面向矿区生态治理的二项耦合渗流填充工艺设计

张俊文，钟 帅，梁珠擎

(兰州资源环境职业技术学院,甘肃 兰州 730020)

伴随我国煤炭工业开采深度及广度的明显加剧，矿区生态环境破坏现象日益显著，其中，又以地表沉陷而导致的水土流失、植被破坏、土地沙漠化问题及工业生产伴随出现的废水、废气、固体废物的治理问题显得尤为迫切和重要[1-2]。可以说，治理矿区生态环境，应寻找发生源头，从产生机理入手提出矿区地表沉陷及工业废弃物的综合治理技术。

矿区地表沉陷问题是由于采煤活动致使工作面上覆岩层运移破碎，覆岩自下而上伴随出现垮落带、裂隙带、弯曲下沉带的“上三带”分布，其中的弯曲下沉带发育直至地表而产生[3]。故此，地表沉陷治理重点应从提高采空区充填效果、裂隙带发育程度控制、采煤工作面技术参数优化等方面入手，缓解弯曲下沉带运移趋势，实现矿区地表沉陷治理。工业废弃物的治理问题集中体现在包括掘进活动产生的大量矸石，选煤厂洗选煤炭后的煤泥、矸石，以及发电厂排放的焦渣废物在内的固体废物治理。

可以说，地表沉陷控制及工业废弃物治理是矿区生态环境治理的关键要素，为此，本文提出二项耦合渗流填充工艺，从处理成本、治理效果、不产生二次环境破坏入手，将工业固体废物配合活化胶结技术，实现向采空区、裂隙带的渗流充填，既提高采空区、裂隙带的充填控制效果、辅助地表沉陷控制，亦解决矿山固体废物的治理难题。

1 技术背景

本文研究的领域类属煤矿绿色开采技术，针对矿区生态环境提出综合治理技术，解决当前迫切的矿区环境保护问题，以及由于覆岩移动造成的矿压显现、顶板事故治理难题[4-5]；降低工业固体废弃物处理成本，服务地方区域经济，提高矿山经济效益，增进矿区社会效益。

本文的关键技术是二项耦合渗流填充装置，装置设计思路是通过地面充填物处理系统配合井下充填管路，实现将地面工业废弃物(选煤厂的煤泥、煤矸石)二次活化处理后有针对性地送到井下采空区及围岩裂隙带，有效控制地表沉陷，从根源上治理由于地表沉陷而导致的矿区水土流失、植被破坏、土地沙漠化问题，同时处理矿区地面工业废弃物，实现矿区环境综合治理。

2 二项耦合渗流填充工艺

该工艺的关键路线：一是在开展正交实验、对比实验的基础上对填充物开展强度校核，确定煤泥、矸石、浮选尾矿与粘结药剂、水、黄泥砂浆的合理配比；二是通过实验室小试，制作填充管路物理模型，进而在模拟加压环境对渗流填充物做流体力学实验，验证填充物流动性能；三是模拟地面PM泵打压效果，确定地面PM泵的合理技术参数，以此优化渗流填充效果。

2.1 采空区充填材料

在开展填充物实验时发现，如若将发电厂及选煤厂产生的煤泥、煤矸石、浮选尾矿依据3∶4∶3的比例混合，所形成的复合材料的粘结状强度，可以满足采空区顶板控制要求。

依据上述配比制作复合材料，配合黄泥砂浆设计材料的流动性能，验证在实际管路中的流动能力时发现，如若依据3∶4∶3的比例混合，材料强度达标，但流动性能较差，出现下放顺畅、粘管的现象。故此，在煤泥3份、煤矸石4份、浮选尾矿3份的基础上加大煤泥比例，验证未降低强度指标的前提下，确定煤泥3.5份、煤矸石3.5份、浮选尾矿3份的材料配比方案。

为得到黄泥砂浆的用料比例，设计开展对比实验，在确定的材料配比方案基础上，将黄泥砂浆用量设计了与固态材料质量比为1∶11、1∶10、1∶9三次流动性对比，综合考虑用料成本、流动性能，将黄泥砂浆的用料比例定为与固体材料1∶10投放，水砂比控制在8∶1至12∶1。

2.2 裂隙带充填材料

为实现采空区、裂隙带通过填充装置同步回填的目的，采用材料强度实验、流动性能验证、充填效果对比论证等手段，发现将煤矸石二次破碎，配合煤泥、黄泥砂浆，即可实现裂隙带回填目的，为验证实验设想，将破碎煤矸石、煤泥、黄泥砂浆按不同比例混合，待干结后验证其强度，通过不同份数的对比实验，确定破碎煤矸石1.5份、煤泥5.5份、黄泥砂浆3份(水砂比控制在8∶1至12∶1。)的配比方案是技术上最可行、经济上最优越的最优方案。

此外，综合考虑混合材料的流动性能及送至裂隙带后的粘结能力和裂隙封堵效果，应在上述配比基础上增添粘结剂组分，实现粘结效果，通过数据采集、实验对比，考虑粘结能力、制备成本、材料不可有二次污染等因素，选择悬砂稠化剂作为粘结剂。

悬砂稠化剂具有以下技术优势：①具有较强脱水能力，当回填材料进入裂隙带后，在悬砂稠化剂的作用下可加快脱水速率，以此提高裂隙带的封堵效果；②作为粘结剂，可将破碎煤矸石、煤泥、黄泥砂浆形成包裹效果，降低粘管、堵管的情况；③加大了复合回填材料的整体强度。

2.3 装置设计

2.3.1 地面装置设计

依据采空区、裂隙带的充填材料，设计地面充填装置，该装置将采空区充填、裂隙带充填同步考虑，设计破碎机实现裂隙带破碎矸石制备，破碎机通过胶带输送机连接一级搅拌站。在一级搅拌站中可实现采空区回填材料的一级搅拌，并连接一级PM泵站将混合材料送至二级搅拌站，在二级搅拌站中通过与其相连的黄泥泵站向混合材料中注入一定量黄泥砂浆，搅拌完成后通过二级PM泵站由井下充填管道投放至采空区。

在进行裂隙带回填时，破碎煤矸石、煤泥先由胶带输送机送至一级搅拌站，通过一级PM泵站将混合材料送至二级搅拌站，在二级搅拌站中通过与其相连的黄泥泵站向混合材料中注入一定量黄泥砂浆，并在二级搅拌站中人工投放悬砂稠化剂，通过二级PM泵站由充填管道渗流至裂隙带，完成充填。

2.3.2 井下充填管路设计

充填管道设计为套管，内外套管在裂隙带位置设计有孔洞，通过内外套管的转动，可实现孔洞的开合，关闭孔洞即可实现采空区回填，反之，可实现裂隙带回填。在管道靠裂隙带下方设计有数控闭合开关，为控制数控闭合开关，在二级搅拌站设计有控制台，装置设计示意见图1所示。

图1 二项耦合渗流充填装置设计示意

3 结 语

本文设计的目的在于提供解决矿山环境治理难题的装置技术，在分析采空区及裂隙带充填材料的基础上，通过地面装置设计，实现制备采空区充填材料及裂隙带充填材料，通过井下充填管路设计并连接地面控制台，实现采空区及裂隙带充填材料的独立投料，提高矿区地面沉陷治理效果，并有效治理地面工业废弃物。

本研究可以达到以下三方面效果：①控制采空区覆岩运移及应力集中导致的工作面矿压问题；②控制覆岩裂隙带发育，辅助地表沉陷控制；③解决地面工业废弃物治理。