張麗維,張廷會,高 博,付德亮,賀 丹

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054;2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司 自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗室,陜西 西安 710021;3.陜西天地地質(zhì)有限公司,陜西 西安 710054)

0 引言

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中排出的固體廢棄物,約占煤炭產(chǎn)量的10%～20%,是我國排放量最大的工業(yè)廢棄物之一[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前我國矸石累計堆放量超過70億t,形成矸石山1 500～1 700座,占地20余萬畝,且以5～8億t/a的排放量逐年增加[2]。煤矸石的長期堆存不僅污染大氣、土壤、地下水等自然環(huán)境,破壞生態(tài)平衡,還可能引發(fā)矸石山自燃、滑坡、崩塌等災(zāi)害,危害人們的生命、安全和健康[3]。近年來,隨著國家對環(huán)境保護(hù)力度的加大,國家、行業(yè)陸續(xù)出臺多項環(huán)保類政策,大體量煤矸石處理迫在眉睫。尤其是生態(tài)脆弱的陜北2022年一年的原煤產(chǎn)量5.8億t,煤矸石產(chǎn)量近1億t。為此,以陜北榆神礦區(qū)小保當(dāng)煤礦為例,根據(jù)目前已有的煤矸石綜合利用和處理方法,分析對比各處理方法的特點(diǎn)、處理效率和適用條件等,提出適合該區(qū)域的矸石高效規(guī)?；幚砑夹g(shù),以期為陜北煤矸石的處理提供依據(jù)與方向。

1 研究區(qū)概況

小保當(dāng)煤礦位于榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)東北部,是新建的特大型現(xiàn)代化礦井。小保當(dāng)一號煤礦生產(chǎn)能力為1 500萬t/a。首采11盤區(qū)2-2煤層,11盤區(qū)位于礦井中部偏西南處,長度為6 367 m,寬度為3 055 m,呈長方形狀,面積18.636 7 km2。目前已完成11盤區(qū)112201、112202、112207工作面回采,接續(xù)工作面為112208工作面,如圖1所示。煤礦地層總體為一走向NNE,傾向NWW,傾角不足1°的單斜構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造簡單,亦無巖漿活動,對礦井開采影響不大。

圖1 采掘工程平面示意Fig.1 Plane diagram of excavation engineering

2 煤矸石情況

2.1 煤矸石產(chǎn)出量

據(jù)調(diào)研,該煤礦自2018年8月試生產(chǎn)共產(chǎn)生煤矸石475萬t,出矸率為10%～15%。按照年產(chǎn)能1 500萬t/a計算,預(yù)計煤矸石年排放量為200萬t左右。隨著煤礦產(chǎn)能進(jìn)一步加大,煤矸石產(chǎn)出會越來越多。

2.2 煤矸石成分分析

煤矸石的成分組成是評價矸石特性、決定矸石利用途徑的重要依據(jù)[4]。為了合理有效的利用和處理煤矸石,我們對該礦的煤矸石進(jìn)行了采樣、分析,檢測結(jié)果見表1、表2。其灰分74.51%～81.64%,平均值78.10%,高灰;發(fā)熱量3.57～6.46 MJ/kg,平均4.5 MJ/kg,低熱量;全硫0.16%～0.3%,平均0.2%,低硫。煤矸石主要化學(xué)成分是Al2O3、SiO2,可作為化工原料生產(chǎn)相應(yīng)的化工產(chǎn)品。另外還含有數(shù)量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素,微量元素品位較低。

表1 煤矸石成分檢測成果統(tǒng)計Table 1 Statistics of coal gangue composition testing results

表2 煤矸石的化學(xué)組成 Table 2 Chemical composition of coal gangue

表3 煤矸石綜合處理方案對比Table 3 Comparison of coal gangue comprehensive treatment plans

3 煤矸石綜合利用方向探析

3.1 綜合利用方向探析

目前我國煤矸石綜合利用主要集中在煤矸石發(fā)電、提取礦產(chǎn)資源、生產(chǎn)化工原料、鋪路及生產(chǎn)建筑材料等方面[5]。根據(jù)該礦煤矸石情況,我們對現(xiàn)有處理路徑進(jìn)行一一探析,試圖找出適合該礦大量矸石處理方案。

3.1.1 發(fā)電

小保當(dāng)煤礦矸石發(fā)熱量平均為4.5 MJ/kg。而《煤矸石綜合利用管理辦法》中對關(guān)于煤矸石發(fā)電項目的煤矸石收到低位發(fā)熱量不低于5.02 MJ/kg的要求,不滿足且利用價值及經(jīng)濟(jì)價值不高。

3.1.2 提取礦產(chǎn)資源

微量元素鍺、鎵、鈾和釩均未達(dá)到工業(yè)礦床最低品位所要求的20 μg/g、30 μg/g、300 μg/g和1 000 μg/g[6]。雖然極個別煤層頂、底板巖石中鎵含量達(dá)到工業(yè)礦床最低工業(yè)品位30×10-6要求,但因分布地段區(qū)域范圍很小,厚度有限,因此很難利用。

3.1.3 化工業(yè)應(yīng)用

煤矸石中SiO2和Al2O3成分較高,可開發(fā)研制的化學(xué)產(chǎn)品主要為鋁鹽系列化學(xué)品和硅鹽系列化學(xué)品。但是要求嚴(yán)格,所用矸石Al2O3含量必須達(dá)20%以上[7],其工藝復(fù)雜,產(chǎn)量低,產(chǎn)生廢料后需二次處理,且處理量少,無法消納大量的矸石。

3.1.4 鋪路

只適用于煤礦附近的道路建設(shè),否則運(yùn)輸成本太高。另外煤礦附近都是運(yùn)輸煤炭的大卡車,矸石鋪路強(qiáng)度不夠,也不能實(shí)現(xiàn)集中化、規(guī)?；幚?。

3.1.5 建筑材料生產(chǎn)

作為建筑材料生產(chǎn)得配套建設(shè)一個制磚廠,并且磚廠實(shí)際用矸石的量并不大,因此該技術(shù)投資大、處理量小。且榆林地區(qū)沒有區(qū)域優(yōu)勢,生產(chǎn)建材、化工業(yè)和土地復(fù)墾等需求較少,煤矸石運(yùn)輸費(fèi)用高,建材的銷售半徑有限,榆林本地?zé)o法完全消化,亦無相關(guān)政策支持。

綜上所述,采用傳統(tǒng)的煤矸石綜合處理和利用技術(shù)不能從根本上消納大量煤矸石。結(jié)合小保當(dāng)一號煤礦地區(qū)特點(diǎn),煤矸石最徹底最有效的處置方式是井下充填。該方式處理效率高,可實(shí)現(xiàn)就地集中規(guī)?；幚?這也是國家倡導(dǎo)的綠色開采方式之一。并且分析研究表明,畢銀麗、陳結(jié)平等[8-9]通過煤矸石的浸溶試驗,發(fā)現(xiàn)煤矸石的浸溶液pH 呈酸性利于有害微量元素析出,而小保當(dāng)一號煤礦煤矸石在原礦水中浸泡后,pH均大于7,顯堿性,故不利于大部分有害微量元素的析出。高崎等[10]對陜北某礦煤矸石的重金屬含量進(jìn)行分析,重點(diǎn)研究了煤矸石在浸泡、淋溶條件下的重金屬釋放規(guī)律。結(jié)果表明,煤矸石的潛在生態(tài)風(fēng)險輕微,其重金屬釋放濃度滿足煤炭工業(yè)廢水有毒物排放限值的日最高允許排放質(zhì)量濃度,對于環(huán)境的風(fēng)險較小。并且該礦煤矸石全硫含量低,井下填充對地下水影響小,可以進(jìn)行井下充填。

3.2 井下充填技術(shù)方案對比分析

煤矸石井下充填不僅消除了矸石山對生態(tài)環(huán)境的污染,且有效遏制了地表沉陷,保護(hù)了地表和地下水資源,減少了井下采空區(qū)涌水等事故發(fā)生可能性,可實(shí)現(xiàn)以最小的生態(tài)擾動獲取煤炭資源,促進(jìn)煤炭開采和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)、共融發(fā)展[11-15]。國家也相繼出臺了多個政策,鼓勵和引導(dǎo)礦山充填采礦技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

目前煤矸石井下充填主要有固體充填、膠體充填、覆巖離層注漿等技術(shù)[16-17],見表4。小保當(dāng)煤礦要求年處理煤矸石200萬t/a以上,不涉及地表建(構(gòu))筑物保護(hù),對控制地表沉陷要求不高,主要目的是消納煤矸石。固體充填、膠體充填成本過高,影響生產(chǎn),且處理能力小,其中膠體充填采煤技術(shù)矸石處理能力為40萬～60萬t/a,綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)最高處理能力只能達(dá)到150 t/a[18],不能滿足該礦矸石處理量。且小保當(dāng)煤礦是千萬噸級的大型礦井,在不影響生產(chǎn)的前提下,工作面隨采隨充的工藝基本無法實(shí)現(xiàn),建議采用注漿充填。注漿充填可對采空區(qū)、覆巖離層區(qū)進(jìn)行充填[19-21]。小保當(dāng)煤礦埋深淺,離層空間小,不適用離層注漿充填。所以在不影響生產(chǎn)且能消納大量煤矸石的前提下采用采空區(qū)注漿充填。

表4 煤矸石井下充填技術(shù)對比Table 4 Comparison of coal gangue underground filling technology

4 井下充填的適宜性分析

4.1 地面條件

首采盤區(qū)11盤區(qū)被第四系風(fēng)積沙所覆蓋,以風(fēng)蝕風(fēng)積沙漠丘陵地貌為主,局部地段見有新近系紅土出露。采空區(qū)上方地表無建(構(gòu))筑物,地面開闊平整,便于為后期鉆孔施工、廠房建設(shè)、設(shè)備安裝等提供場地條件。

4.2 地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔揭露及地質(zhì)填圖資料,區(qū)內(nèi)地層由老至新依次為:三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y),侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f),侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a),新近系上新統(tǒng)保德組(N2b),第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)和第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4)。含煤地層為延安組,煤層上覆巖層全部以砂巖、泥巖互層,主要由泥質(zhì)膠結(jié)、少量鈣質(zhì)膠結(jié),如圖2所示。

圖2 小保當(dāng)煤礦11盤區(qū)地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column chart of formation in the Xiaobaodang Coal Mine 11 mining area

4.3 水文地質(zhì)條件

2-2煤層平均開采厚度為5.8 m,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為85.54～156.0 m,裂采比為26.21～27.38;冒落帶高度為16.45～40.3 m,冒采比為3.67～8.46;頂界與正?；鶐r面間距為45.86～127.85 m,均未穿透風(fēng)化基巖,則風(fēng)化基巖含水層不受影響。

矸石充填采用鉆孔注漿,鉆孔鉆至完整基巖下10 m后,下入套管護(hù)壁,并用水泥砂漿固管護(hù)壁防止塌孔,同時起到保護(hù)薩拉烏蘇組含水層的作用,保證合理的生態(tài)水位,減少對地表生態(tài)的影響,亦不會影響相鄰生產(chǎn)工作面的生產(chǎn)安全。井下空間充填后,產(chǎn)生的支撐承載體還可以有效的控制上覆厚硬巖層突然破斷產(chǎn)生的能量釋放,同時,充填封堵層間裂隙和導(dǎo)水裂隙,會減少裂隙水。

4.4 地下空間分析

煤層回采后會形成采空區(qū)。采空區(qū)是由垮落帶松散堆積破碎石體和空隙或孔隙組成,殘留的空洞就是注漿的主要對象體。破碎巖體的空隙率可以由破碎狀態(tài)下巖塊間的孔隙體積與總體積之比來表示,而其碎脹系數(shù)為巖體破碎后的體積與破碎前的體積之比。

根據(jù)破碎巖體空隙率和碎脹系數(shù)的定義可知,兩者之間存在如下關(guān)系

(1)

式中,Kp為破碎巖石的碎脹系數(shù);φ為破碎巖石的空隙率。

根據(jù)采區(qū)巖石力學(xué)條件,2-2煤層上部以砂巖為主,屬堅硬、較堅硬地層,碎脹系數(shù)取1.25,根據(jù)空隙率計算公式,φ=0.20。

采空區(qū)注漿技術(shù)利用冒落帶巖石的碎脹性,通過地表鉆孔,對采空區(qū)垮落矸石空隙注入漿體。主要確定采空區(qū)注漿空間及鉆孔布置。

冒落區(qū)可注入漿體計算公式為

V=φ(blh)

(2)

式中,b為工作面寬度,m;l為工作面長度,m;h為采高,m。

小保當(dāng)一號煤礦截止目前共形成3個采空區(qū),分別為112201、112202、112207工作面。經(jīng)計算可知,小保當(dāng)煤礦現(xiàn)有注漿體積476萬m3,按充填率60%,煤矸石密度2.0 t/m3計算,保守估計可容納矸石700萬t左右。首選對最新回采完成的112207工作面進(jìn)行充填,可容納268萬t煤矸石,即可滿足矸石的最大年排放量,見表5。

表5 采空區(qū)注漿體積估算Table 5 Estimation of grouting volume in goaf

4.5 鉆孔布置

通過對小保當(dāng)一號煤礦的地面條件、地質(zhì)條件、水文條件、地下空間等因素進(jìn)行適宜性評價,表明采空區(qū)注漿充填方案是可行的。即在地面選擇合適的場地建設(shè)破碎車間和注漿車間,將矸石破碎后加水?dāng)嚢柚瞥蓾{液,通過管道泵送到已開采完成的采空區(qū)上方,利用地表鉆孔注入采空區(qū)冒落帶內(nèi)。如圖3所示在112207工作面距離邊部煤柱75 m處布置兩排間距100 m的鉆孔,布置鉆孔40個。112207工作面剩余空間224萬m3,注漿200萬t左右,預(yù)計單孔可充填矸石約5萬t,最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模矸石消納處理。

圖3 鉆孔注漿示意Fig.3 Drilling grouting diagram

5 結(jié)論

(1)采用傳統(tǒng)的矸石綜合處理和利用技術(shù)存在分散不集中、需求量不足、處理量少、工藝復(fù)雜等限制而不能從根本上消納大量煤矸石。結(jié)合小保當(dāng)一號煤礦地區(qū)特點(diǎn),煤矸石最徹底最有效的處置方式是井下充填,以減少煤矸石地面堆積對水資源、大氣和土壤等的污染,解決礦井固廢處理難題。

(2)綜合對比分析井下充填各種方案,并結(jié)合小保當(dāng)一號煤礦的地面條件、地質(zhì)條件、水文條件、地下空間等因素進(jìn)行適宜性評價,選擇采空區(qū)注漿充填方案是可行的。

(3)陜北煤產(chǎn)量大,煤矸石堆積嚴(yán)重,此技術(shù)的示范研究,能夠消納大量煤矸石固廢,減緩地表沉陷,對改善礦區(qū)生態(tài)與居民生活環(huán)境,解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)之間的矛盾以及“綠色礦山”建設(shè)具有重要意義,對陜北乃至全國其他大型煤礦有良好的借鑒作用。