西部生态脆弱区村庄下固废绿色充填开采技术应用研究

常西坤，王明国，王中青，范津萌

(1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590； 2.山东科技大学 矿山岩层智能控制与绿色开采重点实验室，山东 青岛 266590； 3.鄂尔多斯市绿矿技术服务有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017010)

随着我国西部地区工业建设的发展，“三下”压煤量不断增加，严重制约了煤矿的可持续发展，其中主要为建筑物下压煤，并以村庄下压煤量最大。同时大部分西部煤炭资源处于干旱～半干旱带沙漠、黄土覆盖的生态脆弱区[1-4]，在煤矿高强度开采[5]下产生大量煤矸石排放，造成环境污染、生态破坏等问题，充填开采是针对“三下”采煤、矸石排放处置、地表沉陷控制难题开发出来的绿色采煤技术之一[6-8]。国家高度重视西北生态文明建设，提出生态环境综合治理与区域经济绿色转型并行发展。新修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》[9]明确规定“源头防控”，提出减量化、资源化和无害化三大原则；《中华人民共和国民法典》确立“绿色原则”，对生态环境损害赔偿的内容作出统一规定；《“十四五”循环经济发展规划》[10]提出大力发展循环经济，实现双碳目标，提高资源的高效利用、循环利用水平，推动经济社会高质量发展，促进生态文明建设和生态环境高水平保护。因此，实施充填开采，建立绿色矿山对西部生态脆弱区实现生态环境和煤炭工业高质量发展具有重要意义。近年来我国学者在基于工业固废资源利用的胶结充填开采技术方面进行了大量研究工作[11-15]，并在现场取得了显著效果。

针对上述问题，提出了短壁连采连充式胶结充填采煤技术。阐述该技术的技术内涵和采充工艺，通过试验得到充填体的强度，系统介绍该技术充填系统流程，并在西部生态脆弱区察哈素煤矿进行现场工程应用。应用结果表明，该技术可解决西部生态脆弱区村庄下压煤及高强度开采产生的固废排放处置和地表沉陷控制难题，为西部生态脆弱区村庄下采煤提供技术借鉴。

1 矿井概况

察哈素矿井位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗，地处晋陕黄土高原与毛乌素沙漠东北边缘接壤地带，水资源匮乏，地表植被稀疏，属于典型的西部生态脆弱区。31采区为察哈素矿井首采区，东至32采区、西至33采区、南至井田边界、北至34采区，地面标高+1243.6～+1391.5m。采区内地质条件简单，煤层倾角较平缓，一般为1°～3°，采区资源总量29056.16万t，可采储量19097.48万t，主采3-1煤层，厚度2.05～7.15m，平均厚度5.25m，位于延安组的中部，平均埋深400m，全区稳定可采。煤层顶板岩性为砂质泥岩、泥岩，局部为细-中粒砂岩；底板岩性以砂质泥岩为主，局部为泥岩。

2 矿井面临的问题

2.1 工业固废排放处置和村庄下压煤情况

察哈素矿井隶属于国电建投内蒙古能源有限公司(以下简称“蒙能公司”)，在该矿井高强度开采条件下，生产过程中矸石、粉煤灰、石膏、炉渣固体废弃物累计年排放量高达115.3万t，其中洗煤厂、矿井年排放矸石85万t，电厂年排放粉煤灰22万t、炉渣3.3万t、石膏5万t。固废处理途径主要依靠电厂排渣场就地储存和作为建材辅料对外销售两种处理方式，存在处置费用较高、占用大量土地及环境污染等问题；同时随着国家对企业环保及排放处置要求的不断提高，给煤炭企业的经营生产带来越来越大的压力，制约了企业的快速发展，且不利于绿色矿山的建设。

目前井下为建(构)筑物、大巷等留设了大量保护煤柱，据估算，察哈素矿井目前正在回采的31采区，共留设约4728万t煤炭资源量，其中31采区北翼村庄建筑物下压煤面积共计5.12km2，滞留煤量约3108万t，严重影响了工作面正常布置及生产接续，造成大量煤炭资源无法开采利用。

2.2 矿井开采后地表变形破坏情况

察哈素矿井开采影响范围内有柴登壕、窝图沟、岗房梁等10个村庄，其建筑物大多为砖混结构，其他的还有：铁路、公路和输电线路等。根据预测煤矿开采后地面沉降变形见表1。

表1 地表下沉、移动与变形的预测结果

由于全井田3-1煤层开采后地表下沉、移动与变形值中Imax=18.25mm/m>10mm/m、Emax=8.40mm/m>6mm/m，且3-1煤全区可采，故井田内村庄全部受其开采沉陷影响，根据“三下”规范[16]中砖混结构建筑物受地表移动变形影响的损害等级，井田内村庄都将受到Ⅳ破坏，建(构)筑物破坏严重，难以修复，应迁村开采。但单纯依靠村庄搬迁解放“三下”压煤问题，面临巨大困难和挑战，一方面村庄搬迁土地征用困难、费用大和周期长，给煤矿企业带来了沉重的经济负担；另一方面由于搬迁距离过大，给村民带来了许多生产和生活上的不便。

综上矿井所面临的问题，工业固废排放处置、村庄建筑物下压煤量大以及受采动影响地表变形破坏严重均不利于矿井可持续性发展，因此，科学、绿色、合理地处置工业固废，并在保证地表建筑物安全的前提下，采取有效的技术途径最大限度地采出建筑物下压煤已势在必行。

3 短壁连采连充式胶结充填采煤技术

3.1 技术内涵

针对矿井面临的问题，提出短壁连采连充式胶结充填采煤技术，实现在源头上消纳固体废弃物、置换村庄下煤柱和原态控制地表，做到固废零排放、环境低损伤和生态弱扰动，从而推动绿色矿山建设。该技术框架如图1所示。

图1 短壁连采连充式胶结充填采煤技术框架

3.2 充填采煤工艺

根据煤层强度和采场顶板条件，工作面采用“隔一采一、两步式回采”的充填开采模式，如图2所示。将工作面待开采煤层，沿平行于开切眼的方向，划分多个条带支巷。为保证工作面充填采煤效率，工作面长度设计为50～100m，根据矿井开采地质条件和综采设备等，支巷宽度设计为4～6m。由里向外依次顺序编号为1支巷，2支巷，3支巷，……。先开采奇数编号支巷，每条支巷开采结束后应立即充填，同时开采下一条奇数编号支巷，采充实现间隔分布、连续平行作业；待充填支巷稳定后，再依次进行偶数支巷的开采和充填，最终完成连采连充、全采全充过程[17]。

图2 充填开采模式

3.3 充填材料

3.3.1 原材料

对于蒙能公司排放的矸石、粉煤灰、石膏、炉渣固体废弃物，充填材料选用矸石、炉渣作为骨料，粉煤灰、石膏和水泥作为胶结料，按照一定比例混合进行井下充填，实现固废资源化利用。

煤矸石是选煤厂及察哈素矿井在开拓掘进、采煤过程中排出的固体废弃物，主要矿物成分为高岭石和伊利石等黏土矿物，其余为石英和黄铁矿等。破碎后的矸石颗粒表面孔隙、裂纹发育，整体结构疏松，对料浆有很好的胶结作用。根据充填材料的制备要求，矸石最大粒径不超过25mm，因此一般需要对矸石进行二级破碎处理。实验室进行筛分试验得到的矸石颗粒级配如图3所示。由图3可知，经破碎的矸石绝大部分粒径介于0.1～13.2mm，仅个别粒径达到20～25mm，满足充填材料对骨料粒径的要求。

图3 矸石颗粒级配

粉煤灰是布连电厂燃煤排放的火山灰粉体废弃物，具有潜在的活性。该粉煤灰主要化学成分为SiO2、A12O3、Fe2O3，其活性主要与这几种成分的含量有关，在CaO或Ca(OH)2的作用下，粉煤灰的活性会被激发，发生水化反应，配制的充填体试块在28d取样所得到的X射线衍射图谱、SEM图像如图4、图5所示。由图4、图5可知，试块水化反应进行得很充分，SiO2与Ca(OH)2的衍射峰进一步降低，C-S-H、C-A-H等胶凝性物质的衍射峰大大增强，大量的团簇状C-S-H、部分针状AFt和一些无定形状的胶凝类物质致密地排列在一起，相互交叉耦合，这说明在激发剂的作用下，粉煤灰的火山灰活性在最大程度上被发挥出来，使得整个试块满足一定的强度要求。因此粉煤灰的火山灰性质可以有效替代部分水泥，制备强度性能良好的胶结料[18]。除此之外，粉煤灰还可以改善充填材料的流动性[19]。

图4 28d XRD图谱

图5 28d水化微观特征

布连电厂排放的炉渣、石膏每年的产量较少，炉渣粉碎后与矸石一样充当骨料，石膏可与粉煤灰混合使用，且炉渣、石膏也是一种活性材料，在合适激发条件下发生水化反应，可以提高充填体的抗压强度[20]。

另外水泥作为胶结材料主要采用42.5R普通硅酸盐水泥，水泥不仅能激发粉煤灰活性，还能产生水化反应凝结充填体，使其具有良好的承载能力。

3.3.2 充填材料的强度

将充填材料制成70.7mm×70.7mm×70.7mm的标准试件并在相对湿度95%，温度20±1℃条件下养护至一定龄期。针对充填材料矸石(炉渣)、粉煤灰、石膏、水泥、矿井水配比为74∶2∶2∶7∶15，料浆浓度为85%制成的充填体养护至9，15，28d龄期进行单轴抗压强度实验。根据工作面作业循环和充填开采模式，大约10～15d后才进行充填体煤壁的开采，短壁连采连充工艺对充填体的早期(7～8h)强度要求不高，因此本次试验仅研究充填体后期(9d、15d、28d)的抗压强度，试验结果如图6所示。

图6 充填材料强度

由图6(a)可知，本次试件凝结9d、15d、28d抗压强度分别为2.93MPa、3.01MPa、3.10MPa，随着龄期的增大，充填体的单轴抗压强度不断增大，但是在15d之后充填体的单轴抗压强度增加幅度并不明显，仅增加0.09MPa。由此可见，试件15d龄期的抗压强度基本达到试件最终抗压强度(28d)的97%以上。由图6(b)可知，试件在9d、15d、28d的应力-应变曲线规律基本相同，具有很好的弹性变形能力，能够有效控制开采后覆岩移动变形，但其塑性变形能力相对较差；充填体破坏前的变形很小，不超过2%。综合矿井地质采矿条件及地面建筑特征，要求充填体的最终单轴抗压强度不低于2.0MPa。可知上述配比下，充填体龄期在达到9d后，基本满足现场工艺要求。

3.4 充填系统

在配比试验基础上，根据煤矿充填方法及管道输送特性，提出了适用于短壁连采连充胶结充填采煤技术的充填系统设计思路，将充填系统分为矸石运输系统、泥浆制备系统、监测系统和工作面充填系统四大部分，系统流程如图7所示。

图7 充填系统流程

矸石运输系统由矸石存储场地和输矸孔组成。矸石经地面选煤厂洗选出来后运送至储矸场，经破碎车间进行分级破碎，破碎后矸石粒径不超过25mm。满足粒径要求后，通过带式输送机均匀地进入矸石输料井进行下放，矸石输料井底部建有矸石缓冲仓，由仓下带式输送机运至回风巷支巷上口。

泥浆制备系统包括原料的存储、计量、制备、配料、搅拌、输送等环节，主要有水泥罐、粉煤灰罐、辅料罐、蓄水池、搅拌机、储浆池等设备。为了便于集中管理、减少设备和运输环节、合理利用现有场地，地面制浆站采用集料场、料仓、微机配比系统、搅拌系统(泵送系统)等集中布置。

制浆站将水泥、粉煤灰、石膏及矿井水配比、搅拌均匀后，制成充填开采用泥浆，结合充填材料性质、可输送性及现场实际条件，泥浆制备配比为粉煤灰∶石膏∶水泥∶矿井水=2∶2∶7∶15，其质量密度为1.3g/cm3，流动性能较好。然后注入储浆池，采用管道自流输送方式将泥浆送至回风巷支巷上口。

监测系统分为井上井下两部分，井下部分主要包括监测管道压力和充填体压力、变形量及温度，通过在管道沿程和工作面布置多功能分站，对井下定时收集数据进行动态数据监测。井上部分主要为地表沉陷观测，通过沿回采工作面走向和倾向主断面上布置观测线，对工作面回采过程中及停采后各测站下沉量进行观测。

工作面充填系统采用充填料浆井下混合。工作面充填开始前在待充支巷下口布设挡浆板进行封堵，并在挡浆板外侧设单体液压支柱，加强“三岔门”支护和提高封堵密闭稳定性。然后在待充支巷上口将泥浆与矸石进行混合，利用其落差产生的动能和煤层倾角，料浆通过在支巷中自流使充填材料混合均匀。对于近水平煤层易出现采空区一侧顶部充填料浆不能充满的三角区空间，为提高支巷充填率以实现预期顶板控制效果，可在支巷充填末期降低矸石配比，确保料浆具备足够好的流动性，使其在较小压力下能充满整个采空区。

4 工程应用

考虑到察哈素煤矿村庄下压煤特点，在矿井31采区31312工作面内靠近大巷选一长500m、宽220m的试采工作面，进行短壁连采连充式胶结充填采煤试验效果验证。为察哈素煤矿进一步开展村庄下固废充填采煤提供科学设计依据和技术实践经验，在西部生态脆弱区高强度开采下，通过固废资源化利用，置换村庄下煤柱并控制地表沉陷变形，从而避免村庄搬迁。

4.1 固废处理与煤柱置换

工作面3-1煤层平均采厚5.25m，充填材料选用矸石、粉煤灰、石膏、炉渣、水泥和矿井水。矸石为洗煤厂及察哈素矿井开拓掘进、采煤排放的固体废弃物，粉煤灰、石膏和炉渣为电厂燃煤排放的固体废弃物，水泥为当地生产的42.5R普通硅酸盐水泥。结合充填材料的强度、流动性等特性及现场实际条件，选择矸石(炉渣)、粉煤灰、石膏、水泥、矿井水配比为74∶2∶2∶7∶15，料浆浓度为85%，充填体在28d强度可达到3.1MPa左右，满足充填体强度设计要求。工作面设计料浆日充填量1350m3，制浆能力60m3/h，试采期间年充填量确定为40万t，产量36万t/a，可处理矸石(炉渣)27.9～29.7万t、粉煤灰0.5～1.2万t、石膏0.3～1.0万t，现场实测充填率达98%以上，可成功将该技术应用于西部生态脆弱区村庄下压煤及高强度开采产生的固废排放处置和地表沉陷控制。

首采试验成功验收后，进入生产提效阶段，在确保安全前提下，预计可达到年充填量100万t，产量90万t/a水平，可处理矸石(炉渣)69.7～74.4万t、粉煤灰1.1～3.1万t、石膏0.8～2.5万t。

4.2 地表沉陷控制

为观测地表下沉情况，沿试采工作面的主断面分别设置走向、倾向观测线。走向观测线长1050m，设置KA1、KA2、KA3，3个控制点，间距为50m，布置测点30个，测点编号A4—A33，间距为30m；倾向观测线长810m，设置KB1、KB2、KB3，3个控制点，间距为50m，布置测点23个，测点编号B4—B26，间距为30m。

根据观测，试采工作面地面沉陷测线最终下沉曲线如图8所示。由图8可知，工作面采用短壁连采连充式胶结充填开采，地面最大下沉量约为180mm，而根据31303工作面采用垮落法开采，实测地面最大下沉量约为2550mm，减少了约93%的沉降量，表明短壁连采连充式胶结充填开采对地表沉陷控制效果显著，满足对地表建筑物安全使用要求。试采成功后，可对村庄下压煤实施“规模性”不搬迁开采，解放大量滞留煤炭资源量，减少了煤炭损失，提高了资源回收率，延长了矿井服务年限，促进矿井高效、安全的可持续发展。

图8 试采区域地面沉陷测线最终下沉曲线

5 结 论

1)针对西部生态脆弱区村庄下压煤及高强度开采产生的工业固废排放处置、地表沉陷控制难题，提出了短壁连采连充式胶结充填采煤技术，实现在源头上消纳固体废弃物、置换村庄下煤柱和原态控制地表，做到固废零排放、环境低损伤和生态弱扰动，从而推动绿色矿山建设。

2)实测结果表明，试采工作面采用短壁连采连充式胶结充填开采，地面最大下沉量约为180mm，而根据邻近31303工作面地面移动变形实测经验，工作面采用垮落法开采后地面最大下沉量约为2550mm，减少了约93%的沉降量，对地表沉陷控制效果显著，满足对地表建筑物安全使用要求。

3)现场工程应用表明，该技术可成功应用于31312工作面的试采工作面，实现年充填量40万t，产量36万t/a，工作面充填率达98%以上，可处理矸石(炉渣)27.9～29.7万t、粉煤灰0.5～1.2万t、石膏0.3～1.0万t。首采试验成功验收后，进入生产提效阶段，预计可达到年充填量100万t，产量90万t/a，可处理矸石(炉渣)69.7～74.4万t、粉煤灰1.1～3.1万t、石膏0.8～2.5万t。