提出了一種粉煤灰及高鹽水綠色綜合處理技術(shù)，即粉煤灰和高鹽水煤礦井下固化充填到采空區(qū)中，并根據(jù)技術(shù)應(yīng)用的需要，研發(fā)出了性能優(yōu)良、滿足使用要求的新型無機(jī)粉煤灰固化劑及自動化程度、制漿精度高的井下多元物料智能制備及注漿系統(tǒng)。

此技術(shù)在井下成功進(jìn)行了工業(yè)性試驗，能夠同時處理大量的粉煤灰及高鹽水。在處理粉煤灰及高鹽水的同時，還可用于綜采工作面采空區(qū)防滅火、空巷和采空區(qū)充填及矸石充填開采置換煤柱等，具有成本低、效率高和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，創(chuàng)造了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會效益。

此技術(shù)已在察哈素煤礦井下進(jìn)行了粉煤灰、高鹽水固化充填工業(yè)性試驗，試驗效果較為顯著，可大大減輕煤電企業(yè)的經(jīng)營和環(huán)保壓力。