基于绿色开采理念的覆岩离层注浆充填技术研究

王小军

(中煤地生态环境科技有限公司, 北京 丰台 100071)

新型覆岩离层注浆是一种有效控制地表沉降,保护含水层,防止冲击地压,释放压覆煤炭资源的绿色开采技术。钱鸣高等[1-2]首次提出绿色开采的概念,其内容包含建筑物下开采与离层注浆减沉;许家林等[3]构建的绿色开采技术体系中提到减沉开采,目的是为了取得更大的经济、环境和社会效益;朱卫兵等[4]提出了“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术,并将该技术应用于淮北某矿,利用煤矸石破碎制粉和粉煤灰混合作为骨料充至离层区,实现了绿色采煤;刘建功等[5]表明实施充填开采消除了矸石对生态环境的污染,并取得了良好的生态和社会效益;韩磊[6]指出覆岩离层注浆充填作为绿色开采方式之一,不仅可规模化消纳煤矸石、粉煤灰等煤基固废,还能有效控制地表沉降。

研究表明[7-9],离层注浆技术在国内“三下”开采应用较为广泛,是一种高效低成本采煤技术;是一种有效消纳粉煤灰、煤矸石等大宗废弃物的新型绿色开采技术,通过固废无害化及规模化处置方案,实现了资源开采与环境治理的协调发展。新型覆岩离层注浆的应用与推广对于推进绿色矿山生态文明建设具有创新性,具有广阔的前景。本文在已有研究基础上,通过分析特殊地层离层注浆技术原理,对注浆工作面埋深较大;覆岩主关键层厚度较大,在200 m左右及以上,且岩性非常坚硬;注浆层位间隔导水裂隙带安全距离需大于6倍采高;注浆区域无明显断层等特殊地层实施覆岩离层注浆技术进行研究。

1 固废充填材料概况

目前,堆存和填埋仍然是粉煤灰和煤矸石的主要处置方式,且尚未大规模利用,长期堆积不仅占用大量的土地,而且其中的有害物质经雨水冲刷浸入地表,对周围水资源和土壤环境造成严重影响。当前我国粉煤灰和煤矸石等固废资源化利用主要集中于水泥、混凝土等建筑材料。

十部委联合印发的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》明确指出,要提高大宗固废资源利用效率,拓宽粉煤灰、煤矸石等大宗固废利用途径,如何规模化、无害化处理固废也是目前亟需解决的问题。

2 覆岩离层注浆充填机理

注浆的本质是为了消纳矸石、粉煤灰等固废,而能否注浆取决于可注空间,可注空间即为覆岩离层的形成,注入量多少即为可注空间大小。离层是工作面开采过程中,岩层由下向上层层剥离或卸荷,在岩层层面产生拉、剪破坏后出现的力学现象。

垂直方向上,离层位置动态变化,其产生位置易发点往往是相邻岩层互层,当下位岩层属于软弱岩层,而上位相邻岩层为硬岩层或者中硬岩层时,下位岩层就会从上位岩层中逐渐剥离开来,岩层结构发生拉剪破断,起到卸荷作用,而此时上位岩层承担剩余绝大部分载荷,支承结构称为覆岩关键层结构,下方被剥离开来的那部分空间即为离层空间。

当上、下位岩层均为硬岩或中硬岩层,而中间岩层为软弱岩层时,随着工作面推进,下位岩层逐渐悬露,当悬露面积达到一定值,悬露段岩层首先破断下移,中间软弱层在垂直方向无法支撑呈铰接结构,相继破断下移,此时,上位岩层又起到支撑上覆载荷作用,岩层下方剥离开来的那部分空间又为离层空间。

以此类推,覆岩直至破断运移到厚且坚硬的主关键层下方形成离层空间,将地面制好的浆液以“泵送+管路”的形式注入离层空间,既起到消纳矸石的作用,又起到承载上覆岩层载荷,对井下工作面安全开采具有重大意义。覆岩离层注浆充填关键层阶段破断原理示意图见图1.

图1 注浆关键层阶段破断示意图

由图1可知,离层空间位置处于动态运移状态,且离层空间属于弹性空间,并非一成不变,离层下方岩层受自重破碎挤压呈弱铰接,为了能够有效消纳矸石,在泵送注浆系统运行时,可适当加大注浆压力,促进裂隙发育,压实采空区,从而增大注浆充填量以及注采比。互层岩层中,离层因覆岩关键层而存在,随着工作面的推进,离层量不断增加,最大离层量位于采空区中部,随着离层位置向上发育,离层空间逐渐减小,主要与岩层碎胀有关,故在保证井下生产安全的条件下,注浆层位越靠近煤层,越有利于注浆。主关键层初次破断前的离层量大,易于注浆充填;而一旦关键层初次破断后,关键层下离层量明显变小,缩小为初次破断前的25%～30%,注浆难度也随之加大。因此,离层注浆必须在主关键层初次破断前进行。

3 注浆可行性分析

优越的地质条件是注浆施工的基础,如地质构造简单,地形高差起伏较小,地面建筑物较少,注浆区域无断层,注浆工作面埋深较大,基岩厚度大等,除此以外,充填材料的选取和供求、浆液浓度的大小及离层空间发育也是注浆所需基本条件。

1) 充填材料。

覆岩离层注浆材料有煤矸石、粉煤灰、煤泥、矿井水等,充填材料量的充足与否直接关系到注浆的可行性。

2) 浆液浓度。

浆液水灰比的把控需要在正式注浆前进行试验分析,浆液浓度过稀,水灰比越大,浆液进入离层空间后凝结时间越长,抗压强度较小,对上覆岩层起不到承载作用;浆液浓度过稠,水灰比越小,浆液进入离层空间后凝结时间越短,抗压强度较大,对上覆岩层起承载作用,但对于浆液管道输送环节有很大影响,尤其是针对远距离输浆工程。因此,合理的浆液浓度有利于注浆施工。

3) 离层空间。

离层空间即为浆液最终储存地,空间大小受采高和结构互层影响,采高是直接导致覆岩地层在垂直方向的剥离程度,互层结构的存在使得离层随着工作面推进而动态发育,工程实践中,为保证注浆效果及注浆量,需注浆工作面采高较大。离层注浆位置示意图见图2,当工作面采高较大时,覆岩主关键层与下部软弱层结构互层,离层便会形成。

图2 离层注浆位置走向示意图

4) 主关键层。

随着工作面开采,覆岩呈现周期性破断,如前文所述,当主关键层厚且坚硬,此时相邻软弱层便会首先破断,离层发育到主关键层下方时刻,主关键层形似“板状”起到“承载”作用,离层空间处于自由状态,此时注浆为最佳时机。

4 注浆关键性要素

1) 注浆层位。

覆岩离层注浆技术要求注浆层位位于导水裂隙带上方,覆岩主关键层下方互层层位,《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中规定了导水裂隙带的经验计算公式,其导水裂隙带高度应以实测为主。在导水裂隙带之上并留设5倍采高的保护厚度,防止注浆区域导通采空区。

2) 注浆压力。

注浆充填压力的设定。注浆压力应大于注浆充填层位以上地层的自然地压。注浆压力表示为:

P注≥P地

(1)

式中:P注为注浆充填压力,MPa;P地为注浆充填层以上地层自然压力,MPa.

注浆充填钻孔孔口的注浆压力P孔:

P孔=H注(γ-γ1)

(2)

式中:H注为地表到注浆充填层位的距离,m;γ为注浆充填层以上地层的综合比重,g/cm3;γ1为充填浆液的比重,g/cm3.

3) 注浆时机。

工程经验表明,离层充填时机应在选定的关键层下方开始产生离层时进行,离层空间随着煤层的开采逐步形成,离层注浆充填应紧跟回采工作面,保证关键层不断裂,防止离层空间压实闭合,保证注浆空间。当钻孔产生离层裂隙时即开始注浆。离层的实时监测主要依靠水压监测,通过压水试验统计水压变化从而判断离层的产生时机,水压监测在注浆前进行,当水压骤降幅度较大,说明离层已经形成,当水压骤降值接近为0 MPa时,开始注浆。

注浆时机也可依据滞后影响距离来判断离层形成。根据岩层移动破断角、煤层埋藏深度和钻孔深度,计算滞后影响距离,岩层破断角大小与煤层厚度(采高)、开采距离、覆岩岩性、岩层破断距等有关,注浆时机确定方式如下:

L1=H-H注-M

(3)

(4)

式中:L1为注浆层位与煤层顶板的垂直距离,即垂距,m;H为地表距离煤层底板埋深,m;M为工作面煤层厚度,即采高,m;L2为工作面煤壁与注浆钻孔水平间距,即滞后距,m;β为岩层破断角,(°).

稳妥考虑注浆效率,注浆时机段应为滞后影响距离最小时,越利于注浆。当岩层规律破断时,岩石移动角按照65°～85°进行理论计算,如遇岩层发生整体切落情况,岩层移动角按照89°进行理论计算,工作面与注浆钻孔空间位置分布见图3. 因注浆时机与工作面开采位置相关,图3仅代表工作面开采位置与注浆钻孔空间位置的分布,滞后距指的是在垂直方向上,沿着工作面推进方向,工作面当前位置与注浆钻孔的水平距离,而实际注浆时机具体确定方法应参考所列公式。

图3 工作面与注浆钻孔空间位置分布示意图

5 注浆工程实践与应用

石拉乌素煤矿位于鄂尔多斯市呼吉尔特矿区东北部,矿井设计生产能力1000万t/a,核定生产能力为800万t/a. 据调查,2018-2022年,煤矸石平均年产量100万t,为积极响应当地固废处置,加快推进绿色生态建设,采用覆岩离层注浆充填技术进行煤矸石处置,首注面为1208综放工作面。

1208工作面煤厚9 m,位于221采区中南部,属2-2煤层。工作面长289 m,胶运顺槽推进长度3 243.7 m,辅运顺槽3 233.7 m,平均3 238.7 m,工作面采用走向长壁采煤法,综采放顶煤工艺开采,工作面标高+685.4～+697.8 m,平均+691.6 m,工作面上方地面标高+1 337.9～+1 355.9 m,平均+1 346.9 m.2-2煤层顶板岩性以砂质泥岩为主、砂岩次之,底板岩性以砂质泥岩为主,局部为泥岩,采区无断层分布,工作面导水裂隙带高度约为225 m,主关键层为厚度295.16 m的细粒砂岩,主关键层和亚关键层均与下方紧邻岩层互层,离层较为发育。

该项目系统设计矸石处置能力150万t/a,注浆能力270 m3/h,采用两级注浆站注浆,一级注浆站主要为制浆系统,浆液密度为1.30～1.42 kg/m3,二级注浆站起到中转输浆作用,通过“泵送+管路”的方式,将浆液注入钻孔,泵送能力最大100 m3/(h·台),首注1208工作面现已施工注浆钻孔6个,注浆钻孔布置见图4.

图4 注浆钻孔布置图

注1孔正式注浆时机为滞后距20.4 m,压水试验时流量80～90 m3/h,持续压水30～60 min,该孔对应泵压和孔压均接近0 MPa,此时判断为注浆时机;注2孔正式注浆时机为滞后距27.6 m,注3孔正式注浆时机为滞后距36.5 m,注浆时机判断均和注1孔类似,注1、2、3孔同时注浆。

2022年11月正式开始注浆截止到2023年5月,累计处置煤矸石约59万t,累计注入浆液122万m3,煤矸石日处理量最大可达4700 t,按照每年煤矸石处置110万t计划,现煤矸石处置率将近53.6%,实现了固废消纳,减少了煤矸石堆存,节约了外排费用,缓解了地表沉降。通过地表沉降数据分析,注浆区域较非注浆区域地表沉降速度明显降低,在注浆区域,地表下沉速度为0.8～1.2 mm/d,较非注浆区域减少80%～87%,有效改善了地表沉降,保护了地表水资源的流失,实现了工作面同采同注,释放了煤炭资源,对当地生态环境保护建设起到积极的效应,该项目现为内蒙古自治区矿山建设的示范工程。

6 注浆社会效应

1) 减征资源税。

国家税务总局发布的《关于实施煤炭资源税改革的通知》中明确指出,对衰竭期煤矿充填开采置换出来的煤炭减征资源税50%.鼓励煤炭企业提高资源回采率,保护矿区生态环境。

2) 控制地表沉降。

通过离层注浆,使得覆岩离层空间再次被充填压实,起到支撑上覆岩层载荷作用,有效控制了注浆层位上部岩层对下部的载荷传递,缓解了地表沉降速率。

3) 消纳矿井固废。

矿井开采必然产生固废,包括煤矸石、粉煤灰、矿井废水、废渣等,随着绿色矿山生态文明建设的号召,矿井固废“从哪里来,回哪里去”的原则已在全国各地实行,其中山西、陕西、内蒙古自治区地区应用较为广泛。

4) 保护生态环境。

各地政府坚持生态优先,绿色发展的原则,认真贯彻落实资源与环境相协调工作,离层注浆工程的应用及实施,推进了绿色矿山生态文明建设步伐,实现了绿色开采,同时避免了固废外排影响矿区周边土壤土质,减小了地表水流失。

7 结 语

1) 通过系统阐述覆岩离层注浆充填机理,建立了覆岩离层注浆关键层阶段破断基本模型,揭示了覆岩离层空间动态运移特征。

2) 覆岩离层注浆充填技术可行性应综合考虑充填材料、浆液浓度、离层空间、主关键层等因素,其中主关键层厚且坚硬,与下部岩层结构互层是注浆空间形成的关键。

3) 注浆层位确定、注浆压力的计算、注浆时机的掌握对于覆岩离层注浆施工及应用至关重要,而注浆时机要根据现场实际注浆生产情况实时调整。

4) 提出了一种注浆时机以“滞后距”为依据的确定方法,该方法适用于特殊地层条件注浆,为类似矿井注浆生产提供理论依据。

5) 覆岩离层注浆技术有效解决了矿井大宗固废的外排问题,该技术的创新与完善对未来更好更全面地服务于绿色矿山发展和生态文明建设具有重要意义。