西部生態脆弱區村莊下固廢綠色充填開采技術應用研究

常西坤，王明國，王中青，范津萌

(1.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590； 2.山東科技大學 礦山巖層智能控制與綠色開采重點實驗室，山東 青島 266590； 3.鄂爾多斯市綠礦技術服務有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017010)

隨著我國西部地區工業建設的發展，“三下”壓煤量不斷增加，嚴重制約了煤礦的可持續發展，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、黃土覆蓋的生態脆弱區[1-4]，在煤礦高強度開采[5]下產生大量煤矸石排放，造成環境污染、生態破壞等問題，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出來的綠色采煤技術之一[6-8]。國家高度重視西北生態文明建設，提出生態環境綜合治理與區域經濟綠色轉型并行發展。新修訂的《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》[9]明確規定“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”，對生態環境損害賠償的內容作出統一規定；《“十四五”循環經濟發展規劃》[10]提出大力發展循環經濟，實現雙碳目標，提高資源的高效利用、循環利用水平，推動經濟社會高質量發展，促進生態文明建設和生態環境高水平保護。因此，實施充填開采，建立綠色礦山對西部生態脆弱區實現生態環境和煤炭工業高質量發展具有重要意義。近年來我國學者在基于工業固廢資源利用的膠結充填開采技術方面進行了大量研究工作[11-15]，并在現場取得了顯著效果。

針對上述問題，提出了短壁連采連充式膠結充填采煤技術。闡述該技術的技術內涵和采充工藝，通過試驗得到充填體的強度，系統介紹該技術充填系統流程，并在西部生態脆弱區察哈素煤礦進行現場工程應用。應用結果表明，該技術可解決西部生態脆弱區村莊下壓煤及高強度開采產生的固廢排放處置和地表沉陷控制難題，為西部生態脆弱區村莊下采煤提供技術借鑒。

1 礦井概況

察哈素礦井位于內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脆弱區。31采區為察哈素礦井首采區，東至32采區、西至33采區、南至井田邊界、北至34采區，地面標高+1243.6～+1391.5m。采區內地質條件簡單，煤層傾角較平緩，一般為1°～3°，采區資源總量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，全區穩定可采。煤層頂板巖性為砂質泥巖、泥巖，局部為細-中粒砂巖；底板巖性以砂質泥巖為主，局部為泥巖。

2 礦井面臨的問題

2.1 工業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蒙古能源有限公司(以下簡稱“蒙能公司”)，在該礦井高強度開采條件下，生產過程中矸石、粉煤灰、石膏、爐渣固體廢棄物累計年排放量高達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，存在處置費用較高、占用大量土地及環境污染等問題；同時隨著國家對企業環保及排放處置要求的不斷提高，給煤炭企業的經營生產帶來越來越大的壓力，制約了企業的快速發展，且不利于綠色礦山的建設。

目前井下為建(構)筑物、大巷等留設了大量保護煤柱，據估算，察哈素礦井目前正在回采的31采區，共留設約4728萬t煤炭資源量，其中31采區北翼村莊建筑物下壓煤面積共計5.12km2，滯留煤量約3108萬t，嚴重影響了工作面正常布置及生產接續，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構，其他的還有：鐵路、公路和輸電線路等。根據預測煤礦開采后地面沉降變形見表1。

表1 地表下沉、移動與變形的預測結果

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煤全區可采，故井田內村莊全部受其開采沉陷影響，根據“三下”規范[16]中磚混結構建筑物受地表移動變形影響的損害等級，井田內村莊都將受到Ⅳ破壞，建(構)筑物破壞嚴重，難以修復，應遷村開采。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，一方面村莊搬遷土地征用困難、費用大和周期長，給煤礦企業帶來了沉重的經濟負擔；另一方面由于搬遷距離過大，給村民帶來了許多生產和生活上的不便。

綜上礦井所面臨的問題，工業固廢排放處置、村莊建筑物下壓煤量大以及受采動影響地表變形破壞嚴重均不利于礦井可持續性發展，因此，科學、綠色、合理地處置工業固廢，并在保證地表建筑物安全的前提下，采取有效的技術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充填采煤技術

3.1 技術內涵

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

圖1 短壁連采連充式膠結充填采煤技術框架

3.2 充填采煤工藝

根據煤層強度和采場頂板條件，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，工作面長度設計為50～100m，根據礦井開采地質條件和綜采設備等，支巷寬度設計為4～6m。由里向外依次順序編號為1支巷，2支巷，3支巷，……。先開采奇數編號支巷，每條支巷開采結束后應立即充填，同時開采下一條奇數編號支巷，采充實現間隔分布、連續平行作業；待充填支巷穩定后，再依次進行偶數支巷的開采和充填，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料，按照一定比例混合進行井下充填，實現固廢資源化利用。

煤矸石是選煤廠及察哈素礦井在開拓掘進、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、裂紋發育，整體結構疏松，對料漿有很好的膠結作用。根據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行二級破碎處理。實驗室進行篩分試驗得到的矸石顆粒級配如圖3所示。由圖3可知，經破碎的矸石絕大部分粒徑介于0.1～13.2mm，僅個別粒徑達到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。該粉煤灰主要化學成分為SiO2、A12O3、Fe2O3，其活性主要與這幾種成分的含量有關，在CaO或Ca(OH)2的作用下，粉煤灰的活性會被激發，發生水化反應，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，試塊水化反應進行得很充分，SiO2與Ca(OH)2的衍射峰進一步降低，C-S-H、C-A-H等膠凝性物質的衍射峰大大增強，大量的團簇狀C-S-H、部分針狀AFt和一些無定形狀的膠凝類物質致密地排列在一起，相互交叉耦合，這說明在激發劑的作用下，粉煤灰的火山灰活性在最大程度上被發揮出來，使得整個試塊滿足一定的強度要求。因此粉煤灰的火山灰性質可以有效替代部分水泥，制備強度性能良好的膠結料[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、石膏每年的產量較少，爐渣粉碎后與矸石一樣充當骨料，石膏可與粉煤灰混合使用，且爐渣、石膏也是一種活性材料，在合適激發條件下發生水化反應，可以提高充填體的抗壓強度[20]。

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

3.3.2 充填材料的強度

將充填材料制成70.7mm×70.7mm×70.7mm的標準試件并在相對濕度95%，溫度20±1℃條件下養護至一定齡期。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%制成的充填體養護至9，15，28d齡期進行單軸抗壓強度實驗。根據工作面作業循環和充填開采模式，大約10～15d后才進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)強度要求不高，因此本次試驗僅研究充填體后期(9d、15d、28d)的抗壓強度，試驗結果如圖6所示。

圖6 充填材料強度

由圖6(a)可知，本次試件凝結9d、15d、28d抗壓強度分別為2.93MPa、3.01MPa、3.10MPa，隨著齡期的增大，充填體的單軸抗壓強度不斷增大，但是在15d之后充填體的單軸抗壓強度增加幅度并不明顯，僅增加0.09MPa。由此可見，試件15d齡期的抗壓強度基本達到試件最終抗壓強度(28d)的97%以上。由圖6(b)可知，試件在9d、15d、28d的應力-應變曲線規律基本相同，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%。綜合礦井地質采礦條件及地面建筑特征，要求充填體的最終單軸抗壓強度不低于2.0MPa?？芍鲜雠浔认?，充填體齡期在達到9d后，基本滿足現場工藝要求。

3.4 充填系統

在配比試驗基礎上，根據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充填采煤技術的充填系統設計思路，將充填系統分為矸石運輸系統、泥漿制備系統、監測系統和工作面充填系統四大部分，系統流程如圖7所示。

圖7 充填系統流程

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

泥漿制備系統包括原料的存儲、計量、制備、配料、攪拌、輸送等環節，主要有水泥罐、粉煤灰罐、輔料罐、蓄水池、攪拌機、儲漿池等設備。為了便于集中管理、減少設備和運輸環節、合理利用現有場地，地面制漿站采用集料場、料倉、微機配比系統、攪拌系統(泵送系統)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，結合充填材料性質、可輸送性及現場實際條件，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巷支巷上口。

監測系統分為井上井下兩部分，井下部分主要包括監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，對井下定時收集數據進行動態數據監測。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行觀測。

工作面充填系統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擋漿板進行封堵，并在擋漿板外側設單體液壓支柱，加強“三岔門”支護和提高封堵密閉穩定性。然后在待充支巷上口將泥漿與矸石進行混合，利用其落差產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采空區一側頂部充填料漿不能充滿的三角區空間，為提高支巷充填率以實現預期頂板控制效果，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。

4 工程應用

考慮到察哈素煤礦村莊下壓煤特點，在礦井31采區31312工作面內靠近大巷選一長500m、寬220m的試采工作面，進行短壁連采連充式膠結充填采煤試驗效果驗證。為察哈素煤礦進一步開展村莊下固廢充填采煤提供科學設計依據和技術實踐經驗，在西部生態脆弱區高強度開采下，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、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，水泥為當地生產的42.5R普通硅酸鹽水泥。結合充填材料的強度、流動性等特性及現場實際條件，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強度可達到3.1MPa左右，滿足充填體強度設計要求。工作面設計料漿日充填量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，現場實測充填率達98%以上，可成功將該技術應用于西部生態脆弱區村莊下壓煤及高強度開采產生的固廢排放處置和地表沉陷控制。

首采試驗成功驗收后，進入生產提效階段，在確保安全前提下，預計可達到年充填量100萬t，產量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置走向、傾向觀測線。走向觀測線長1050m，設置KA1、KA2、KA3，3個控制點，間距為50m，布置測點30個，測點編號A4—A33，間距為30m；傾向觀測線長810m，設置KB1、KB2、KB3，3個控制點，間距為50m，布置測點23個，測點編號B4—B26，間距為30m。

根據觀測，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充填開采，地面最大下沉量約為180mm，而根據31303工作面采用垮落法開采，實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，可對村莊下壓煤實施“規模性”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，延長了礦井服務年限，促進礦井高效、安全的可持續發展。

圖8 試采區域地面沉陷測線最終下沉曲線

5 結 論

1)針對西部生態脆弱區村莊下壓煤及高強度開采產生的工業固廢排放處置、地表沉陷控制難題，提出了短壁連采連充式膠結充填采煤技術，實現在源頭上消納固體廢棄物、置換村莊下煤柱和原態控制地表，做到固廢零排放、環境低損傷和生態弱擾動，從而推動綠色礦山建設。

2)實測結果表明，試采工作面采用短壁連采連充式膠結充填開采，地面最大下沉量約為180mm，而根據鄰近31303工作面地面移動變形實測經驗，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)現場工程應用表明，該技術可成功應用于31312工作面的試采工作面，實現年充填量40萬t，產量36萬t/a，工作面充填率達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。首采試驗成功驗收后，進入生產提效階段，預計可達到年充填量100萬t，產量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。