張俊文，鐘 帥，梁珠擎

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730020)

伴隨我國(guó)煤炭工業(yè)開(kāi)采深度及廣度的明顯加劇，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞現(xiàn)象日益顯著，其中，又以地表沉陷而導(dǎo)致的水土流失、植被破壞、土地沙漠化問(wèn)題及工業(yè)生產(chǎn)伴隨出現(xiàn)的廢水、廢氣、固體廢物的治理問(wèn)題顯得尤為迫切和重要[1-2]?？梢哉f(shuō)，治理礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，應(yīng)尋找發(fā)生源頭，從產(chǎn)生機(jī)理入手提出礦區(qū)地表沉陷及工業(yè)廢棄物的綜合治理技術(shù)。

礦區(qū)地表沉陷問(wèn)題是由于采煤活動(dòng)致使工作面上覆巖層運(yùn)移破碎，覆巖自下而上伴隨出現(xiàn)垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的“上三帶”分布，其中的彎曲下沉帶發(fā)育直至地表而產(chǎn)生[3]。故此，地表沉陷治理重點(diǎn)應(yīng)從提高采空區(qū)充填效果、裂隙帶發(fā)育程度控制、采煤工作面技術(shù)參數(shù)優(yōu)化等方面入手，緩解彎曲下沉帶運(yùn)移趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地表沉陷治理。工業(yè)廢棄物的治理問(wèn)題集中體現(xiàn)在包括掘進(jìn)活動(dòng)產(chǎn)生的大量矸石，選煤廠洗選煤炭后的煤泥、矸石，以及發(fā)電廠排放的焦渣廢物在內(nèi)的固體廢物治理。

可以說(shuō)，地表沉陷控制及工業(yè)廢棄物治理是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的關(guān)鍵要素，為此，本文提出二項(xiàng)耦合滲流填充工藝，從處理成本、治理效果、不產(chǎn)生二次環(huán)境破壞入手，將工業(yè)固體廢物配合活化膠結(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)向采空區(qū)、裂隙帶的滲流充填，既提高采空區(qū)、裂隙帶的充填控制效果、輔助地表沉陷控制，亦解決礦山固體廢物的治理難題。

1 技術(shù)背景

本文研究的領(lǐng)域類(lèi)屬煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)，針對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境提出綜合治理技術(shù)，解決當(dāng)前迫切的礦區(qū)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，以及由于覆巖移動(dòng)造成的礦壓顯現(xiàn)、頂板事故治理難題[4-5]；降低工業(yè)固體廢棄物處理成本，服務(wù)地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，增進(jìn)礦區(qū)社會(huì)效益。

本文的關(guān)鍵技術(shù)是二項(xiàng)耦合滲流填充裝置，裝置設(shè)計(jì)思路是通過(guò)地面充填物處理系統(tǒng)配合井下充填管路，實(shí)現(xiàn)將地面工業(yè)廢棄物(選煤廠的煤泥、煤矸石)二次活化處理后有針對(duì)性地送到井下采空區(qū)及圍巖裂隙帶，有效控制地表沉陷，從根源上治理由于地表沉陷而導(dǎo)致的礦區(qū)水土流失、植被破壞、土地沙漠化問(wèn)題，同時(shí)處理礦區(qū)地面工業(yè)廢棄物，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)環(huán)境綜合治理。

2 二項(xiàng)耦合滲流填充工藝

該工藝的關(guān)鍵路線(xiàn)：一是在開(kāi)展正交實(shí)驗(yàn)、對(duì)比實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)填充物開(kāi)展強(qiáng)度校核，確定煤泥、矸石、浮選尾礦與粘結(jié)藥劑、水、黃泥砂漿的合理配比；二是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試，制作填充管路物理模型，進(jìn)而在模擬加壓環(huán)境對(duì)滲流填充物做流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證填充物流動(dòng)性能；三是模擬地面PM泵打壓效果，確定地面PM泵的合理技術(shù)參數(shù)，以此優(yōu)化滲流填充效果。

2.1 采空區(qū)充填材料

在開(kāi)展填充物實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，如若將發(fā)電廠及選煤廠產(chǎn)生的煤泥、煤矸石、浮選尾礦依據(jù)3∶4∶3的比例混合，所形成的復(fù)合材料的粘結(jié)狀強(qiáng)度，可以滿(mǎn)足采空區(qū)頂板控制要求。

依據(jù)上述配比制作復(fù)合材料，配合黃泥砂漿設(shè)計(jì)材料的流動(dòng)性能，驗(yàn)證在實(shí)際管路中的流動(dòng)能力時(shí)發(fā)現(xiàn)，如若依據(jù)3∶4∶3的比例混合，材料強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，但流動(dòng)性能較差，出現(xiàn)下放順暢、粘管的現(xiàn)象。故此，在煤泥3份、煤矸石4份、浮選尾礦3份的基礎(chǔ)上加大煤泥比例，驗(yàn)證未降低強(qiáng)度指標(biāo)的前提下，確定煤泥3.5份、煤矸石3.5份、浮選尾礦3份的材料配比方案。

為得到黃泥砂漿的用料比例，設(shè)計(jì)開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在確定的材料配比方案基礎(chǔ)上，將黃泥砂漿用量設(shè)計(jì)了與固態(tài)材料質(zhì)量比為1∶11、1∶10、1∶9三次流動(dòng)性對(duì)比，綜合考慮用料成本、流動(dòng)性能，將黃泥砂漿的用料比例定為與固體材料1∶10投放，水砂比控制在8∶1至12∶1。

2.2 裂隙帶充填材料

為實(shí)現(xiàn)采空區(qū)、裂隙帶通過(guò)填充裝置同步回填的目的，采用材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、流動(dòng)性能驗(yàn)證、充填效果對(duì)比論證等手段，發(fā)現(xiàn)將煤矸石二次破碎，配合煤泥、黃泥砂漿，即可實(shí)現(xiàn)裂隙帶回填目的，為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)想，將破碎煤矸石、煤泥、黃泥砂漿按不同比例混合，待干結(jié)后驗(yàn)證其強(qiáng)度，通過(guò)不同份數(shù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，確定破碎煤矸石1.5份、煤泥5.5份、黃泥砂漿3份(水砂比控制在8∶1至12∶1。)的配比方案是技術(shù)上最可行、經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)越的最優(yōu)方案。

此外，綜合考慮混合材料的流動(dòng)性能及送至裂隙帶后的粘結(jié)能力和裂隙封堵效果，應(yīng)在上述配比基礎(chǔ)上增添粘結(jié)劑組分，實(shí)現(xiàn)粘結(jié)效果，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)對(duì)比，考慮粘結(jié)能力、制備成本、材料不可有二次污染等因素，選擇懸砂稠化劑作為粘結(jié)劑。

懸砂稠化劑具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①具有較強(qiáng)脫水能力，當(dāng)回填材料進(jìn)入裂隙帶后，在懸砂稠化劑的作用下可加快脫水速率，以此提高裂隙帶的封堵效果；②作為粘結(jié)劑，可將破碎煤矸石、煤泥、黃泥砂漿形成包裹效果，降低粘管、堵管的情況；③加大了復(fù)合回填材料的整體強(qiáng)度。

2.3 裝置設(shè)計(jì)

2.3.1 地面裝置設(shè)計(jì)

依據(jù)采空區(qū)、裂隙帶的充填材料，設(shè)計(jì)地面充填裝置，該裝置將采空區(qū)充填、裂隙帶充填同步考慮，設(shè)計(jì)破碎機(jī)實(shí)現(xiàn)裂隙帶破碎矸石制備，破碎機(jī)通過(guò)膠帶輸送機(jī)連接一級(jí)攪拌站。在一級(jí)攪拌站中可實(shí)現(xiàn)采空區(qū)回填材料的一級(jí)攪拌，并連接一級(jí)PM泵站將混合材料送至二級(jí)攪拌站，在二級(jí)攪拌站中通過(guò)與其相連的黃泥泵站向混合材料中注入一定量黃泥砂漿，攪拌完成后通過(guò)二級(jí)PM泵站由井下充填管道投放至采空區(qū)。

在進(jìn)行裂隙帶回填時(shí)，破碎煤矸石、煤泥先由膠帶輸送機(jī)送至一級(jí)攪拌站，通過(guò)一級(jí)PM泵站將混合材料送至二級(jí)攪拌站，在二級(jí)攪拌站中通過(guò)與其相連的黃泥泵站向混合材料中注入一定量黃泥砂漿，并在二級(jí)攪拌站中人工投放懸砂稠化劑，通過(guò)二級(jí)PM泵站由充填管道滲流至裂隙帶，完成充填。

2.3.2 井下充填管路設(shè)計(jì)

充填管道設(shè)計(jì)為套管，內(nèi)外套管在裂隙帶位置設(shè)計(jì)有孔洞，通過(guò)內(nèi)外套管的轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)孔洞的開(kāi)合，關(guān)閉孔洞即可實(shí)現(xiàn)采空區(qū)回填，反之，可實(shí)現(xiàn)裂隙帶回填。在管道靠裂隙帶下方設(shè)計(jì)有數(shù)控閉合開(kāi)關(guān)，為控制數(shù)控閉合開(kāi)關(guān)，在二級(jí)攪拌站設(shè)計(jì)有控制臺(tái)，裝置設(shè)計(jì)示意見(jiàn)圖1所示。

圖1 二項(xiàng)耦合滲流充填裝置設(shè)計(jì)示意

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的目的在于提供解決礦山環(huán)境治理難題的裝置技術(shù)，在分析采空區(qū)及裂隙帶充填材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)地面裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)制備采空區(qū)充填材料及裂隙帶充填材料，通過(guò)井下充填管路設(shè)計(jì)并連接地面控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)及裂隙帶充填材料的獨(dú)立投料，提高礦區(qū)地面沉陷治理效果，并有效治理地面工業(yè)廢棄物。

本研究可以達(dá)到以下三方面效果：①控制采空區(qū)覆巖運(yùn)移及應(yīng)力集中導(dǎo)致的工作面礦壓?jiǎn)栴}；②控制覆巖裂隙帶發(fā)育，輔助地表沉陷控制；③解決地面工業(yè)廢棄物治理。