楊 科，趙新元，何 祥，魏 禎

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心 能源研究院(安徽省能源實(shí)驗(yàn)室)，安徽 合肥 230031)

長(zhǎng)期以來，“富煤貧油少氣”的資源賦存格局奠定了煤炭在我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)中的主體地位。從煤炭生產(chǎn)、加工到消費(fèi)、利用形成了龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，如煤炭開采、洗選、發(fā)電、煤化工等產(chǎn)業(yè)，它們對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展奠定了雄厚工業(yè)基礎(chǔ)[1-3]。然而在煤炭開采和利用過程中不可避免產(chǎn)生固體廢棄物，如煤矸石、粉煤灰和爐渣等。僅2020年我國(guó)工業(yè)固廢產(chǎn)出中，以煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏、氣化渣和爐底渣為主的煤基固廢產(chǎn)量超10億t。固廢綜合利用率低，貯存量大，增加水土氣等環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，威脅群眾安全健康[4-5]，煤基固廢處置利用迫在眉睫。

國(guó)內(nèi)外公開資料表明煤基固廢已實(shí)現(xiàn)多種利用途徑[6-8]。根據(jù)煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏、氣化渣和爐底渣等煤基固廢的組分和性質(zhì)不同，可分別作為路基材料、建筑裝飾材料、硅鋁產(chǎn)品原材料、有價(jià)元素提取物的原料、土地修復(fù)治理材料等，變廢為寶，應(yīng)用廣泛，但在煤礦井下充填方面，現(xiàn)階段以1種或2種固廢利用較多，多源煤基固廢協(xié)同應(yīng)用較少。

井下充填技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，在我國(guó)煤礦的應(yīng)用已遍地開花，成為規(guī)模化處置固廢的重要途徑[9-11]。目前我國(guó)井下充填已基本形成了固體充填、膏體充填、高水充填和離層注漿等為主體的技術(shù)體系和應(yīng)用格局[12-15]。除高水充填外，其余充填開采技術(shù)均有效處置和消納了固廢，如固體充填主要以煤矸石為主、粉煤灰為輔作為充填材料，膏體充填在煤礦的應(yīng)用主要以粉煤灰、煤矸石等為充填材料，離層注漿充填常見充填材料為粉煤灰、矸石粉等，這些充填技術(shù)主要以煤矸石和粉煤灰為充填材料，對(duì)脫硫石膏、氣化渣和爐底渣等煤基固廢的綜合利用較少。因而，多源煤基固廢井下綠色充填具有廣闊發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

黃河流域分布有9個(gè)大型能源化工基地，被譽(yù)為我國(guó)的“能源流域”。大型能源化工基地固廢產(chǎn)量大，分布集中，有利于區(qū)域煤礦井下充填[16-17]。然而，以煤基固廢為原材料制備井下充填材料，原材料成分復(fù)雜，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不明，其技術(shù)工藝與現(xiàn)有充填技術(shù)體系存在區(qū)別，不可簡(jiǎn)單套用，應(yīng)針對(duì)地域、產(chǎn)業(yè)分布、工況和材料屬性等開展針對(duì)性研究。

筆者以黃河流域?qū)帠|基地為試驗(yàn)區(qū)，研究了區(qū)域內(nèi)煤基固廢的污染風(fēng)險(xiǎn)、理化性質(zhì)和多重屬性，闡述了煤基固廢用于井下充填的基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系，介紹了試驗(yàn)礦井固廢充填進(jìn)展，最后對(duì)煤基固廢多產(chǎn)業(yè)鏈接協(xié)同利用新模式進(jìn)行了展望。研究成果為黃河流域乃至全國(guó)各大能源化工基地提供了煤基固廢無害化、減量化、資源化、規(guī)?；C合利用技術(shù)方案。

1 寧東基地概況

寧東能源化工基地(簡(jiǎn)稱寧東基地)位于寧夏銀川市區(qū)東南部，總面積3 500 km2。自2003年開發(fā)建設(shè)以來，先后被確定為國(guó)家大型煤炭生產(chǎn)基地、“西電東送”火電基地、煤化工產(chǎn)業(yè)基地等，是我國(guó)西部黃河流域內(nèi)重要的能源化工基地[18]。寧東基地核心區(qū)部分企業(yè)分布如圖1所示，該區(qū)域分布有較多的煤礦、火電廠和煤化工廠等企業(yè)，煤基固廢年產(chǎn)量大、增速快、同質(zhì)化程度高。

圖1 寧東基地核心區(qū)部分企業(yè)分布Fig.1 Distribution of some enterprises in the core area of Ningdong Base

寧東基地煤基固廢年產(chǎn)量最大的主要有煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏、氣化渣和爐底渣。據(jù)統(tǒng)計(jì)[19-20]，僅2020年，寧東基地各類大小礦廠企業(yè)產(chǎn)生的煤基固廢高達(dá)2 400萬t(圖2)，其中粉煤灰產(chǎn)量約730萬t，氣化渣和爐底渣合計(jì)產(chǎn)量約810萬t，脫硫石膏產(chǎn)量約150萬t。除煤矸石外，其余固廢的綜合利用率均低于30%。固廢存量和增量巨大，導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐C合渣場(chǎng)庫(kù)容接近飽和，無法滿足中長(zhǎng)期固廢堆存要求。在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)建設(shè)大背景下，采取科學(xué)有效的固廢協(xié)同利用方法，是寧東基地大宗煤基固廢無害化、資源化、規(guī)?；幹美玫挠行緩?。

圖2 2020年寧東基地煤基固廢產(chǎn)量和利用率Fig.2 Output and utilization rate of coal-based solid waste in Ningdong Base in 2020

2 煤基固廢性質(zhì)

選取寧東基地內(nèi)煤礦、電廠和煤制油企業(yè)等排放的典型煤基固廢進(jìn)行分析，其實(shí)物如圖3所示。

圖3 寧東基地典型煤基固廢Fig.3 Typical coal-based solid wastes in Ningdong Base

2.1 污染風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)寧東基地土壤pH>7.5及煤基固廢重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果(表1)可見，多數(shù)煤基固廢重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于篩選值，且重金屬浸出量符合GB 18599—2020《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ類固廢標(biāo)準(zhǔn)，污染風(fēng)險(xiǎn)低，一般可忽略；電廠爐底渣、煤制油氣化渣等固廢中個(gè)別重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于篩選值，但遠(yuǎn)小于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中規(guī)定的管控值，存在污染可控的潛在風(fēng)險(xiǎn)，可采取一定技術(shù)措施降低其毒害性，實(shí)現(xiàn)無害化充填利用。

表1 煤基固廢中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果Table 1 Test results of heavy metal content in coal-based solid waste mg/kg

2.2 理化性質(zhì)

采用XRF、XRD和粒度分析等手段對(duì)寧東基地煤基固廢材料進(jìn)行了測(cè)試，XRD測(cè)試結(jié)果如圖4所示，各元素氧化物成分的XRF測(cè)試結(jié)果見表2，對(duì)煤基固廢理化性質(zhì)進(jìn)行具體分析。

(1)煤矸石。煤矸石主要來源于煤礦井下采掘工作面和地面洗選廠。由表2和圖4可知任家莊礦煤矸石的主要氧化物成分為SiO2，CO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3和K2O，主要礦物相為石英和高嶺石等。矸石粒徑大小不一，最大粒徑超過100 mm，經(jīng)過破碎后的矸石粒徑普遍小于15～20 mm，適宜充填。煤矸石質(zhì)硬，主要巖性為頁巖、砂巖和泥巖等，外表大多呈灰色和灰黑色，無自燃性，平均單軸抗壓強(qiáng)度在30～40 MPa，密度約為2 350 kg/m3，堆積密度約為1 400 kg/m3。

圖4 煤基固廢XRD測(cè)試結(jié)果Fig.4 XRD results of coal-based solid waste

(2)粉煤灰。粉煤灰是煤燃燒所產(chǎn)生煙氣灰分中的細(xì)微固體顆粒物。由表2和圖4可知，鴛鴦湖電廠粉煤灰主要氧化物成分為SiO2，CO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3和CaO，質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過92%，主要礦物相為石英和莫來石等。粉煤灰粒度小于50 μm和小于180 μm的粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別超過50%和90%。粉煤灰外觀呈灰白色，密度約為2 150 kg/m3，細(xì)度約為20%，燒失量約為1%，比表面積約為300 m2/kg。各類粉煤灰的微觀形貌高度一致，顆粒普遍呈光面球狀，具有較好的滾珠效應(yīng)[21]。

表2 寧東基地部分煤基固廢測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of some coal-based solid wastes in Ningdong Base

(3)脫硫石膏。脫硫石膏是電廠煙氣濕法脫硫的副產(chǎn)品。鴛鴦湖電廠脫硫石膏外觀以暗黃色為主，潮濕，含水量約為10%，呈濕粉狀或塊狀，無刺激性氣味。脫硫石膏微觀形貌呈不規(guī)則棱形塊狀，顆粒最大粒徑小于450 μm，大部分小于150 μm，占比超過95%。由表2和圖4可知其主要氧化物成分為CO2，SO3，CaO和SiO2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過96%，此外還有少量Al2O3等成分，主要礦物相為二水石膏。

(4)氣化渣。氣化渣是在一定溫度、壓力下，用氣化劑對(duì)煤進(jìn)行熱化學(xué)加工，將煤中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹獾倪^程產(chǎn)生的固態(tài)殘?jiān)?，因排出方式不同，分為粗渣和?xì)渣。煤制油氣化粗渣含碳量高，外觀呈黑色粗糙砂粒狀，易磨性差，含水率超10%。氣化粗渣微觀形貌為不規(guī)則塊狀，表面呈多孔和凹坑結(jié)構(gòu)，其粒徑小于0.6 mm的顆粒占比超過90%，小于0.15 mm的顆粒硬度大。由表2和圖4可知，氣化粗渣和細(xì)渣的主要氧化物成分基本一致，均為SiO2，CO2，Al2O3，CaO和Fe2O3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過90%，其余還有少量的MgO和K2O等成分，主要礦物相為石英等。

(5)爐底渣。爐底渣是煤在鍋爐燃燒室中產(chǎn)生的熔融物。鴛鴦湖電廠爐底渣外表呈灰褐色的塊體和細(xì)砂顆粒，不規(guī)則形狀，質(zhì)地較硬，塊體表面粗糙，存在較多孔隙，燒灼痕跡明顯。爐底渣最大粒徑大于40 mm，最小粒徑為細(xì)砂級(jí)。爐底渣的主要氧化物成分為CO2，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3和CaO，質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過98%，主要礦物相為石英和莫來石等。

2.3 煤基固廢屬性

基于上述理化性質(zhì)分析，多源煤基固廢在環(huán)境、資源、材料等方面存在特有的多重屬性，為其無害化、資源化和規(guī)?；涮顟?yīng)用奠定基礎(chǔ)。

(1)環(huán)境屬性。煤基固廢的理化性質(zhì)與環(huán)境安全密切相關(guān)，具備環(huán)境屬性。首先，多數(shù)煤基固廢重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和浸出量一般可按Ⅰ類固廢進(jìn)行安全堆存和回填等；少數(shù)Ⅱ類煤基固廢可采取吸附解吸、絡(luò)合鈍化等技術(shù)手段降低其毒害性，再進(jìn)行分級(jí)分類安全利用。其次，煤基固廢堆積在地表，侵占大量土地，環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大，且存在滑坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患，威脅群眾人身安全和身心健康，損害政企發(fā)展形象，降低居民生活幸福感，破壞社會(huì)和諧和人文環(huán)境。煤基固廢被科學(xué)合理地處置到地下空間，可修復(fù)地表生態(tài)，保護(hù)井上下水體和地層結(jié)構(gòu)，改善井下安全環(huán)境，與地表生態(tài)、井下環(huán)境融為一體的同時(shí)又起到修復(fù)和保護(hù)作用。

(2)資源屬性。煤基固廢是一種放錯(cuò)地方的資源，通過技術(shù)創(chuàng)新可以在礦山充填領(lǐng)域發(fā)揮其資源屬性[6,22-25]。煤矸石中富含的高嶺土在高溫煅燒或活性激發(fā)后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鹕交?，可用于水泥基充填材料。氣化?xì)渣富含硅鋁元素，通過脫水、分選或活化、改性等方法制備高灰產(chǎn)品或PAC、水玻璃等，用于充填吸附和膠結(jié)輔助材料。氣化粗渣、爐底渣和脫硫石膏通過機(jī)械/化學(xué)活化、增鈣活化和表面絡(luò)合活化等手段提高其火山灰膠凝特性；各類粉煤灰活性差異大，可采取分級(jí)分選措施優(yōu)選活性指數(shù)大的粉煤灰作為目標(biāo)膠凝材料；對(duì)多種煤基固廢進(jìn)行級(jí)配改善、優(yōu)化和耦合活化等手段制備活性指數(shù)>70%的高活性復(fù)合粉體，用于充填膠凝材料等，實(shí)現(xiàn)煤基固廢資源化利用，如圖5所示。

圖5 固廢資源化利用技術(shù)框架Fig.5 Technical framework of resource utilization of coal-based solid waste

(3)材料屬性。煤基固廢是以煤為主線的煤電化產(chǎn)業(yè)鏈排放的固體廢棄物，可以直接或間接利用，具備材料屬性。在煤礦充填領(lǐng)域，符合GB 18599—2020的煤基固廢可作為充填材料。煤矸石、爐底渣、氣化渣、粉煤灰等因其富含多孔結(jié)構(gòu)或火山灰活性成分可作為井下充填吸附材料、膠凝材料以及充填輸送潤(rùn)滑材料等。煤基固廢的粒度和成分存在互補(bǔ)和協(xié)同特性，通過合理搭配并加入外加劑和水制備成充填料漿，以管路泵送方式輸送至地下空間，實(shí)現(xiàn)固廢處置、煤炭置換、減損減沉等充填目標(biāo)。未來還可進(jìn)一步開展儲(chǔ)庫(kù)式、防滲式、防輻射等結(jié)構(gòu)性、功能性、戰(zhàn)略性充填[26-27]。

3 煤基固廢充填基礎(chǔ)理論

基于上述性質(zhì)和屬性分析，煤基固廢表現(xiàn)出良好的井下充填潛質(zhì)。但是煤基固廢充填應(yīng)用落地前必然面臨一些理論問題，如充填可行性、充填材料性能、環(huán)境影響以及充填空間選擇等，本節(jié)針對(duì)上述問題開展基礎(chǔ)理論研究工作。

3.1 綠色充填可行性評(píng)價(jià)

煤基固廢用于井下充填，首先評(píng)價(jià)其是否可行。針對(duì)寧東基地煤礦數(shù)量多，沉陷區(qū)分布廣、地下空區(qū)體積大和壓煤資源回收難等諸多問題，煤基固廢井下綠色充填無疑是一種最高效和現(xiàn)實(shí)的解決方法。本小節(jié)從安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和政策等4個(gè)指標(biāo)研判其充填可行性，構(gòu)建“四位一體”評(píng)價(jià)體系，如圖6所示。

圖6 固廢充填可行性評(píng)價(jià)體系Fig.6 Feasibility evaluation for solid waste backfilling

(1)安全可行。用于充填的煤基固廢，其性質(zhì)首先是安全的。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，多數(shù)煤基固廢重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和浸出量符合GB 18599—2020中Ⅰ類固廢標(biāo)準(zhǔn)，少量煤基固廢毒害性指標(biāo)低于標(biāo)準(zhǔn)管控值，可采取重金屬吸附與絡(luò)合鈍化、沉淀過濾等技術(shù)手段降低毒害性，使其符合Ⅰ類固廢井下填埋的環(huán)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)(GB 18599—2020)。煤基固廢來源于多個(gè)礦廠企業(yè)，在不同的生產(chǎn)工藝下排出，其成分復(fù)雜，理化性質(zhì)不同，但煤基固廢相互之間并未存在不良反應(yīng)，且與水和水泥混合并未生成毒害產(chǎn)物，煤基固廢材料具備安全性。其次，煤基固廢充填入地下空間后，與礦井氣體不發(fā)生毒害反應(yīng)，對(duì)地下水和圍巖等環(huán)境的影響符合GB 18599—2020；充填還可以實(shí)現(xiàn)減損減沉和保水開采，減少礦壓事故和采動(dòng)災(zāi)害，構(gòu)建安全作業(yè)環(huán)境。因此，煤基固廢充填對(duì)井下環(huán)境和人員設(shè)備具備安全性。

(2)經(jīng)濟(jì)可行。井下充填用的多源煤基固廢為煤電等企業(yè)排放的固廢物，充填用水為礦排水，材料來源廣，種類豐富，就地取材，材料成本低，煤基固廢用于井下充填后還可減少渣場(chǎng)堆存費(fèi)用。寧東基地核心區(qū)煤電化產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)排廢和運(yùn)輸半徑不超過40 km，固廢分布較為集中，利于就近消化，減少材料運(yùn)輸距離和成本。粉煤灰、氣化渣和脫硫石膏等粒徑相似的煤基固廢在充填站內(nèi)可共用儲(chǔ)料倉(cāng)、煤矸石與爐底渣等顆粒大的煤基固廢可共用破碎機(jī)和篩分器，降低充填建設(shè)和材料制備成本。煤基固廢用于井下充填可減少“三下”壓煤和煤柱留設(shè)，增加礦井資源量和服務(wù)年限，提高礦井生產(chǎn)效益。充填處置掉的固廢和充填置換出的煤炭可申領(lǐng)政府和企業(yè)的相關(guān)補(bǔ)貼，享受降費(fèi)減稅等財(cái)政政策。煤基固廢井下充填還兼具潛在無價(jià)的環(huán)境和社會(huì)效益。綜上，煤基固廢井下充填具備經(jīng)濟(jì)可行性。

(3)技術(shù)可行。煤基固廢井下充填在技術(shù)上是可行的。安全可行的煤基固廢材料無論采取哪種輸送動(dòng)力形式，充填材料被制成固體、膏體或漿體形態(tài)，還是充填在采空區(qū)或離層空間，都有成熟的技術(shù)和裝備，技術(shù)框架如圖7所示。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和應(yīng)用，固體充填技術(shù)已經(jīng)形成投料、運(yùn)輸、漏矸、夯實(shí)等工藝流程和投料裝置、充填支架等裝備體系；借鑒金屬礦山充填經(jīng)驗(yàn)，在膏體流變學(xué)、柱塞流動(dòng)等基礎(chǔ)理論和攪拌機(jī)、充填泵等裝備基礎(chǔ)上發(fā)展出煤礦膏體充填技術(shù)，在此基礎(chǔ)上又形成漿體充填技術(shù)，其破碎、攪拌、泵送等工藝和裝備大同小異。除了充填材料種類和形態(tài)不同，各充填布置方式也都有大量實(shí)踐，如采空區(qū)充填方式有工作面全采全充、條帶式開采充填等，離層區(qū)充填方式有離層注漿等，此外還有巷道充填等。充填布置方式多種多樣，可因地制宜選擇應(yīng)用。此外，充填過程中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、礦壓顯現(xiàn)和地表沉陷等方面的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)也發(fā)展相對(duì)成熟。煤基固廢用于井下充填不存在技術(shù)障礙。

圖7 充填開采技術(shù)框架[10]Fig.7 Backfilling mining technology framework[10]

(4)政策可行。由理化性質(zhì)和多重屬性可知，多數(shù)煤基固廢毒害性低，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和浸出量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18599—2020，可用于井下綠色充填。煤基固廢井下充填可大量減少地表堆存量，有效保護(hù)水、土和空氣，符合一系列環(huán)保政策，同時(shí)實(shí)現(xiàn)減沉減損和保水開采，減少采動(dòng)災(zāi)害，符合煤礦綠色開采理念。煤基固廢用于井下充填同樣也符合國(guó)家和地方鼓勵(lì)固廢綜合利用的政策。近年來國(guó)家多部門聯(lián)合出臺(tái)一系列有關(guān)指導(dǎo)意見[28-29]，連續(xù)多年對(duì)煤基固廢協(xié)同利用給予政策指導(dǎo)和鼓勵(lì)。國(guó)家和地方財(cái)政部門也對(duì)煤基固廢綠色充填采取減稅降費(fèi)和財(cái)政補(bǔ)貼等支持措施[30]。煤基固廢用于井下充填不僅規(guī)模處置固廢，還兼具充填效益，契合綠色低碳、高質(zhì)量發(fā)展和實(shí)現(xiàn)雙碳愿景的時(shí)代主題。可見，煤基固廢井下充填在政策上可行。

3.2 煤基固廢充填材料性能

與矸石、粉煤灰、尾砂等常見固廢充填材料不同，煤基固廢是來源于多個(gè)行業(yè)、產(chǎn)于不同工藝和技術(shù)條件下的固體廢棄物，將其制備成充填材料，需要對(duì)其性能開展基礎(chǔ)研究。首先了解各材料的理化性質(zhì)，采用XRD、SEM、激光粒度儀和溶液浸提等技術(shù)手段測(cè)試煤基固廢的化學(xué)成分、形貌特征、粒度分布和酸堿性、毒害性等物理化學(xué)性質(zhì)，評(píng)估煤基固廢各材料用于井下充填的適用性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。其次按照揚(yáng)長(zhǎng)避短、分級(jí)分類、合理利用原則，將多孔結(jié)構(gòu)的煤基固廢粉體作為井下充填吸附材料，將富含火山灰活性成分的煤基固廢制備高活性復(fù)合膠凝材料，將存在潛在污染風(fēng)險(xiǎn)的Ⅱ類固廢通過技術(shù)手段轉(zhuǎn)變成達(dá)標(biāo)的Ⅰ類固廢。最后，將具備吸附、膠凝、骨料和細(xì)集料等功能的多源煤基固廢通過級(jí)配調(diào)節(jié)、配比優(yōu)化等方式配制充填材料，研究充填材料的基礎(chǔ)性能。若充填材料采用固體形態(tài)，則需研究材料的堆積、壓實(shí)、承載、變形等特性[31]，優(yōu)選密實(shí)程度高、壓縮應(yīng)變小的材料級(jí)配用于充填，例如以塊狀矸石和爐渣等為骨料，粉狀固廢為細(xì)集料，開展多源煤基固廢充填材料的壓縮承載特性，如圖8所示，可見固體充填材料中應(yīng)適當(dāng)減少骨料占比以提高充填材料的抗壓縮變形性能；若充填材料為流體形態(tài)，則需對(duì)材料的塌落擴(kuò)展度、泌水率、凝結(jié)時(shí)間等流動(dòng)性指標(biāo)和屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)等流變性指標(biāo)以及充填環(huán)管模擬實(shí)驗(yàn)等開展研究，優(yōu)選流動(dòng)和流變性能良好的流體充填材料；無論充填材料形態(tài)是固體還是流體，都需研究其初終凝強(qiáng)度、齡期強(qiáng)度等強(qiáng)度特征以滿足不同工況和要求，例如初終凝時(shí)間短、齡期強(qiáng)度大的充填材料適用于地表沉陷控制要求高的工況。此外還要采用現(xiàn)代技術(shù)手段揭示充填材料的微觀尺度下的結(jié)構(gòu)、形貌、孔隙、反應(yīng)機(jī)理、界面膠結(jié)特性等，以改進(jìn)和提升充填材料性能。通過上述開展的一系列工作，構(gòu)建充填材料性能研究路線，如圖9所示。

圖8 煤基固廢充填材料壓縮曲線Fig.8 Compression curves of coal-based solid waste backfill material

圖9 固廢充填材料性能研究路線Fig.9 Road for performance research of solid waste backfill materials

3.3 充填材料-環(huán)境多場(chǎng)耦合機(jī)理

煤基固廢無論充填前堆存地表或充填后埋于地下，理論上都會(huì)與周圍環(huán)境發(fā)生多場(chǎng)耦合作用。在充填前，煤基固廢直接大量長(zhǎng)期堆存地表，在風(fēng)化和降水等作用下會(huì)與地表環(huán)境發(fā)生化學(xué)場(chǎng)和滲流場(chǎng)等的氣固、液固耦合作用，如煤基固廢散發(fā)CO2和SO2等氣體，增加碳排放，引發(fā)酸性降水，加劇環(huán)境污染；大氣中的降水會(huì)對(duì)煤基固廢堆積體形成淋溶作用，煤基固廢釋放的毒害元素聚集地表和滲入地下，增加周圍生命體和地上地下水體的安全風(fēng)險(xiǎn)[32]。作為規(guī)模處置地表固廢的有效途徑，煤基固廢充填井下后，其與井下環(huán)境也會(huì)發(fā)生多場(chǎng)耦合作用：采煤打破了原始地層的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的平衡，而充填則將失衡的巖層多物理場(chǎng)進(jìn)行修復(fù)和減損；充填材料又與地下環(huán)境發(fā)生多場(chǎng)耦合作用，煤基固廢充填體承擔(dān)覆巖壓力，限制巖層的位移變形，進(jìn)而降低巖層裂隙發(fā)育程度。充填材料的物理力學(xué)性能和充實(shí)率與巖層多物理場(chǎng)演化的顯現(xiàn)程度密切相關(guān)，充填材料的力學(xué)性能越強(qiáng)，充實(shí)率越高，巖層應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的演化范圍和影響程度就越小，有利于充填體長(zhǎng)期安全和覆巖完整穩(wěn)定。除了充填材料與地下圍巖多物理場(chǎng)的耦合作用，還存在滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)和流固耦合等耦合問題。煤基固廢充填入地下后，頂板下沉形成對(duì)充填體的壓力泌水效應(yīng)，煤基固廢中的水和流經(jīng)充填體的老空水、巖層水等必然攜帶一些化學(xué)物質(zhì)和元素滲透進(jìn)巖體中，形成巖體內(nèi)(重)金屬聚集效應(yīng)。充填體內(nèi)存在密集孔隙結(jié)構(gòu)，形成天然的氣液分子滲流通道，煤巖層中的瓦斯、煤基固廢中的CO2，SO2等氣體分子以及充填體中的水分子等在孔隙滲流通道中游離和流動(dòng)，煤基固廢顆粒與滲流通道中的氣體和液體等發(fā)生元素析出、滲入、分子吸附、聚集和交換等相互作用，產(chǎn)生煤基固廢碳硫地下封存的效果和化學(xué)場(chǎng)、滲流場(chǎng)等耦合效應(yīng)。此外，煤基固廢充填地下空間，減少礦壓事故和采動(dòng)災(zāi)害，控制圍巖變形，改善人員作業(yè)環(huán)境，進(jìn)而有利于煤基固廢充填的順利實(shí)施，形成正向反饋和良性循環(huán)。綜上，充填材料與井上下的自然環(huán)境、人文環(huán)境存在交互作用、相互耦合的影響，如圖10所示。

3.4 立體充填機(jī)制

工作面開采參數(shù)和地質(zhì)條件往往決定了地下空間在巖層中的層位和形態(tài)，覆巖空間的層位和形態(tài)又深刻影響充填材料形態(tài)選擇和充填工藝布置。通過梳理國(guó)內(nèi)外常見充填布置方式，分析采煤過程中覆巖空間結(jié)構(gòu)及其時(shí)空運(yùn)移特征，結(jié)合寧東基地煤礦開采地質(zhì)條件，發(fā)現(xiàn)覆巖空間往往在厚硬完整巖層下發(fā)育空間大且存續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，有利于充填。因此，本文提出多層位立體充填機(jī)制，以期針對(duì)不同采煤地質(zhì)條件適用不同充填技術(shù)方案。多層位立體充填機(jī)制是指基于充填空間在煤層及以上巖層中的時(shí)空層位而構(gòu)建出原位充填、低位充填和高位充填的技術(shù)集成模式，形成“三層位”空間立體式充填布局，如圖11所示。

原位充填即是在煤層開采后、直接頂垮落前對(duì)開采空間進(jìn)行充填，一般適用于煤層直接頂堅(jiān)硬完整的良好條件或上下臨近煤層上行式開采布置等；采用原位充填的方法按照充填材料形態(tài)和開采布置方式主要有固體/膏體充填、條帶充填、房柱式充填和采空區(qū)注漿充填等幾類，其相關(guān)應(yīng)用案例較多，技術(shù)較為成熟。

為了不影響工作面正常推進(jìn)，采用垮落法處理頂板，離層空間在關(guān)鍵層下方發(fā)育充分，適宜規(guī)模注漿充填。該充填空間位置高，處于裂隙帶上方和關(guān)鍵層下方，因而統(tǒng)稱為高位充填，一般適用于礦井首采煤層等。高位充填的主要實(shí)踐方式為覆巖離層注漿充填，相關(guān)研究和應(yīng)用起步較早，成果豐富。

對(duì)于煤層上方存在采空區(qū)且直接頂破碎、隨采隨落的工況，采用原位充填難度大，高位充填不適用，則可采取低位充填方式，即在破碎直接頂或基本頂垮落后，垮落矸石與上覆堅(jiān)硬巖層之間必然存在適于充填的欠接頂空間，當(dāng)工作面推進(jìn)到堅(jiān)硬巖層垮落步距前采用超前定向鉆孔或高位巷道向下鉆孔等方式對(duì)目標(biāo)空間進(jìn)行注漿充填，使充填料漿膠結(jié)垮落矸石形成頂板支撐結(jié)構(gòu)；這種充填方式擴(kuò)寬了充填技術(shù)應(yīng)用條件，其工藝技術(shù)與原位和高位充填有所不同，應(yīng)用案例少，具有一定創(chuàng)新性。該方式對(duì)堅(jiān)硬巖層破斷與工作面推進(jìn)的時(shí)空關(guān)系的掌握要求高[33]，且充填材料既不能泌水太多，防止溢出工作面，又具有一定流動(dòng)性和快速承載性。

該立體充填機(jī)制基本涵蓋現(xiàn)有的充填系統(tǒng)布置方式。其中的各種充填方式相互補(bǔ)充，各有適用，可在不同礦井地質(zhì)條件和充填要求下單獨(dú)或聯(lián)合應(yīng)用，需因地制宜，分類分析，實(shí)現(xiàn)覆巖空間精準(zhǔn)判別、科學(xué)充填、安全有效。

4 煤基固廢充填技術(shù)體系

從上述4個(gè)方面疏通固廢充填理論堵點(diǎn)，但應(yīng)用還需開展一些針對(duì)性的技術(shù)研發(fā)。本節(jié)基于減量化、無害化、資源化、規(guī)?；摹八幕崩迷瓌t，介紹分析了煤基固廢從源頭、過程到終端的充填全過程中的技術(shù)原理和方法，以解決煤基固廢用于井下綠色充填的技術(shù)難點(diǎn)。

4.1 煤矸石源頭減量精準(zhǔn)開采與井下采選充協(xié)同技術(shù)

煤矸石在寧東基地年產(chǎn)量大，其粒徑較大，在充填前需進(jìn)行粗碎和細(xì)碎等加工，大幅增加充填材料制備成本，因此有必要開展煤矸石源頭減量精準(zhǔn)開采與采選充協(xié)同技術(shù)研發(fā)，從開采源頭和井下輸送端減少煤礦固廢產(chǎn)出。煤矸石源頭減量精準(zhǔn)開采與采選充協(xié)同技術(shù)關(guān)鍵在于工作面矸石減量和采掘矸石不升井，技術(shù)框架如圖12所示。① 采用智能精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)獲取地層形貌、巖層柱狀、煤巖參數(shù)等精確地質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)合巖土工程數(shù)字孿生、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、多維信息模型構(gòu)建、地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)體一體化集成等技術(shù)手段構(gòu)建數(shù)字化透明化精細(xì)化三維煤層地質(zhì)和開采模型，并基于多物理場(chǎng)時(shí)空演化特征、煤矸產(chǎn)出動(dòng)態(tài)關(guān)系等模型和理論來指導(dǎo)煤礦開掘、回采巷道的布置優(yōu)化和工作面開采參數(shù)的調(diào)整，利用大數(shù)據(jù)融合、自主感知與智能導(dǎo)航定位等現(xiàn)代信息技術(shù)強(qiáng)化工作面“三機(jī)”協(xié)同配合，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)割煤軌跡和運(yùn)移姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)起伏煤層少矸化回采，構(gòu)建采前優(yōu)化、采中協(xié)調(diào)的采掘工作面源頭減量精準(zhǔn)開采模式，減少矸石回填處置工作量。② 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和不同濕度、粒度煤炭堆積黏附模型，集成NIR(紅外)、CCD(高速相機(jī))、Photometry(光度法)等多種感應(yīng)技術(shù)識(shí)別多種礦物特征差異(顏色，結(jié)構(gòu)，粒度，形狀)，通過分析煤矸屬性差異、理化特征和運(yùn)動(dòng)軌跡建立X射線透射煤矸精準(zhǔn)識(shí)別與光電智能分選系統(tǒng)，在井下受限空間內(nèi)完成煤矸識(shí)別與分選、矸石破碎與回填的工藝層疊布局，形成年選矸量數(shù)萬噸規(guī)模的移動(dòng)式模塊化智能分選裝備的組合系統(tǒng)，研發(fā)井下采選充、矸石不升井協(xié)同開采技術(shù)，構(gòu)建采中分選、采后回填的一體化模式。通過上述2種方式，共同組建煤矸石井下源頭減量精準(zhǔn)開采與采選充協(xié)同技術(shù)體系，減少矸石提升耗能、洗選負(fù)擔(dān)和地面堆積及其次生災(zāi)害等。

圖12 矸石源頭減量精準(zhǔn)開采與井下采選充協(xié)同技術(shù)框架Fig.12 Technical framework for gangue source reduction and precise mining and underground mining,selection and charging coordination

4.2 煤基固廢重金屬吸附與絡(luò)合鈍化技術(shù)

多源煤基固廢用于井下充填須滿足相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，尤其重金屬等有害物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超標(biāo)。寧東基地多源煤基固廢檢測(cè)結(jié)果表明，部分煤基固廢重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過篩選值，存在一定量的重金屬可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，在長(zhǎng)期井下復(fù)雜水文條件中無法保證長(zhǎng)期安全穩(wěn)定。為消除煤基固廢中重金屬富集及其在井下環(huán)境中的毒害物釋放超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，開展以煤基固廢重金屬吸附解吸和絡(luò)合鈍化為主的技術(shù)研發(fā)。以Cd2+，Pb2+等含量較多的煤制油氣化渣為例。首先采用粒徑分級(jí)、Zeta電位、物相分析等測(cè)試手段分析氣化渣和腐植酸的基礎(chǔ)物化性質(zhì)，采用改進(jìn)的Tessier逐級(jí)化學(xué)提取法解析重金屬賦存形態(tài)和浸出特性，然后開展腐植酸(HA)對(duì)Pb2+，Cd2+的吸附性能和HA-Pb，HA-Cd體系中Pb2+，Cd2+脫附性能的研究，為腐植酸類用于重金屬吸附奠定科學(xué)基礎(chǔ)；最后基于酸堿度的適應(yīng)性調(diào)控優(yōu)化沸石-腐植酸協(xié)同吸附體系，研究復(fù)合體系吸附性能的提升機(jī)理，保證其在復(fù)雜條件下作用的穩(wěn)定性。另外還可采用不同鈍化劑對(duì)重金屬離子進(jìn)行絡(luò)合鈍化，分析在不同酸堿度和水環(huán)境下對(duì)重金屬絡(luò)合鈍化的行為、規(guī)律、機(jī)理，優(yōu)選重金屬絡(luò)合鈍化的材料和方法。通過加強(qiáng)上述2種方式協(xié)同配合，最終形成固化率超80%的氣化渣內(nèi)重金屬高效吸附-鈍化關(guān)鍵技術(shù)，制備環(huán)境友好型充填材料，為無害化綠色充填奠定基礎(chǔ)。技術(shù)原理如圖13所示。

圖13 重金屬吸附-鈍化技術(shù)原理示意Fig.13 Technical principle of heavy metal adsorption and passivation technology

為進(jìn)一步提高煤基固廢重金屬吸附-鈍化的經(jīng)濟(jì)性，通過井下環(huán)境模擬試驗(yàn)，強(qiáng)化材料對(duì)特定重金屬絡(luò)合鈍化的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性，提高重金屬非穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)利用煤基固廢的多孔結(jié)構(gòu)來研發(fā)成本低廉的吸附材料，擴(kuò)寬吸附材料來源，提升重金屬吸附效益。以重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和浸出量均符合國(guó)標(biāo)GB 15618—2018和GB 18599—2020的煤矸石為例，技術(shù)原理如圖14所示。通過研磨、純化、添加外加劑以及改性、養(yǎng)護(hù)和煅燒等方法，將粉體煤矸石制備成高通孔率、高比表面積的多孔材料，充填于井下以發(fā)揮其與礦井水、重金屬的耦合吸附效應(yīng)；經(jīng)過處理后的粉體矸石自身重金屬浸出能力已遠(yuǎn)小于其吸附性能，吸附的雜質(zhì)又可對(duì)自身重金屬形成包裹和屏障，堵塞浸出通道，使矸石吸附材料內(nèi)的重金屬賦存更穩(wěn)固，進(jìn)一步保障吸附材料的長(zhǎng)期安全可靠性。

圖14 煤矸石吸附材料制備原理[36]Fig.14 Preparation principle coal gangue adsorption material[36]

4.3 多源煤基固廢充填材料制備技術(shù)

與常見充填材料不同，煤基固廢充填材料組份多，成分復(fù)雜，每種固廢理化特征各不相同，將其混合制成充填材料，其工藝技術(shù)自然不盡相同。多源煤基固廢中粉狀材料占比大，適宜制備流體形態(tài)的充填材料。煤矸石粒徑較大，經(jīng)過破碎機(jī)粗碎和細(xì)碎后可作為具有一定吸附效果的充填骨料；爐底渣和氣化渣粒徑次之，經(jīng)過球磨機(jī)等設(shè)備的粉磨后可與粉煤灰和脫硫石膏按一定級(jí)配混合作為充填用膠凝材料?；诳煽氐蛷?qiáng)度材料(CLSM)和全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)，將多源煤基固廢經(jīng)過篩分、混合、攪拌等工藝流程制備成充填料漿[37-38]，對(duì)不同水膠比、濃度和級(jí)配的充填材料開展流動(dòng)性(塌落擴(kuò)展度、泌水率、初終凝時(shí)間等)、流變性(屈服應(yīng)力、塑性黏度等)、強(qiáng)度(初終凝強(qiáng)度、齡期強(qiáng)度、耐久性等)等性能的測(cè)試分析，最終獲得煤基固廢摻量>90%、充填體28 d強(qiáng)度>2 MPa且初凝時(shí)間4～6 h、終凝時(shí)間8～12 h等指標(biāo)的充填材料合理配比；對(duì)最優(yōu)配比材料采用XRD(X射線衍射)、SEM-EDS(電鏡掃描+能譜分析)、MIP(壓汞法)等多種現(xiàn)代技術(shù)手段開展微觀界面結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)機(jī)理等基礎(chǔ)研究，為煤基固廢充填材料性能提升和優(yōu)化提供理論支撐。實(shí)驗(yàn)室制備的充填材料是否可靠最終還要靠工業(yè)性實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)。通過在地面組建破碎、儲(chǔ)料、制漿、攪拌、泵送等工藝裝備，采用半工業(yè)環(huán)管試驗(yàn)和工業(yè)性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐方式對(duì)充填材料配比和性能進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備的充填材料形成驗(yàn)證、互饋和改進(jìn)、優(yōu)化的閉環(huán)體系，形成一套適用于礦井的材料配合比設(shè)計(jì)、配制方法和充填材料制備技術(shù)方案等，技術(shù)框架如圖15所示。

圖15 固廢充填材料制備技術(shù)框架Fig.15 Technical framework for preparation of solid waste backfill materials

4.4 充填材料長(zhǎng)距離管道輸送技術(shù)

充填料漿由地面輸送至井下充填空間，管路長(zhǎng)達(dá)上千米，布置在深部礦井的充填管路長(zhǎng)度甚至有數(shù)千米。為保證材料輸送過程的安全高效，有必要開展充填材料長(zhǎng)距離管道輸送關(guān)鍵技術(shù)研究，其技術(shù)框架如圖16所示。前期開展調(diào)研規(guī)劃，科學(xué)優(yōu)化管道布置路線和方式，減少管線彎道數(shù)量和布置距離；優(yōu)選輸送管路適配性參數(shù)和連接方式，通過計(jì)算充填量、泵壓、流量、流速、距離和管阻等參數(shù)確定輸送管道的材質(zhì)、尺寸、壁厚和耐壓性等，同時(shí)管路之間、管路與設(shè)備的連接處是長(zhǎng)距離輸送的薄弱點(diǎn)，綜合采取法蘭+卡套等連接方式加固連接，確保管路連接處的耐壓、耐損性滿足長(zhǎng)距離輸送要求。實(shí)現(xiàn)材料長(zhǎng)距離安全輸送，泵送壓力是關(guān)鍵。對(duì)于遠(yuǎn)距離深井充填或偏僻工作面充填，可在井上下各安裝1臺(tái)充填泵，采取兩級(jí)聯(lián)合泵送方式。“硬件”保障長(zhǎng)距離輸送，“軟件”協(xié)調(diào)安全穩(wěn)定輸送。材料在輸送過程中應(yīng)給予合適的泵壓和流速，在設(shè)備耐損、作業(yè)安全和滿足工作面進(jìn)度的前提下，合理增大泵壓和流速，適時(shí)調(diào)整泵送參數(shù)，減少材料在長(zhǎng)距離管路中的停留時(shí)間。此外，材料長(zhǎng)距離輸送與材料的性能密不可分，通過優(yōu)化配比改善充填材料的流動(dòng)性、流變性和初終凝時(shí)間等，避免長(zhǎng)距離輸送中出現(xiàn)材料離析、沉淀、速凝和堵管等問題。充填工作開始前和完成后，還要進(jìn)行充填管路的清洗工作，及時(shí)用高壓水清除管路內(nèi)的殘留物，保證管路每次使用均能通暢。

圖16 充填材料長(zhǎng)距離管道輸送技術(shù)框架Fig.16 Technical framework for long-distance pipeline transportation of backfill materials

4.5 充填全過程智能監(jiān)測(cè)技術(shù)

充填效果監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)是煤基固廢充填開采應(yīng)用中的重要內(nèi)容。充填監(jiān)測(cè)技術(shù)主要為充填前、充填中和充填后的全過程、一體化智能監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，技術(shù)框架如圖17所示。充填前監(jiān)測(cè)主要體現(xiàn)在充填材料的庫(kù)容及其污染性監(jiān)測(cè)，煤基固廢各類材料的庫(kù)容應(yīng)及時(shí)滿足充填用量，涉及煤基固廢產(chǎn)出、運(yùn)輸和調(diào)配以及庫(kù)容智能監(jiān)測(cè)預(yù)警和材料制備應(yīng)急方案等，污染性監(jiān)測(cè)是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)煤基固廢有毒物質(zhì)含量及酸堿性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除超標(biāo)固廢。充填中采用壓力表、流量計(jì)等設(shè)備監(jiān)測(cè)管道壓力、流量監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，并對(duì)充填材料的現(xiàn)場(chǎng)配比進(jìn)行實(shí)時(shí)用量智能監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配比。同時(shí)充填中還要監(jiān)測(cè)工作面和圍巖的變化情況，防止工作面出現(xiàn)跑漿漏漿和頂板事故等。充填后監(jiān)測(cè)主要為監(jiān)測(cè)頂板下沉、頂板來壓和裂隙發(fā)育等，采用超聲波、壓力計(jì)等監(jiān)測(cè)充填體的密實(shí)度、凝固和受載情況，在井上采用水準(zhǔn)、InSAR等監(jiān)測(cè)地表沉降變形等，評(píng)估充填效果。此外，還需對(duì)井下充填體在復(fù)雜水文環(huán)境下的長(zhǎng)期安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行持續(xù)跟蹤、智能監(jiān)測(cè)，研究充填材料的重金屬浸出、pH值變化和關(guān)鍵物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化等內(nèi)容，評(píng)估固廢充填體與井下環(huán)境的交互影響，指導(dǎo)綠色安全充填應(yīng)用。

圖17 充填全過程智能監(jiān)測(cè)體系Fig.17 Intelligent monitoring system for the whole backfilling process

5 煤基固廢充填工程

任家莊煤礦位于寧夏銀川市區(qū)東南部，屬寧東基地橫城礦區(qū)，年設(shè)計(jì)產(chǎn)能240萬t。2020年該礦被國(guó)家能源集團(tuán)選定為寧東煤基固廢綠色充填試驗(yàn)礦井。前期開展了寧東基地多源煤基固廢污染物檢測(cè)、環(huán)境影響評(píng)估和充填可行性評(píng)價(jià)，擬選用符合GB 18599—2020的多源煤基固廢以流體形態(tài)充填入覆巖空區(qū)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；涮钐幹?。根據(jù)上述固廢性能研究和充填材料制備工藝技術(shù)，選用煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏、氣化渣和爐底渣等作為充填材料，將具有吸附、膠凝、骨料和細(xì)集料等作用的多源煤基固廢按照不同組份和配比進(jìn)行搭配開展多組流動(dòng)性和強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，獲得多個(gè)充填材料可泵送和初終凝性能良好的配比結(jié)果以供現(xiàn)場(chǎng)選用。

任家莊煤礦擬充填工作面位于11采區(qū)9煤，傾向長(zhǎng)約290 m，平均埋深420 m，平均采高4.2 m，平均傾角15°。3煤、5煤在9煤上部，層間距為50～60 m，已采用垮落法開采完畢。工作面?zhèn)雾敒楸∏移扑榈氖規(guī)r，直接頂為厚度5～7 m的軟弱泥巖，基本頂及其以上則存在多層厚硬的砂巖；在鄰近工作面開采過程中發(fā)現(xiàn)，偽頂和直接頂隨采隨垮，采空區(qū)矸石與上覆堅(jiān)硬頂板之間存在較大空隙，現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量結(jié)果也驗(yàn)證了充填空間的存在。依據(jù)“三層位”立體充填機(jī)制研判，試驗(yàn)工作面適用低位充填方式。

基于經(jīng)濟(jì)適用、安全高效原則設(shè)計(jì)了一種低位充填方案，如圖18所示。在工作面兩巷依次向采空區(qū)冒落空間布置鉆孔，孔深30～40 m，孔徑150 mm，傾角15°，孔內(nèi)布置一定長(zhǎng)度的分段套管并加固，兩孔間距30～50 m?？淄獾淖{管路參數(shù)選擇、空間路線布置以及泵壓和流速的調(diào)節(jié)等流程充分借鑒長(zhǎng)距離管道輸送技術(shù)，保障充填材料安全高效輸送至采區(qū)。工作面正常回采，在采空區(qū)頂板垮落后開始注漿充填，待工作面到注漿孔位置時(shí)停止，然后開始下一孔注漿充填，依此循環(huán)進(jìn)行。充填全程采用智能化儀器設(shè)備和一體化綜合智能監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，充填過程和完畢后擬對(duì)充填量、充填范圍、圍巖變形、頂板壓力、地表下沉和變形等為指標(biāo)的充填效果和井下水環(huán)境影響等開展中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

圖18 低位充填方案示意Fig.18 Schematic diagram of low position backfilling scheme

上述方案技術(shù)可行，安全可靠，可有效處置固廢，目前已作為該礦固廢充填示范工程方案，并開展了井下充填初步試驗(yàn)。試驗(yàn)中，注漿孔直徑約為110 mm，充填料漿材料以煤矸石(粒徑小于10 mm)、粉煤灰、氣化渣和爐底渣(粒徑小于2 mm)等煤基固廢為主，動(dòng)力輸出裝置為礦用混凝土泵等。初步試驗(yàn)取得一定的充填處置固廢的效果，為下一步工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該項(xiàng)目大規(guī)模實(shí)施后，預(yù)計(jì)該礦年處置固廢數(shù)十萬噸，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益上千萬元，有效緩解寧東基地固廢渣場(chǎng)庫(kù)容緊張，可為地質(zhì)條件相似的工作面提供技術(shù)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為其他礦區(qū)和能源化工基地的煤基固廢井下綠色充填形成示范和帶動(dòng)效應(yīng)。

6 結(jié)論與展望

(1)寧東基地的煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏等理化性質(zhì)符合填埋標(biāo)準(zhǔn)，氣化渣、爐底渣等固廢的部分重金屬含量超過篩選值，可采取技術(shù)手段降低潛在污染風(fēng)險(xiǎn)；多源煤基固廢可用于井下綠色充填，其多重屬性主要包括環(huán)境屬性、資源屬性和材料屬性。

(2)從井下綠色充填可行性、充填材料性能、充填材料-環(huán)境多場(chǎng)耦合和覆巖空間充填布置等4個(gè)方面分析了煤基固廢綠色充填基礎(chǔ)理論：綠色充填可行性評(píng)價(jià)主要為安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和政策的“四位一體”可行性評(píng)價(jià)體系；煤基固廢充填材料性能是基于材料性質(zhì)開展不同形態(tài)的充填材料力學(xué)和微觀性能等基礎(chǔ)研究；充填材料-環(huán)境多場(chǎng)耦合機(jī)理主要指充填材料在充填前后與周圍環(huán)境發(fā)生的化學(xué)場(chǎng)、滲流場(chǎng)、物理場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用；立體充填機(jī)制是基于覆巖空區(qū)發(fā)育層位，構(gòu)建集成原位充填、低位充填和高位充填的“三層位”立體充填模式。

(3)從煤矸石源頭減量、重金屬吸附-鈍化、充填材料制備、長(zhǎng)距離輸送和充填全過程監(jiān)測(cè)等5個(gè)方面闡述了煤基固廢充填技術(shù)體系：煤矸石源頭減量精準(zhǔn)開采與井下采選充協(xié)同技術(shù)主要為工作面源頭采掘參數(shù)少矸化布置和井下煤矸分選回填的采選充協(xié)同技術(shù)；煤基固廢重金屬吸附與絡(luò)合鈍化技術(shù)主要為重金屬的吸附解吸和絡(luò)合鈍化，并利用煤基固廢研發(fā)多孔吸附材料；多源煤基固廢充填材料制備技術(shù)是將實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和工業(yè)性試驗(yàn)形成驗(yàn)證、互饋、改進(jìn)、優(yōu)化的材料制備閉環(huán)體系；充填材料長(zhǎng)距離管道輸送技術(shù)主要包括管路優(yōu)選等“硬件”保障長(zhǎng)距離輸送，泵壓流量適配調(diào)節(jié)等“軟件”協(xié)調(diào)安全穩(wěn)定輸送；充填全過程智能監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括充填前的庫(kù)容和污染性監(jiān)測(cè)、充填中的管路、工作面和材料用量監(jiān)測(cè)以及充填后的礦壓、地表、環(huán)境監(jiān)測(cè)等全過程一體化智能監(jiān)測(cè)體系。

(4)根據(jù)任家莊礦地質(zhì)條件，提出一種集成多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的超前鉆孔注充低位充填方案，并開展初步試驗(yàn)，為規(guī)模充填煤基固廢積累經(jīng)驗(yàn)。

綠色充填作為實(shí)現(xiàn)煤基固廢無害化、資源化和規(guī)?；幹玫挠行緩剑涞貞?yīng)用已不存在理論和技術(shù)上的障礙，多重效益也顯而易見。然而寧東基地僅靠綠色充填這個(gè)單一利用方式，無法短時(shí)間內(nèi)消納全域煤基固廢巨大的存量和增量，需要因地制宜、探索形成煤基固廢多產(chǎn)業(yè)鏈接協(xié)同利用模式。該模式充分利用互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，暢通煤基固廢“排放、處置、加工、運(yùn)輸、應(yīng)用”環(huán)節(jié)和 “來源、數(shù)量、品質(zhì)”信息渠道，構(gòu)建煤基固廢監(jiān)管系統(tǒng)和管理模塊，強(qiáng)化煤電、化工、水泥、建材等排廢和利廢企業(yè)行業(yè)的耦合鏈接，建立固廢不同用途的研判指標(biāo)體系和專業(yè)化產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作方式，集成活性粉體制備、高值建材研發(fā)、生態(tài)修復(fù)治理、礦井綠色充填等多源煤基固廢協(xié)同利用成套技術(shù)和裝備，為寧東基地量身定制煤基固廢多產(chǎn)業(yè)鏈接協(xié)同利用模式，大幅提升區(qū)域內(nèi)煤基固廢利用效率和效益，實(shí)現(xiàn)煤基固廢減量化、無害化、資源化和規(guī)?；?。煤基固廢的處置利用不僅是寧東基地特有的問題，也是全國(guó)各大能源化工基地面臨的共同難題。通過寧東基地煤基固廢利用的技術(shù)研發(fā)、工程示范、多產(chǎn)業(yè)鏈接協(xié)同模式的探索和實(shí)踐，促進(jìn)全國(guó)能源化工基地煤基固廢減量化、無害化、資源化、規(guī)?；瘏f(xié)同利用，取得以點(diǎn)帶面、星火燎原的效果。

致謝特別感謝2019年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019YFC1904300)各參研單位、合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院(安徽省能源實(shí)驗(yàn)室)項(xiàng)目(21KZS217)和國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司等對(duì)本論文的大力支持。