張偉龍，劉 剛

(1.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011；2.神東煤炭集團(tuán)公司神東煤炭技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315；3.北京低碳清潔能源研究院，北京 100000；4.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 102211)

0 引言

我國近30年來經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展離不開能源的穩(wěn)定供應(yīng)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，1989—2019年我國累計(jì)消耗768億t標(biāo)煤能源，其中煤炭占69.0%，石油占19.2%，天然氣占3.6%，非化石能源占8.2%。貧油、少氣、富煤的能源結(jié)構(gòu)是我國的基本國情。至2050年，煤炭在我國一次能源結(jié)構(gòu)中的比重會(huì)持續(xù)下降，但是還將會(huì)達(dá)到50%左右，煤炭消費(fèi)總量保持在30億噸左右。在煤炭開采和洗選過程中會(huì)產(chǎn)生一定比例的煤矸石，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國煤矸石累計(jì)堆放量超過70億t[1]，按照10%～15%的排矸率計(jì)算，2050年當(dāng)年我國仍有3～5億t煤矸石產(chǎn)生[2]，在我國西北分布多、東南少。

1 煤矸石特性

煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢物，是成煤時(shí)期與煤伴生的低碳巖石，主要包括巷道掘進(jìn)矸石，洗煤作業(yè)時(shí)洗選出來的煤層頂板、底板及煤層夾層中的矸石。煤矸石含碳量約為20%～30%，其他成分是Al2O3、SiO2以及少量的 MgO、Na2O、Fe2O3、CaO、K2O、SO3和稀有元素等微量成分。煤矸石中含有的有用礦物成分有煤、硫鐵礦等。煤矸石的排放對礦區(qū)周邊環(huán)境造成了巨大的負(fù)面影響，填埋處置不當(dāng)導(dǎo)致土地貧瘠化、鹽漬化、荒漠化；煤矸石產(chǎn)生的淋濾液含有大量有毒有害物質(zhì)，滲入地下水后造成地下水水質(zhì)和水生態(tài)環(huán)境破壞；煤矸石自燃時(shí)也會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體污染環(huán)境等。神東煤炭集團(tuán)保德煤礦煤矸石化學(xué)成分、煤矸石中重金屬元素含量見表1和表2。

表1 保德煤礦煤矸石化學(xué)成分分析

表2 保德煤礦煤矸石中重金屬元素含量

2 煤矸石利用

2.1 煤矸石常規(guī)利用

煤矸石的利用用途比較廣，用于土地復(fù)墾、建筑材料、化工原料、充填、發(fā)電以及提取煤矸石中有用的礦物質(zhì)等。對于一些資源緊缺型礦井為了提高企業(yè)效益采用了各種方式從煤矸石中提取有用礦物。劉峰等[5]對煤矸石中的料石和瓷石進(jìn)行了提取，其純凈度達(dá)到 95%以上。陳選等[6]采用從煤矸石中精選硫精礦，累計(jì)回收硫精礦超過50萬t。丁海萍等[7]采用復(fù)合式干法選煤，從煤矸石中回收了大量的低熱值煤。利用煤矸石中含有的頁巖、黏土等成分可以制磚、混凝土、水泥等建筑材料[711]。煤矸石可制成相比于天然砂具有細(xì)度模數(shù)可控、黏合度和抗壓性好、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)的機(jī)制砂，用于鐵路、公路、建筑等[12]。馮劍等[13]以煤矸石為主要原材料生產(chǎn)出了陶粒，并對其對混凝土影響進(jìn)行了研究，得出通過預(yù)濕、憎水處理得到的陶?；炷量蛇m當(dāng)改善混凝土的流動(dòng)性，有望取得兼具流動(dòng)性能、強(qiáng)度的高性能混凝土。管艷梅等[14]以磷渣和煤矸石為原料經(jīng)高溫熔融制備出基礎(chǔ)玻璃，研究基礎(chǔ)玻璃與外摻磷渣間的比例關(guān)系對建筑微晶玻璃性能的影響，實(shí)現(xiàn)廢棄磷渣和煤矸石資源利用最大化。馮榮等[15]以煤矸石為主要原料，通過超微細(xì)化，發(fā)泡控制、溫度場調(diào)控、多層燒成的技術(shù)手段，制備了發(fā)泡陶瓷，制作工藝成本低，產(chǎn)品綠色環(huán)保、性能優(yōu)異。穆克漢等[16]對利用煤矸石粉作為樹脂錨固劑的填料進(jìn)行了研究，得出在煤矸石粉摻量為20%時(shí)對樹脂錨固劑的性能基本沒有影響。煤矸石中含有高嶺石、伊利石等黏土礦物，為以硅鋁酸鹽礦物為主要原料的化工品的合成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)?？椎马?、郭振坤等[1718]以煤矸石為原料，通過活化、除雜、晶化等工藝成功地合成出了結(jié)晶度高和晶形完整的4A分子篩。郭俊生[19]通過對煤矸石進(jìn)行焙燒、粉碎、酸提取、鋁粉置換等流程，制得了PAC，并對其凈水效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，凈水效果良好。王應(yīng)蘭等[20]利用從煤矸石中分離出來的高效解磷菌解離煤矸石制備肥料，通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用制備煤矸石肥料有效提高了植物根際土壤中的破解氮含量。

2.2 煤矸石新型利用

煤矸石多渠道利用途徑能夠消耗一定量的煤矸石，但目前來說處理量少，轉(zhuǎn)化資源利用成本太高，存在的問題也比較突出，如煤矸石容易導(dǎo)致次生災(zāi)害、使用量有限、加工能耗高、受運(yùn)輸及地理區(qū)域等因素限制。因此，煤矸石的大宗利用依舊得結(jié)合煤礦自身的特點(diǎn)，近幾十年有些煤礦以抑制開采沉陷為目的開展了煤矸石地下充填的嘗試，在減少地面沉陷的同時(shí)也為煤矸石的大宗利用提供了有宜嘗試。

煤矸石地下充填主要分為采空區(qū)充填和離層區(qū)注漿充填。采空區(qū)充填是將煤矸石以各種方式充入采空區(qū)，通過充填材料對頂板的支撐作用控制地表沉陷，同時(shí)也減少了煤矸石對環(huán)境的負(fù)面影響。但是該方法也存在著前期投入資金大、效益低、影響井下煤炭回采速度、增加工序復(fù)雜程度等問題[21]。離層區(qū)注漿充填技術(shù)是傳統(tǒng)注漿開采技術(shù)與條帶開采技術(shù)的結(jié)合。該技術(shù)是將高壓漿液通過地面或井下施工的定向或者非定向鉆孔注入離層區(qū)內(nèi)，達(dá)到壓實(shí)離層區(qū)下面導(dǎo)水裂隙帶與支撐上覆巖層從而抑制開采沉陷的目的。該技術(shù)具備前期投入低、成本低、煤炭的采出率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。各種常見充填開采工藝具體優(yōu)缺點(diǎn)見表3。

表3 充填開采工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比

2.3 離層區(qū)注漿充填技術(shù)

離層區(qū)注漿充填技術(shù)是在巖層運(yùn)動(dòng)中的離層現(xiàn)象和及相關(guān)規(guī)律的研究中發(fā)展起來的[22]，主要包括煤矸石預(yù)處理，確定注漿層位、注漿壓力、注漿濃度，確定鉆孔布置等。該技術(shù)最早在波蘭研究并試驗(yàn)應(yīng)用，我國撫順老虎臺煤礦引進(jìn)該技術(shù)并取得了較好的效果[23]。20世紀(jì)90年代徐莊煤礦進(jìn)行了離層注漿充填試驗(yàn)；同期，東灘煤礦也進(jìn)行了離層注漿充填試驗(yàn)，這是我國第1次在放頂煤條件下進(jìn)行的工程試驗(yàn)；21世紀(jì)初唐山煤礦進(jìn)一步開展了試驗(yàn)工作，開展了多層注漿試驗(yàn)工程；此外，華豐煤礦、龍泉煤礦、門克慶煤礦、夏店煤礦等煤礦也開展了離層區(qū)注漿試驗(yàn)。

煤矸石預(yù)處理：目前注漿充填材料多以粉煤灰為主，主要原因是粉煤灰本身粒度小，作為注漿充填材料時(shí)不需要額外處理，應(yīng)用成本低。把煤矸石作為充填材料需要經(jīng)過特定工序，使其粒度符合要求后即可使用。煤矸石預(yù)處理包括破碎機(jī)、制砂機(jī)破碎，球磨機(jī)研磨粉碎等。

注漿層位選擇：注漿層位的選擇是注漿充填工程能否達(dá)到預(yù)期效果的關(guān)鍵因素之一。注漿層位選擇偏高，在注漿壓力作用下，無法壓實(shí)下面的冒落帶與裂隙帶；注漿層位選擇偏低，漿液可能進(jìn)入導(dǎo)水裂隙帶中，沿導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入工作面的漿液會(huì)對正常回采造成影響。

確定注漿壓力：注漿壓力對于主注漿層位的形成和地表控制效果非常重要。注漿壓力偏大，則可能導(dǎo)致地表抬升，會(huì)對建筑物造成損壞；注漿壓力太小，則無法有效的支撐上覆巖層、壓實(shí)下部冒落帶和裂隙帶，導(dǎo)致地面建筑物破壞，減少煤矸石的注入量。

注漿材料濃度：材料濃度的確定會(huì)影響到泥漿流動(dòng)性等一系列性能。如果漿液濃度過高，漿液流動(dòng)性變差，需要更大功率的泵才能送至指定位置。更嚴(yán)重的是，泥漿可能堵塞鉆孔導(dǎo)致整個(gè)注漿工程停滯。如果漿液濃度偏低，其流動(dòng)性雖會(huì)增強(qiáng)，但單位漿液中所攜帶的注漿材料量會(huì)減少，從而降低灌漿工程的效率。

鉆孔位置設(shè)計(jì)：鉆孔位置的確定需要從注漿目的(保護(hù)地面建筑物或者煤矸石處理)、鉆孔布置方式、鉆孔間距、施工地點(diǎn)(地面或者井下)等方面進(jìn)行確定。為實(shí)現(xiàn)煤矸石的有效大宗利用，應(yīng)該充分發(fā)揮離層區(qū)注漿充填技術(shù)的優(yōu)勢，在地表建(構(gòu))筑物需要保護(hù)時(shí)嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行注漿作業(yè)，保證注漿效果，嚴(yán)格控制地面沉陷量。當(dāng)以需要處理大量矸石而不涉及或很少涉及地表建(構(gòu))筑物保護(hù)時(shí)，在不影響正常采煤作業(yè)的情況下，盡可能充填更多的矸石。充填工藝也不再以保證充填效果為主，而是當(dāng)一個(gè)步距采煤作業(yè)完成需要移架時(shí)，不再考慮矸石的充填量，及時(shí)完成移架作業(yè)，保證正常采煤生產(chǎn)，從而有更多的充填空間處理矸石。

3 結(jié)語

離層區(qū)注漿技術(shù)相比于傳統(tǒng)的解決方案，克服了原料與市場距離遠(yuǎn)、使用成本高、消耗量小等問題，解決了煤矸石大宗利用的問題，減少了煤矸石肆意排放對生態(tài)環(huán)境的影響。同時(shí)在該技術(shù)利用時(shí)也存在一些問題需要日后進(jìn)一步研究。一是，淺埋深、大采高工作面回采后導(dǎo)水裂隙直接貫通地表，覆巖離層發(fā)育不好，導(dǎo)致在采用該技術(shù)時(shí)存在無空間可注的困境，日后應(yīng)該進(jìn)一步研究在淺埋深、大采高條件下離層區(qū)發(fā)育規(guī)律或者采用更加優(yōu)化的采礦方式使得不影響采煤效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)煤矸石的資源化利用。二是，煤矸石作為注漿材料注入離層區(qū)后析出的水在各種壓力作用下存在沿著導(dǎo)水通道進(jìn)入采礦空間的情況，容易產(chǎn)生次生災(zāi)害；應(yīng)該研究煤矸石注漿材料添加劑，降低其沁水導(dǎo)致危害的風(fēng)險(xiǎn)。三是，離層注漿作業(yè)需要大量的水資源作為注漿材料的載體，但是中國北方多數(shù)礦區(qū)(例如西北)嚴(yán)重缺水，有些連生產(chǎn)用水都難以保障；鑒于注漿作業(yè)對水質(zhì)要求不高，可以借鑒發(fā)展地下水庫技術(shù)，將生產(chǎn)用水和礦井涌水蓄積到地下水庫中備用，實(shí)現(xiàn)有限水資源的最大化重復(fù)利用。