常西坤，王明國，王中青，范津萌

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.山東科技大學(xué) 礦山巖層智能控制與綠色開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590； 3.鄂爾多斯市綠礦技術(shù)服務(wù)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

隨著我國西部地區(qū)工業(yè)建設(shè)的發(fā)展，“三下”壓煤量不斷增加，嚴(yán)重制約了煤礦的可持續(xù)發(fā)展，其中主要為建筑物下壓煤，并以村莊下壓煤量最大。同時大部分西部煤炭資源處于干旱～半干旱帶沙漠、黃土覆蓋的生態(tài)脆弱區(qū)[1-4]，在煤礦高強(qiáng)度開采[5]下產(chǎn)生大量煤矸石排放，造成環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問題，充填開采是針對“三下”采煤、矸石排放處置、地表沉陷控制難題開發(fā)出來的綠色采煤技術(shù)之一[6-8]。國家高度重視西北生態(tài)文明建設(shè)，提出生態(tài)環(huán)境綜合治理與區(qū)域經(jīng)濟(jì)綠色轉(zhuǎn)型并行發(fā)展。新修訂的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》[9]明確規(guī)定“源頭防控”，提出減量化、資源化和無害化三大原則；《中華人民共和國民法典》確立“綠色原則”，對生態(tài)環(huán)境損害賠償?shù)膬?nèi)容作出統(tǒng)一規(guī)定；《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》[10]提出大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，提高資源的高效利用、循環(huán)利用水平，推動經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境高水平保護(hù)。因此，實(shí)施充填開采，建立綠色礦山對西部生態(tài)脆弱區(qū)實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。近年來我國學(xué)者在基于工業(yè)固廢資源利用的膠結(jié)充填開采技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究工作[11-15]，并在現(xiàn)場取得了顯著效果。

針對上述問題，提出了短壁連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)。闡述該技術(shù)的技術(shù)內(nèi)涵和采充工藝，通過試驗(yàn)得到充填體的強(qiáng)度，系統(tǒng)介紹該技術(shù)充填系統(tǒng)流程，并在西部生態(tài)脆弱區(qū)察哈素煤礦進(jìn)行現(xiàn)場工程應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)可解決西部生態(tài)脆弱區(qū)村莊下壓煤及高強(qiáng)度開采產(chǎn)生的固廢排放處置和地表沉陷控制難題，為西部生態(tài)脆弱區(qū)村莊下采煤提供技術(shù)借鑒。

1 礦井概況

察哈素礦井位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗，地處晉陜黃土高原與毛烏素沙漠東北邊緣接壤地帶，水資源匱乏，地表植被稀疏，屬于典型的西部生態(tài)脆弱區(qū)。31采區(qū)為察哈素礦井首采區(qū)，東至32采區(qū)、西至33采區(qū)、南至井田邊界、北至34采區(qū)，地面標(biāo)高+1243.6～+1391.5m。采區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件簡單，煤層傾角較平緩，一般為1°～3°，采區(qū)資源總量29056.16萬t，可采儲量19097.48萬t，主采3-1煤層，厚度2.05～7.15m，平均厚度5.25m，位于延安組的中部，平均埋深400m，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層頂板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為細(xì)-中粒砂巖；底板巖性以砂質(zhì)泥巖為主，局部為泥巖。

2 礦井面臨的問題

2.1 工業(yè)固廢排放處置和村莊下壓煤情況

察哈素礦井隸屬于國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司(以下簡稱“蒙能公司”)，在該礦井高強(qiáng)度開采條件下，生產(chǎn)過程中矸石、粉煤灰、石膏、爐渣固體廢棄物累計(jì)年排放量高達(dá)115.3萬t，其中洗煤廠、礦井年排放矸石85萬t，電廠年排放粉煤灰22萬t、爐渣3.3萬t、石膏5萬t。固廢處理途徑主要依靠電廠排渣場就地儲存和作為建材輔料對外銷售兩種處理方式，存在處置費(fèi)用較高、占用大量土地及環(huán)境污染等問題；同時隨著國家對企業(yè)環(huán)保及排放處置要求的不斷提高，給煤炭企業(yè)的經(jīng)營生產(chǎn)帶來越來越大的壓力，制約了企業(yè)的快速發(fā)展，且不利于綠色礦山的建設(shè)。

目前井下為建(構(gòu))筑物、大巷等留設(shè)了大量保護(hù)煤柱，據(jù)估算，察哈素礦井目前正在回采的31采區(qū)，共留設(shè)約4728萬t煤炭資源量，其中31采區(qū)北翼村莊建筑物下壓煤面積共計(jì)5.12km2，滯留煤量約3108萬t，嚴(yán)重影響了工作面正常布置及生產(chǎn)接續(xù)，造成大量煤炭資源無法開采利用。

2.2 礦井開采后地表變形破壞情況

察哈素礦井開采影響范圍內(nèi)有柴登壕、窩圖溝、崗房梁等10個村莊，其建筑物大多為磚混結(jié)構(gòu)，其他的還有：鐵路、公路和輸電線路等。根據(jù)預(yù)測煤礦開采后地面沉降變形見表1。

表1 地表下沉、移動與變形的預(yù)測結(jié)果

由于全井田3-1煤層開采后地表下沉、移動與變形值中Imax=18.25mm/m>10mm/m、Emax=8.40mm/m>6mm/m，且3-1煤全區(qū)可采，故井田內(nèi)村莊全部受其開采沉陷影響，根據(jù)“三下”規(guī)范[16]中磚混結(jié)構(gòu)建筑物受地表移動變形影響的損害等級，井田內(nèi)村莊都將受到Ⅳ破壞，建(構(gòu))筑物破壞嚴(yán)重，難以修復(fù)，應(yīng)遷村開采。但單純依靠村莊搬遷解放“三下”壓煤問題，面臨巨大困難和挑戰(zhàn)，一方面村莊搬遷土地征用困難、費(fèi)用大和周期長，給煤礦企業(yè)帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；另一方面由于搬遷距離過大，給村民帶來了許多生產(chǎn)和生活上的不便。

綜上礦井所面臨的問題，工業(yè)固廢排放處置、村莊建筑物下壓煤量大以及受采動影響地表變形破壞嚴(yán)重均不利于礦井可持續(xù)性發(fā)展，因此，科學(xué)、綠色、合理地處置工業(yè)固廢，并在保證地表建筑物安全的前提下，采取有效的技術(shù)途徑最大限度地采出建筑物下壓煤已勢在必行。

3 短壁連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)

3.1 技術(shù)內(nèi)涵

針對礦井面臨的問題，提出短壁連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在源頭上消納固體廢棄物、置換村莊下煤柱和原態(tài)控制地表，做到固廢零排放、環(huán)境低損傷和生態(tài)弱擾動，從而推動綠色礦山建設(shè)。該技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 短壁連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)框架

3.2 充填采煤工藝

根據(jù)煤層強(qiáng)度和采場頂板條件，工作面采用“隔一采一、兩步式回采”的充填開采模式，如圖2所示。將工作面待開采煤層，沿平行于開切眼的方向，劃分多個條帶支巷。為保證工作面充填采煤效率，工作面長度設(shè)計(jì)為50～100m，根據(jù)礦井開采地質(zhì)條件和綜采設(shè)備等，支巷寬度設(shè)計(jì)為4～6m。由里向外依次順序編號為1支巷，2支巷，3支巷，……。先開采奇數(shù)編號支巷，每條支巷開采結(jié)束后應(yīng)立即充填，同時開采下一條奇數(shù)編號支巷，采充實(shí)現(xiàn)間隔分布、連續(xù)平行作業(yè)；待充填支巷穩(wěn)定后，再依次進(jìn)行偶數(shù)支巷的開采和充填，最終完成連采連充、全采全充過程[17]。

圖2 充填開采模式

3.3 充填材料

3.3.1 原材料

對于蒙能公司排放的矸石、粉煤灰、石膏、爐渣固體廢棄物，充填材料選用矸石、爐渣作為骨料，粉煤灰、石膏和水泥作為膠結(jié)料，按照一定比例混合進(jìn)行井下充填，實(shí)現(xiàn)固廢資源化利用。

煤矸石是選煤廠及察哈素礦井在開拓掘進(jìn)、采煤過程中排出的固體廢棄物，主要礦物成分為高嶺石和伊利石等黏土礦物，其余為石英和黃鐵礦等。破碎后的矸石顆粒表面孔隙、裂紋發(fā)育，整體結(jié)構(gòu)疏松，對料漿有很好的膠結(jié)作用。根據(jù)充填材料的制備要求，矸石最大粒徑不超過25mm，因此一般需要對矸石進(jìn)行二級破碎處理。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行篩分試驗(yàn)得到的矸石顆粒級配如圖3所示。由圖3可知，經(jīng)破碎的矸石絕大部分粒徑介于0.1～13.2mm，僅個別粒徑達(dá)到20～25mm，滿足充填材料對骨料粒徑的要求。

圖3 矸石顆粒級配

粉煤灰是布連電廠燃煤排放的火山灰粉體廢棄物，具有潛在的活性。該粉煤灰主要化學(xué)成分為SiO2、A12O3、Fe2O3，其活性主要與這幾種成分的含量有關(guān)，在CaO或Ca(OH)2的作用下，粉煤灰的活性會被激發(fā)，發(fā)生水化反應(yīng)，配制的充填體試塊在28d取樣所得到的X射線衍射圖譜、SEM圖像如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，試塊水化反應(yīng)進(jìn)行得很充分，SiO2與Ca(OH)2的衍射峰進(jìn)一步降低，C-S-H、C-A-H等膠凝性物質(zhì)的衍射峰大大增強(qiáng)，大量的團(tuán)簇狀C-S-H、部分針狀A(yù)Ft和一些無定形狀的膠凝類物質(zhì)致密地排列在一起，相互交叉耦合，這說明在激發(fā)劑的作用下，粉煤灰的火山灰活性在最大程度上被發(fā)揮出來，使得整個試塊滿足一定的強(qiáng)度要求。因此粉煤灰的火山灰性質(zhì)可以有效替代部分水泥，制備強(qiáng)度性能良好的膠結(jié)料[18]。除此之外，粉煤灰還可以改善充填材料的流動性[19]。

圖4 28d XRD圖譜

圖5 28d水化微觀特征

布連電廠排放的爐渣、石膏每年的產(chǎn)量較少，爐渣粉碎后與矸石一樣充當(dāng)骨料，石膏可與粉煤灰混合使用，且爐渣、石膏也是一種活性材料，在合適激發(fā)條件下發(fā)生水化反應(yīng)，可以提高充填體的抗壓強(qiáng)度[20]。

另外水泥作為膠結(jié)材料主要采用42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥不僅能激發(fā)粉煤灰活性，還能產(chǎn)生水化反應(yīng)凝結(jié)充填體，使其具有良好的承載能力。

3.3.2 充填材料的強(qiáng)度

將充填材料制成70.7mm×70.7mm×70.7mm的標(biāo)準(zhǔn)試件并在相對濕度95%，溫度20±1℃條件下養(yǎng)護(hù)至一定齡期。針對充填材料矸石(爐渣)、粉煤灰、石膏、水泥、礦井水配比為74∶2∶2∶7∶15，料漿濃度為85%制成的充填體養(yǎng)護(hù)至9，15，28d齡期進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。根據(jù)工作面作業(yè)循環(huán)和充填開采模式，大約10～15d后才進(jìn)行充填體煤壁的開采，短壁連采連充工藝對充填體的早期(7～8h)強(qiáng)度要求不高，因此本次試驗(yàn)僅研究充填體后期(9d、15d、28d)的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 充填材料強(qiáng)度

由圖6(a)可知，本次試件凝結(jié)9d、15d、28d抗壓強(qiáng)度分別為2.93MPa、3.01MPa、3.10MPa，隨著齡期的增大，充填體的單軸抗壓強(qiáng)度不斷增大，但是在15d之后充填體的單軸抗壓強(qiáng)度增加幅度并不明顯，僅增加0.09MPa。由此可見，試件15d齡期的抗壓強(qiáng)度基本達(dá)到試件最終抗壓強(qiáng)度(28d)的97%以上。由圖6(b)可知，試件在9d、15d、28d的應(yīng)力-應(yīng)變曲線規(guī)律基本相同，具有很好的彈性變形能力，能夠有效控制開采后覆巖移動變形，但其塑性變形能力相對較差；充填體破壞前的變形很小，不超過2%。綜合礦井地質(zhì)采礦條件及地面建筑特征，要求充填體的最終單軸抗壓強(qiáng)度不低于2.0MPa?？芍鲜雠浔认?，充填體齡期在達(dá)到9d后，基本滿足現(xiàn)場工藝要求。

3.4 充填系統(tǒng)

在配比試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)煤礦充填方法及管道輸送特性，提出了適用于短壁連采連充膠結(jié)充填采煤技術(shù)的充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，將充填系統(tǒng)分為矸石運(yùn)輸系統(tǒng)、泥漿制備系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和工作面充填系統(tǒng)四大部分，系統(tǒng)流程如圖7所示。

圖7 充填系統(tǒng)流程

矸石運(yùn)輸系統(tǒng)由矸石存儲場地和輸矸孔組成。矸石經(jīng)地面選煤廠洗選出來后運(yùn)送至儲矸場，經(jīng)破碎車間進(jìn)行分級破碎，破碎后矸石粒徑不超過25mm。滿足粒徑要求后，通過帶式輸送機(jī)均勻地進(jìn)入矸石輸料井進(jìn)行下放，矸石輸料井底部建有矸石緩沖倉，由倉下帶式輸送機(jī)運(yùn)至回風(fēng)巷支巷上口。

泥漿制備系統(tǒng)包括原料的存儲、計(jì)量、制備、配料、攪拌、輸送等環(huán)節(jié)，主要有水泥罐、粉煤灰罐、輔料罐、蓄水池、攪拌機(jī)、儲漿池等設(shè)備。為了便于集中管理、減少設(shè)備和運(yùn)輸環(huán)節(jié)、合理利用現(xiàn)有場地，地面制漿站采用集料場、料倉、微機(jī)配比系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)(泵送系統(tǒng))等集中布置。

制漿站將水泥、粉煤灰、石膏及礦井水配比、攪拌均勻后，制成充填開采用泥漿，結(jié)合充填材料性質(zhì)、可輸送性及現(xiàn)場實(shí)際條件，泥漿制備配比為粉煤灰∶石膏∶水泥∶礦井水=2∶2∶7∶15，其質(zhì)量密度為1.3g/cm3，流動性能較好。然后注入儲漿池，采用管道自流輸送方式將泥漿送至回風(fēng)巷支巷上口。

監(jiān)測系統(tǒng)分為井上井下兩部分，井下部分主要包括監(jiān)測管道壓力和充填體壓力、變形量及溫度，通過在管道沿程和工作面布置多功能分站，對井下定時收集數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測。井上部分主要為地表沉陷觀測，通過沿回采工作面走向和傾向主斷面上布置觀測線，對工作面回采過程中及停采后各測站下沉量進(jìn)行觀測。

工作面充填系統(tǒng)采用充填料漿井下混合。工作面充填開始前在待充支巷下口布設(shè)擋漿板進(jìn)行封堵，并在擋漿板外側(cè)設(shè)單體液壓支柱，加強(qiáng)“三岔門”支護(hù)和提高封堵密閉穩(wěn)定性。然后在待充支巷上口將泥漿與矸石進(jìn)行混合，利用其落差產(chǎn)生的動能和煤層傾角，料漿通過在支巷中自流使充填材料混合均勻。對于近水平煤層易出現(xiàn)采空區(qū)一側(cè)頂部充填料漿不能充滿的三角區(qū)空間，為提高支巷充填率以實(shí)現(xiàn)預(yù)期頂板控制效果，可在支巷充填末期降低矸石配比，確保料漿具備足夠好的流動性，使其在較小壓力下能充滿整個采空區(qū)。

4 工程應(yīng)用

考慮到察哈素煤礦村莊下壓煤特點(diǎn)，在礦井31采區(qū)31312工作面內(nèi)靠近大巷選一長500m、寬220m的試采工作面，進(jìn)行短壁連采連充式膠結(jié)充填采煤試驗(yàn)效果驗(yàn)證。為察哈素煤礦進(jìn)一步開展村莊下固廢充填采煤提供科學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù)和技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在西部生態(tài)脆弱區(qū)高強(qiáng)度開采下，通過固廢資源化利用，置換村莊下煤柱并控制地表沉陷變形，從而避免村莊搬遷。

4.1 固廢處理與煤柱置換

工作面3-1煤層平均采厚5.25m，充填材料選用矸石、粉煤灰、石膏、爐渣、水泥和礦井水。矸石為洗煤廠及察哈素礦井開拓掘進(jìn)、采煤排放的固體廢棄物，粉煤灰、石膏和爐渣為電廠燃煤排放的固體廢棄物，水泥為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥。結(jié)合充填材料的強(qiáng)度、流動性等特性及現(xiàn)場實(shí)際條件，選擇矸石(爐渣)、粉煤灰、石膏、水泥、礦井水配比為74∶2∶2∶7∶15，料漿濃度為85%，充填體在28d強(qiáng)度可達(dá)到3.1MPa左右，滿足充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。工作面設(shè)計(jì)料漿日充填量1350m3，制漿能力60m3/h，試采期間年充填量確定為40萬t，產(chǎn)量36萬t/a，可處理矸石(爐渣)27.9～29.7萬t、粉煤灰0.5～1.2萬t、石膏0.3～1.0萬t，現(xiàn)場實(shí)測充填率達(dá)98%以上，可成功將該技術(shù)應(yīng)用于西部生態(tài)脆弱區(qū)村莊下壓煤及高強(qiáng)度開采產(chǎn)生的固廢排放處置和地表沉陷控制。

首采試驗(yàn)成功驗(yàn)收后，進(jìn)入生產(chǎn)提效階段，在確保安全前提下，預(yù)計(jì)可達(dá)到年充填量100萬t，產(chǎn)量90萬t/a水平，可處理矸石(爐渣)69.7～74.4萬t、粉煤灰1.1～3.1萬t、石膏0.8～2.5萬t。

4.2 地表沉陷控制

為觀測地表下沉情況，沿試采工作面的主斷面分別設(shè)置走向、傾向觀測線。走向觀測線長1050m，設(shè)置KA1、KA2、KA3，3個控制點(diǎn)，間距為50m，布置測點(diǎn)30個，測點(diǎn)編號A4—A33，間距為30m；傾向觀測線長810m，設(shè)置KB1、KB2、KB3，3個控制點(diǎn)，間距為50m，布置測點(diǎn)23個，測點(diǎn)編號B4—B26，間距為30m。

根據(jù)觀測，試采工作面地面沉陷測線最終下沉曲線如圖8所示。由圖8可知，工作面采用短壁連采連充式膠結(jié)充填開采，地面最大下沉量約為180mm，而根據(jù)31303工作面采用垮落法開采，實(shí)測地面最大下沉量約為2550mm，減少了約93%的沉降量，表明短壁連采連充式膠結(jié)充填開采對地表沉陷控制效果顯著，滿足對地表建筑物安全使用要求。試采成功后，可對村莊下壓煤實(shí)施“規(guī)模性”不搬遷開采，解放大量滯留煤炭資源量，減少了煤炭損失，提高了資源回收率，延長了礦井服務(wù)年限，促進(jìn)礦井高效、安全的可持續(xù)發(fā)展。

圖8 試采區(qū)域地面沉陷測線最終下沉曲線

5 結(jié) 論

1)針對西部生態(tài)脆弱區(qū)村莊下壓煤及高強(qiáng)度開采產(chǎn)生的工業(yè)固廢排放處置、地表沉陷控制難題，提出了短壁連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在源頭上消納固體廢棄物、置換村莊下煤柱和原態(tài)控制地表，做到固廢零排放、環(huán)境低損傷和生態(tài)弱擾動，從而推動綠色礦山建設(shè)。

2)實(shí)測結(jié)果表明，試采工作面采用短壁連采連充式膠結(jié)充填開采，地面最大下沉量約為180mm，而根據(jù)鄰近31303工作面地面移動變形實(shí)測經(jīng)驗(yàn)，工作面采用垮落法開采后地面最大下沉量約為2550mm，減少了約93%的沉降量，對地表沉陷控制效果顯著，滿足對地表建筑物安全使用要求。

3)現(xiàn)場工程應(yīng)用表明，該技術(shù)可成功應(yīng)用于31312工作面的試采工作面，實(shí)現(xiàn)年充填量40萬t，產(chǎn)量36萬t/a，工作面充填率達(dá)98%以上，可處理矸石(爐渣)27.9～29.7萬t、粉煤灰0.5～1.2萬t、石膏0.3～1.0萬t。首采試驗(yàn)成功驗(yàn)收后，進(jìn)入生產(chǎn)提效階段，預(yù)計(jì)可達(dá)到年充填量100萬t，產(chǎn)量90萬t/a，可處理矸石(爐渣)69.7～74.4萬t、粉煤灰1.1～3.1萬t、石膏0.8～2.5萬t。