固体废弃物矿山充填多层次封闭技术研究

张 翔，姜福兴，李佳洁，朱斯陶

(北京科技大学 土木与资源工程学院 教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京 100083)

目前在我国乃至世界范围内广泛使用的固废处理方式主要有近地表填埋、焚烧和堆肥3种[1]，但仍会造成地表土壤、水和空气的长期污染；而煤矿、冶金矿山、有色金属矿山、化工矿山以及非金属矿床开发过程中，形成了大量井下采空区和废弃空间，仅煤矿每年就形成数亿立方米空间[2]，如果不及时处理将会成为巨大的安全隐患，威胁井下采矿安全和地面建筑物的安全，并造成地面塌陷等环境问题。北京科技大学城市固废处理课题组承担北京市科技计划项目“利用埋填充实用城市垃圾实现矿山封闭的技术试验研究”，该技术能够处理未分类陈腐垃圾、解放土地资源；控制地表沉降、防治采矿灾害；多采资源，提高资源回采率。课题组前期工作对城市固废进行了分类充填工艺的研究，仍需要对充填空间封闭处理，达到城市垃圾安全深埋的目的。目前，许多专家学者对矿山深部封闭技术进行了的研究，冯志强等[3，4]对破碎煤岩体注浆堵水作用机理进行了研究，并研制出新型聚氨酯堵水材料；刘泉声等[5，6]探讨了三步注浆浆液扩散机理，并将该工艺应用于现场注浆工程；姜福兴等[7，8]研究了新型化学材料密闭墙的快速构筑技术，并探讨了我国煤矿防爆密闭墙的技术标准。

目前矿山深部封闭技术主要应用于防治突水、瓦斯等灾害，而针对深井采空区固废封存的研究较少，本文拟研究深井固废封闭技术，通过理论分析、现场调研等方法，建立固废矿山充填多层次封闭技术体系，对该技术体系中的关键要素进行分析研究，以期为固废深井封闭结构设计、选材和施工工艺设计等提供理论基础。

1 固废深井封存的目标

固废深井封存的终极目标是将固废及其产生的甲烷、渗滤液等污染物限制在充填区范围内，远离生物圈边界，并保证充填空间的长期封闭直至固废稳定不再向外界扩散污染物。该目标包括以下三个方面：

1.1 固废隔离

本研究拟通过人工布置多层封闭措施和天然围岩屏障，切断水流、气体通道，将固废隔离于地面以下500m(深地质处置)[9，10]以深的矿山废弃采空区中。

1.2 长期封闭

参考我国对于极低水平放射性废物浅地层处置库关闭后的有组织控制期限(30a)[11]、国外研究发现的可以作为人类的生活场所的地表生活垃圾填埋场封场时间(20a以上)[12]，结合深井采空区自身特点，本技术的目标封闭年限为20年以上。

1.3 固废稳定

固废稳定的标准为充填区内部气体产生速率接近为零[13，14]，充填区上覆岩层停止活动。本研究拟根据围岩活动基本停止、封存区域气压和液面高度保持稳定等实际监测结果作为有效封闭年限的实际判别指标。

2 固废矿山充填多层次封闭体系建立

固废矿山充填采用充填空间多层次封闭结构，包括区域封存、表面封闭、充填体封闭和通道封闭4个层次的封闭结构。煤矿固废矿山充填多层次封闭结构如图1所示。

图1 煤矿固废矿山充填多层次封闭技术体系

2.1 区域封存结构

区域封存结构是指由采空区和一定范围内的围岩组成的地下结构。区域封存结构可由顶板、煤柱和底板构成。用于固废矿山充填的区域封存结构，要求该区域一定范围的围岩应具备有利的水文环境、长期稳定的地质力学条件和较低的渗透性，从而能够维持充填空间结构长久稳固。

2.2 表面封闭结构

表面封闭结构是指在区域封存结构的基础上，为防止围岩长期变形等因素导致的围岩结构整体性破坏、断层和节理面构造增多，而实施的表面封闭措施的结构。用于固废矿山充填的表面封闭结构包括围岩注浆和表面喷浆，围岩注浆是指向围岩内部注入可固化的液体材料以充填围岩原生微观和细观裂隙；表面喷浆是指向围岩表面喷涂一定厚度的防水材料以隔离封闭区域水气的交换。

2.3 充填体封闭结构

充填体封闭结构是指为维护区域封存结构稳定、提高充填体整体强度，在充填空间内布置的封闭结构。用于固废矿山充填的充填体封闭结构包括整体注浆和分部隔离两个部分。

整体注浆是指对充填固废单元体之间实施空隙注浆，用以提高接顶程度和充填体密实度，同时，减少空隙对充填体整体强度的影响，降低充填单元体之间有害物析出的风险。

分部隔离是指通过砌筑隔离墙将充填区域分割成较小的封闭单元，根据“隔离仓”原理，降低大体积充填区域整体封闭失效的风险。

2.4 通道封闭结构

通道封闭结构是指固废充填工作完成后，在充填空间进出口处布置的封闭结构。通道封闭结构由充填挡墙和封闭墙构成。充填挡墙提供力学支撑作用，封闭墙起密闭作用，防止固废充填体产生的有害气体、渗滤液外泄至外部。

用于固废矿山充填的通道封闭结构，需要综合考虑上覆岩层高应力导致墙体的变形甚至开裂和充填区内部水压、气压的渗漏，因此采空区通道封闭墙体结构需要具有一定强度和变形能力，区别于常规封闭墙。通道封闭墙结构如图2所示。

图2 通道封闭墙结构模型

固废封闭墙受力模型如图3所示，上覆部分岩层传递至封闭墙较高的应力；同时固废降解产生的水与气在体积固定的充填空间内不断积聚，对封闭墙体施加的单侧压力不断增大，充填区内部带压气、液对封闭墙的施压情况可用式(1)表示：

式中，ρ为渗滤液密度，kg/m3；g为当地的重力加速度，m/s2；h为渗滤液液面高度，m；y为计算点至墙底部距离，m；p为混合气体压强，N/m2。

图3 固废封闭墙受力模型

在这样的压力条件下要求封闭墙具有一定的变形能力，能够随着围岩变形而协调变形，避免墙体因过载而被破坏。墙体需要使用具有一定可压缩性能的柔性封闭材料砌筑，例如聚亚胺胶脂材料。本研究拟采用双墙结构充当模具，由木柱和塑纸快速搭建而成，中间灌注柔性封闭材料(图2)；同时柔性封闭墙采用掏槽结构，掏槽深度见硬底、硬帮、硬顶，与围岩接实；综合分析墙体强度和结构，设定充填空间水位警戒线和气压预警阀值，通过在封闭墙留设滤水管和排气系统控制充填空间内的水位和气压。

通道围岩中存在大量的原生节理裂隙和薄弱面，并且掘进和回采的扰动应力进一步破坏了围岩的完整性，仅依靠封闭墙无法有效封堵充填区入口，因此在构筑封闭墙的同时，需要对封闭墙附近的围岩裂隙进行注浆封堵，浆液固化后将封闭墙与周边破碎围岩粘结到一起，使二者组成“封闭墙系统”共同作用。

在布置多层次封闭措施的同时，为保证密闭系统的安全稳定运行，需要对系统内部的水位高度、气体压力和围岩状态进行实时监测预警。

3 围岩条件对固废矿山充填多层次封闭的影响

围岩是固废得以封存的重要保障，其性质、状态直接影响封闭系统的密闭状态。根据围岩性质，对适用于固废矿山充填的围岩分为以下三类：

3.1 完整高强度硬岩围岩

完整高强度硬岩围岩强度较高，单轴饱和抗压强度大于60MPa。此类围岩受地质构造影响轻微，节理裂隙不发育，整体性和自稳能力强，能够承受采空区上覆岩层高应力而不被破坏。通过围岩自身和少量的矿柱支撑充填空间，即可保持充填空间的密闭性。此类围岩是充填固废的理想围岩。

采空区附近的围岩可视为处于单向受力状态，如图4所示，其承受应力水平较低，属于低应力区；在采空区侧向支撑压力的影响下，出现高应力区；在采空区顶角和底角处存在高低应力差场，该处围岩受到高剪切应力作用。高应力区及高剪切应力区的岩体容易发生破坏。

图4 封闭区域围岩受力示意图

在此应力条件下要求围岩具有足够强度，维持充填空间稳定和封闭，需要满足以下条件：围岩承受的最大支承压力(σmax)小于围岩单轴抗压强度([σ])，围岩承受的最大剪切应力(τmax)小于围岩极限抗剪强度([τ])，见式(2)、式(3)。

3.2 膨胀性软岩围岩

膨胀性软岩围岩中含有较多蒙脱石、伊利石、高岭石或伊蒙混层等成分，具有明显的胀缩性，如泥岩、粘土岩、页岩等。在较低应力水平条件下，此类围岩能发生显著变形将固废充填体包裹，自我修复节理、裂隙甚至断层形成的通道。此类围岩也是封存固废的理想围岩。

膨胀性软岩厚度对封闭效果的影响如图5所示。R为污染扩散区半径，L为充填区域与岩层交界面的最小距离，当R小于L时，膨胀性软岩可以有效阻止有害物质的转移，如图5(a)所示；当R大于L时，部分有害物质可能通过相邻岩层交界面扩散泄漏，导致封闭失效，如图5(b)所示。

图5 膨胀性软岩厚度对封闭效果的影响

3.3 弱损伤岩体围岩

弱损伤岩体围岩中含有少量断层和节理面发育。通常，在上覆岩层压力的持续作用下，围岩中的节理裂隙进一步扩大甚至彼此贯通，导致围岩失去屏障作用，污染物通过贯通的裂隙通道直接进入井下作业空间、地下含水层等，导致封闭失效(如图6所示)，此类围岩虽然不是固废封闭的最理想围岩，由于其存在最为普遍，可采取表面封闭技术进行修补，增强充填区域的密封性能。

图6 弱损伤岩体围岩

4 煤矿固废矿山充填多层次封闭体系设计

济宁2号井地理位置条件优越，该矿距离市中心仅为14km，大幅度降低固废运输过程的成本和污染；同时三下压煤严重。固废矿山充填技术应用后对该市可产生直接的经济和社会效益，如图7所示，试验区域定为该矿七采区的9个条带开采工作面。

图7 济宁2号井“固废矿山充填”试验区域

4.1 区域封存

试验区域煤层平均埋深794m，区域内无较大的断层构造，见表1，12号下煤层顶底板分别为5.3m厚砂质粘土岩、0.17m厚泥岩伪底，二者均具有膨胀性软岩性质，是固废封闭的理想围岩；另外1.86m厚石灰岩基本底的岩性较为致密坚硬、隔水性较好。综上分析该区域满足区域封存要求。

表1 试验区域内局部钻孔柱状表

4.2 表面封闭

为避免顶板岩层提前垮落破坏围岩完整，工作面生产采用边回采边充填的工艺。“垃圾产品”充填前，对工作面后方的破碎岩体或围岩中的裂隙通道进行锚杆注浆处理，向围岩表面喷涂一定厚度的防水浆液，选用水泥和化学喷涂材料分别作为锚杆注浆与表面喷浆的主料，施工过程中应根据现场的具体条件以确定注浆锚杆的数量和规格、喷涂浆液的厚度、与主料相配合的注浆材料种类，以达到预期的技术经济指标。

4.3 充填体封闭

整体注浆采用向封存空间内预铺注浆管的方式进行，如图8所示，选用黄泥浆作为注浆材料，注浆时进行多次复注、提高注浆终压等措施以增加充填体密实度；每充填一定距离砌筑一道无缝砖墙，达到分部隔离和力学支撑的目的。

图8 工作面注浆管铺设及隔离墙布置平面图

4.4 通道封闭

固废充填完毕后分别在工作面回风巷、工作面运输巷内砌筑通道封闭结构，封闭墙设计参考图2；向封闭墙前后一定距离的巷道围岩中布置注浆锚杆和锚索，根据巷道围岩的岩性、结构整体性等因素确定锚杆、锚索的布置范围、规格和密度。

5 结 论

1)固废深井封存包含固废隔离、长期封闭和固废稳定三方面，确保固废深地质处置达到稳定状态，封存年限为20年以上，应根据实际监测结果作为有效封闭年限的实际判别指标。

2)固废矿山充填封存采用充填空间多层次封闭结构，包括区域封存、表面封闭、充填体封闭和通道封闭4个层次的封闭结构。

3)对试验煤矿进行了固废矿山多层次封闭体系设计，为后期封闭工作的实施提供理论基础。