李亮 黃慶享 吳杰 左小 張偉龍 張杰 胡俊峰 楊玉玉

摘 要：為解決韓城礦區(qū)煤矸石排放引起的制約生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境惡化的矛盾，在總結(jié)煤矸石井下處理與利用方法的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述了冒落區(qū)流態(tài)化充填技術(shù)原理和優(yōu)勢，采用理論計算和瞬變電磁法探查方法，揭示了試驗工作面冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律，確定了基于“高、低位協(xié)同共充”和“空洞-空隙-孔隙”多類型殘余空間精準高效利用的冒落區(qū)流態(tài)化充填方式，并在桑樹坪二號井實施了工業(yè)性試驗，結(jié)果表明：試驗累計充填矸石漿體4 949 m³，處理矸石6 414 t，驗證了冒落區(qū)流態(tài)化充填矸石的可行性，發(fā)現(xiàn)了矸石漿體在冒落區(qū)擴散過程中存在顯著的“通道效應”，采用“高、低位協(xié)同共充”技術(shù)可顯著降低或解除“通道效應”和高效利用冒落區(qū)殘余空間，但該技術(shù)增大了鉆孔工程量，增加了充填成本，因此在工程尺度上合理確定高、低位充填鉆孔參數(shù)提出要求，進而確保達到較好的充填效果。研究成果為長壁開采冒落區(qū)矸石流態(tài)化充填技術(shù)提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：煤矸石；冒落區(qū)；殘余空間；流態(tài)化充填；漿體；擴散規(guī)律

中圖分類號：TD 823

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）05-0865-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0504開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Underground treatment of coal gangue and fluidization filling technology in caving area

LI Liang^{1，2，3}，HUNAG Qingxiang¹，WU Jie⁴，ZUO Xiao^2，3，ZHANG Weilong^{1，2，3}，ZHANG Jie⁴，HU Junfeng⁴，YANG Yuyu^2，3

（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；2.Shaanxi Coal and Chemical Industry Technology Research Institute Co.，Ltd.，Xian 710100，China；3.The National Joint Engineering Research Center of the Green，Safe and Efficient Coal Mining，Xian 710065，China；4.Shaanxi Shanmei Hancheng Mining Co.，Ltd.，Hancheng 715400，China）

Abstract：In order to solve the contradiction of restricting production and worsening ecological environment caused by the discharge of coal gangue in Hancheng mining area，

the principle and advantages of fluidized filling technology in caving area are systematically expounded by summarizing? the underground treatment and utilization methods of coal gangue.The theoretical? calculation and transient electromagnetic method are applied to reveal the residual space distribution law of the caving area in the test working face，with the fluidization filling formula of the caving area? determined，which is based on the “high and low collaborative filling” and the multi type residual space accurate efficient use of “cavity-void-pore”.An industrial test was carried out in No.2 well of Sang Shuping.The results show that the test accumulated 4 949 m³of gangue slurry and 6 414 t of gangue，which verifies the feasibility of fluidized gangue filling in the caving area.It is found that there is a significant “channel effect” in the diffusion process of gangue slurry in the caving area，and the “high and low collaborative filling” technology can significantly reduce or eliminate the “channel effect” and help to make efficient use of the residual space in the caving area，but it increases the drilling quantities and the filling cost.Therefore，it puts forward requirements for reasonably determining the drilling parameters of high and low level filling in the engineering scale，so as to ensure a better filling effect.The research results provide theoretical support for the fluidization filling technology of gangue in the caving area of longwall mining.

Key words：coal gangue；caving area；residual space；fluidization filling；slurry；diffusion law

0 引 言近年來，隨著大型現(xiàn)代化礦井建設的推進，煤礦排矸呈集中化、高產(chǎn)化和規(guī)?；陌l(fā)展趨勢，開采產(chǎn)生的矸石堆放至地面引發(fā)的環(huán)境污染問題愈發(fā)突出^[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前中國矸石累計堆放量超過60億t，形成矸石山1 500～1 700座，占地20余萬畝，且以約5億～8億t/a的排放量逐年增加^[2]。韓城礦區(qū)的煤矸石年排放量已突破100萬t，絕大多數(shù)煤矸石仍以地面堆積的方式進行處理，不但制約生產(chǎn)，而且煤矸石地表堆積對礦區(qū)生存環(huán)境和條件帶來的威脅與危害愈加嚴重。在進入“十四五”時期，能源供需格局深刻變化，《煤炭工業(yè)“十四五”高質(zhì)量發(fā)展指導意見》等文件中均指出提高煤矸石綜合利用水平，推動煤炭綠色低碳發(fā)展。不設地面排矸場、減少或杜絕矸石升井是發(fā)展低碳經(jīng)濟的必然趨勢。眾多學者和煤礦企業(yè)在源頭控制矸石排放、保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境方面亦做了大量的工作，從矸石處理與利用的眾多實踐中得出，現(xiàn)有以煤矸石發(fā)電、鋪路、制建筑材料等為主的煤矸石地面綜合處理技術(shù)已經(jīng)不能滿足礦區(qū)日益增大的煤矸石處理量的要求，僅能作為煤矸石規(guī)?；幚淼难a充技術(shù)^[2-5]。煤矸石井下充填處理技術(shù)具有處理效率高、產(chǎn)矸點就是處理點、處理集中等優(yōu)點，以綜合機械化固體充填技術(shù)和膠結(jié)充填技術(shù)為核心的處理技術(shù)應用較為廣泛，但受充填效果要求、裝備工藝及自動化程度等方面的限制，也存在投資大、成本高、工藝復雜、處理能力小等缺點，主要用于“三下”采煤^[6-11]。神東礦區(qū)已在15個礦井建成地下水庫35座，總設計儲水量達2 499.5萬m³，儲水系數(shù)一般為 0.15～0.25，這對地下采動空間進行了成功的探索和實踐^[12]。冒落區(qū)矸石流態(tài)化充填技術(shù)是地下采動空間儲廢新技術(shù)的一種，是將矸石破碎后簡單膠結(jié)或直接加水制漿泵送充填至井下已冒落采空區(qū)的新型充填技術(shù)，既滿足礦井矸石生態(tài)處理的要求，又對采空區(qū)災害治理有一定促進作用，充填工藝簡單、投資小、“采—充”工藝獨立，在低成本規(guī)模化處理矸石方向的應用前景已初步顯現(xiàn)。錢鳴高院士等通過開采后巖層移動實測，得到了巖層內(nèi)部位移曲線，并揭示了采場上覆巖層下沉規(guī)律和采空區(qū)覆巖破斷的“O型圈”形態(tài)，為精準利用采空區(qū)空間奠定了基礎(chǔ)^[13]。李興尚利用分形理論研究條帶開采冒落矸石堆體形態(tài)、空隙分布特征，并對某煤礦冒落區(qū)注漿充填量進行了預計^[14]。張宏貞通過建立覆巖空間結(jié)構(gòu)類型的殘留空洞、空隙預測模型，將采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)類型分為“匚”、“工”、“傘”型3種基本類型^[15]。胡勝勇等研究了采空區(qū)應力分布、巖石碎脹特性和垮落帶空隙率的關(guān)系^[16]。黃炳香等通過相似模擬試驗研究了冒落帶和裂隙帶的孔隙率變化規(guī)律^[17]。王建學等研究了冒落矸石空隙注漿膠結(jié)充填減沉技術(shù)的可行性^[18]。張?zhí)燔姷妊芯苛隧肥囿w充填材料粒徑對其力學性能的影響，根據(jù)Talbol理論進行連續(xù)級配設計，配制了矸石膏體漿料^[19]。古文哲等提出了煤礦固體廢棄物漿體處理的技術(shù)構(gòu)思，在龍王溝煤礦和錦界電廠進行了應用^[20]。上述研究，為矸石冒落區(qū)流態(tài)化充填技術(shù)的應用提供了良好借鑒，但是，對地下采動空間的產(chǎn)生與發(fā)展規(guī)律的研究及利用尚無系統(tǒng)性成果。基于砌體梁理論和采空區(qū)上覆巖層下沉規(guī)律，提出利用工作面冒落采空區(qū)殘余空間處理礦井矸石，研究冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律和冒落區(qū)矸石流態(tài)化充填技術(shù)，并在桑樹坪二號井開展了工業(yè)性試驗。

1 煤矸石井下處理與利用

1.1 煤矸石井下處理與利用方法西部礦區(qū)煤炭開采普遍具有采高大、單產(chǎn)高等高強度開采特點，造成采動損傷更加劇烈，加之西部礦區(qū)生態(tài)脆弱，面臨高強度開采和生態(tài)損傷劇烈與修復難的突出矛盾^[21-23]。韓城礦區(qū)位于渭北煤田東北端，屬典型的渭北黃土高原低山丘陵地貌特征，矸石地面堆積處理同樣產(chǎn)生以上問題，煤矸石的綜合利用及生態(tài)治理已是一個刻不容緩、亟待解決的問題，因此，韓城礦區(qū)煤矸石處理與利用應遵循減量化排放、源頭治理、“采—充”平衡、經(jīng)濟高效和環(huán)境效益最佳的原則?；谝陨显瓌t，礦區(qū)矸石井下處理與利用方法如圖1所示。

1.2 冒落區(qū)矸石流態(tài)化充填技術(shù)原理在煤層開采后，覆巖由下至上分別為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶?；诓蓜訐p傷空間守恒原理，提出采動損傷空間耗散分區(qū)模型^[24]如下。

V_M=V₀+V₁+V₂+V_3??? （1）

式中 V₀為地表下沉的總空間；V₁為冒落帶采動損傷耗散空間；V₂為裂隙帶內(nèi)采動損傷耗散空間；V₃為彎曲下沉帶內(nèi)損傷耗散空間。根據(jù)空間守恒原理，采動損傷總空間V_M等于煤層采出空間。冒落帶由冒落矸石組成，即使工作面充分采動后，內(nèi)部仍然殘余較大的空間，加之破碎煤巖體自身的碎脹性，使得冒落帶為采動后空間最大的區(qū)域，這些空間是隨著工作面推采動態(tài)變化的，且以空洞、空隙、孔隙等多種類型存在，稱之為冒落區(qū)殘余空間。在采空區(qū)邊界附近由于懸臂巖梁的存在會產(chǎn)生大的空洞區(qū)域，深部則主要以空隙、孔隙區(qū)域分布，并且距離開采邊界越遠，空洞、空隙、孔隙量則越小^[14-15]。煤層開采后產(chǎn)生大量的冒落區(qū)殘余空間可作全礦井矸石處理的天然空間，因此，可通過鄰近巷道在冒落帶范圍內(nèi)協(xié)同布置高位、低位充填孔進行矸石流態(tài)化充填，實現(xiàn)冒落區(qū)“空洞-空隙-孔隙”多類型殘余空間精準高效利用，即“高、低位協(xié)同共充技術(shù)”。高位孔終孔高度一般以冒落帶上限為準，水平孔終孔高度與采高一致，具體可根據(jù)地質(zhì)采礦條件調(diào)整。技術(shù)原理如圖2所示。

冒落區(qū)流態(tài)化充填系統(tǒng)布置地面或井下矸石倉、破碎站、制漿站、充填泵站及管路，如圖3所示。制備好的漿體通過泵站和管路輸送至充填作業(yè)點，利用高位鉆孔和低位鉆孔協(xié)同共充至冒落區(qū)。

2 冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律

2.1 試驗工作面概況桑樹坪二號井3305工作面采用綜合機械化放頂煤開采工藝，煤厚6 m，整體傾角為1°，工作面沿煤層傾向布置，切眼寬度165 m，可采長度870 m，可采面積143 550 m²。頂?shù)装甯艣r見表1。

2.2 冒落區(qū)殘余空間理論計算冒落區(qū)內(nèi)部的殘余空間通常是不規(guī)則的、是無序分布的。根據(jù)冒落巖塊分維數(shù)與孔隙率的關(guān)系，得到孔隙率與分維數(shù)的關(guān)系式為^[14]

式中 P為孔隙率，%；V為冒落區(qū)巖塊總體積，m³；M為冒落矸石巖塊質(zhì)量，kg；ρ₀為冒落巖塊的密度，kg/m³；r_min為巖層冒落堆體中破碎最嚴重、數(shù)目最多，尺寸最小的巖塊的直徑，m；ρ為冒落區(qū)松散堆體密度，kg/m³；D為分維數(shù)；H為垮落帶高度，m；h為開采煤層高度，m；b為開采煤層傾向長度，m；L為開采煤層走向長度，m。根據(jù)試驗工作面地層條件，結(jié)合冒落區(qū)矸石取樣觀察，工作面?zhèn)雾敿爸苯禹斴^易垮落，冒落區(qū)矸石中泥巖、砂質(zhì)泥巖、細砂巖的破碎較嚴重，如圖4所示。根據(jù)工作面冒落區(qū)殘余空間“空洞—空隙—孔隙”分布規(guī)律，將采空區(qū)按頂板巖層冒落量及矸石密積程度劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ區(qū)。根據(jù)Menger海綿分形模型，計算得出冒落區(qū)矸石的統(tǒng)計分維值D為

2.765，則由式（2）計算可得Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ區(qū)對應孔隙率分別為：32.6%，20.27%，12.33%，8.60%。

采空區(qū)孔隙體積主要分布在冒落區(qū)，對孔隙率由冒落帶在垂直方向上積分得空間滯留高度^[25]。

式中S為工作面面積，m²；h_v為滯留高度，m；V_c為冒落區(qū)殘余空間體積，m³。將計算得到的冒落區(qū)孔隙率代入式（7）中可得滯留高度在冒落區(qū)不同位置分別為：2.47，1.54，0.94，0.65 m。理論計算整個試驗工作面冒落區(qū)殘余空間體積約為200 970 m³，占整個采空區(qū)體積比為23.3%，以冒落區(qū)走向方向單側(cè)長度1 m內(nèi)的料漿充填量用延米充填量表征，則冒落區(qū)單側(cè)延米充填量為97.1 m³。

2.3 冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律探查采用瞬變電磁法對試驗工作面鄰近的3307工作面冒落區(qū)進行殘余空間地表電法探查，該工作面已回采完畢，地質(zhì)采礦條件與3305試驗工作面基本一致。依據(jù)實際地形和實地踏勘情況，在3307工作面設計瞬變電磁主測線21條，在主測線附近布置旁測線23條，瞬變電磁測線合計44條，瞬變電磁物理點合計1 806個，探測直徑按D=H/10圈定，實際探測總面積40 484.5 m²，測點布置及探測范圍如圖5所示。

探測得出所有瞬變電磁測線（TMP-Z1～ TMP-Z21，TMP-P1～ TMP-P23）的視電阻率斷面成果圖，圖6為測線TMP-Z14，TMP-Z19瞬變電磁視電阻率斷面成果。

根據(jù)采空區(qū)頂板“O-X”破斷規(guī)律，選取工作面南半?yún)^(qū)為代表研究區(qū)，提取所有測點250 m高程位置的視電阻率值，并根據(jù)總探測范圍，繪制工作面250 m深度位置視電阻率切片成果如圖7所示，3307工作面地質(zhì)解譯如圖8所示。根據(jù)工作面地質(zhì)解譯平面圖，對研究區(qū)內(nèi)已推斷異常區(qū)規(guī)模進行統(tǒng)計如下：推斷空區(qū)（含水）異常區(qū)域共4處，總面積約為3 785.0 m²，占比約15.81%，推斷空區(qū)（不含水）異常區(qū)域共5處，總面積約為1 847.2 m²，占比約7.72%。針對瞬變電磁法探測原理、探測設備以及成果解譯過程中對第四系覆蓋層、基巖層、煤層、含水空區(qū)、不含水空區(qū)的異常識別特征文中不再贅述。

根據(jù)上述異常區(qū)分布規(guī)律可知，冒落區(qū)殘余空間多集中在邊界附近，形態(tài)符合“O”形圈分布規(guī)律，實際探測到的冒落區(qū)殘余空間面積占整個研究區(qū)的23.5%，探測結(jié)果為精準利用冒落區(qū)殘余空間提供了指導。

3 現(xiàn)場充填試驗

3.1 工藝流程本次試驗采用在相鄰巷道跨煤柱施工充填鉆孔對試驗工作面冒落區(qū)進行注漿充填。為簡化試驗流程，試驗所用矸石漿體均在商混站配制后罐車輸送至地面泵站，經(jīng)下料斗二次攪拌后通過工業(yè)充填泵泵送至井下充填鉆孔充填冒落區(qū)。試驗采用KOS25100HP工業(yè)充填泵，最高泵送壓力14 MPa，最大輸送量150 m³/h，充填主管路為DN245×22Q345B（16 Mn），總長1 840 m，總高程差約175 m。現(xiàn)場充填試驗工藝流程如圖9所示。

3.2 充填材料選擇為了提高冒落區(qū)殘余空間的利用率，需將矸石破碎到一定粒徑級配作為骨料，并按比例配制

成具有流動性好、擴散能力強、泌水率小的漿體。

試驗矸石的破碎粒徑＜3 mm，粒徑占比如圖10所示。

充填試驗選用H-2，S-1和Y-1共3種配比漿體，所選用漿體矸石占比大、泌水率小、成本低，但因矸石參量不同，不同配比漿體的流動性和擴散能力有差異。為避免堵管，試驗添加一定量的添加劑，同時配置灰漿用于充填前后潤管，漿體配比參數(shù)及特點見表2。

3.3 充填鉆孔設計依據(jù)礦井前期研究成果，3#煤層覆巖冒落帶高度為21～26 m?；谠囼灩ぷ髅婷奥鋷Ц叨劝l(fā)育規(guī)律，設計高位孔如下：高位孔布置5#，6#，7#共3個，間距6 m，仰角分別為31°，45°，40°，實際施工孔深分別是18，20，40 m，終孔高度分別為15.3，20.1，31.7 m，終孔位置與煤柱水平距離為5.1，2.6，19.1 m。為充分考察漿體擴散規(guī)律，低位水平充填孔布置1#，2#，3#，12#，13#共5個，間距12，15 m，用12#，13#，4#水平孔兼作應急廢料孔，充填鉆孔布置如圖11所示。

3.4 試驗結(jié)果分析試驗持續(xù)時間15 d，合計充填漿體4 949 m³，處理矸石約6 414 t。其中，高位孔充填2 421 m³，低位孔充填漿體總體積為

2 545 m³，各充填孔試驗充填量見表3。

通過試驗數(shù)據(jù)分析，得出了以下結(jié)論。

1）2#水平孔充填全過程孔口無壓力，平均流量為120 m³/h，回撤通道有少量漿體溢出，

擴散距離為42 m，表現(xiàn)出無壓階段持續(xù)時間長、流量大的特點，主要以走向方向無壓淌流式擴散為主。

2）5#高位孔首次充填1 063 m³，充填起始階段壓力有小微波動，二次充填漿體累計2 183 m³時孔口壓力仍未出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，充填期間13#平孔有少量水析出，漿體的實際擴散距離約為47 m，相比而言，高位孔充填覆蓋冒落區(qū)垂向空間大，更利于漿體水平方向擴散以及冒落區(qū)多類型殘余空間的精準高效利用。

3）12#，13#低位孔受鄰近2#，5#孔充填的影響，充填量偏低，漿體沿傾向向深部擴散的動力不足，深部殘余空間利用較低，結(jié)合2#，5#孔充填過程處于無壓狀態(tài)的特點，試驗發(fā)現(xiàn)漿體擴散存在“通道效應”，即漿體在擴散過程中，普遍會選擇阻力最小的“空洞”區(qū)域擴散。通過高位孔、低位孔協(xié)同可顯著降低或解除“通道效應”和高效利用冒落區(qū)殘余空間，但增大了鉆孔工程量，因此對工程尺度上合理確定高、低位充填鉆孔參數(shù)提出要求。

4）通過冒落區(qū)高、低位充填孔均可以安全高效充填矸石漿體，試驗得出本次試驗工作面冒落區(qū)單側(cè)的延米充填量為31.9～58.9 m³。由于試驗區(qū)為整個冒落區(qū)的一部分，相當于無封閉邊界約束，無壓充填漿體呈椎體形態(tài)擴展，在采用單孔充填時，存在孔口正下方漿體堆積厚度較大、兩側(cè)漿體則較薄的特點，因此，本次試驗冒落區(qū)殘余空間未完全利用，實際延米充填量低于理論延米充填量。

4 結(jié) 論

1）指出韓城礦區(qū)煤矸石處理與利用應遵循減量化排放、源頭治理、“采-充”平衡、經(jīng)濟高效和環(huán)境效益最佳的原則，基于冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律揭示冒落區(qū)矸石流態(tài)化充填技術(shù)原理。

2）根據(jù)冒落巖塊孔隙率與分維數(shù)關(guān)系，結(jié)合冒落區(qū)殘余空間的分區(qū)特性，得出試驗工作面理論預計殘余空間占采空區(qū)體積比約為23.3%。同時采用瞬變電磁法對試驗工作面冒落區(qū)殘余空間分布規(guī)律進行了地表探查研究，推斷研究區(qū)內(nèi)空區(qū)（含水）異常區(qū)域4處，推斷空區(qū)（不含水）異常區(qū)域5處，實際探測到的冒落區(qū)殘余空間面積占整個研究區(qū)的23.5%，探測結(jié)果為精準利用冒落區(qū)殘余空間提供了指導。

3）工業(yè)性試驗驗證冒落區(qū)高、低位充填孔均可以安全高效充填矸石漿體，總結(jié)了高、低位充填孔充填的工藝特點，得出試驗工作面冒落區(qū)單側(cè)的延米充填量為31.9～58.9 m³。研究成果為韓城礦區(qū)大規(guī)模低成本處理矸石奠定了空間容量設計依據(jù)。

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