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中國礦業報:塌陷區治理的一場革命性創新
發布日期:2019-10-09 瀏覽次數: 字號:[ ]

“新型覆巖離層注漿技術很有意義,干好了對采煤塌陷區治理技術、煤礦礦山生態修復技術將是一場革命性、顛覆性創新,也為煤礦綠色開采、保護生態及地勘隊伍產業結構調整開辟了一條有效途徑。”8月31日,在中國煤炭地質總局采空塌陷地質災害防治技術匯報會上,原國土資源部副部長、中國地質災害防治工程行業協會會長汪民頗為贊賞地說。

采空區注漿技術在我國由來已久,為何新型覆巖離層注漿技術能贏得如此高的贊譽?這項技術與其他傳統的注漿技術相比又“新”在哪?


綠色理念催生新型注漿技術

“新型覆巖離層注漿技術是中國煤炭地質總局勘查研究總院掌握的一項核心技術,主要應用于采空區地面減沉控制以及固體廢物處理,同時向含水層保護、減少礦井涌水量、防治沖擊地壓、增強地基承載力等方面拓展運用。目前通過已實施的項目表明,該項技術經濟效益、環境效益和社會效益顯著。”作為該技術的重要參與者,中國煤炭地質總局勘查研究總院采空塌陷治理所所長杜金龍說。

事實上,我國早在20世紀50年代,就開始研究采空區地表減沉技術,彼時主要是針對“三下”采煤,單純地為解放壓覆煤炭資源而進行的。

據有關數據顯示,我國生產礦井建(構)筑物下、水體下、鐵路下壓煤約140億噸,其中建(構)筑物下壓煤約90億噸。而這還不包括近些年來新建的高鐵、高速公路,以及新劃的生態紅線、自然保護區內壓覆的煤炭。

“我國煤礦建筑物(村莊)下壓煤開采問題,一直是困擾我國煤礦的重大技術難題,也是‘三下’采煤中相對較易攻克的難題。如果為了安全起見,不對建筑物下的壓覆煤炭進行開采,勢必會造成資源浪費,并影響采區的正常接替。而如果要開采,礦區遷村采煤難度大、費用高、礦鄉關系復雜,對礦山企業而言很可能‘得不償失’,采出的煤炭價值還不夠村莊搬遷安置費用。所以,研究不遷村采煤技術必要而緊迫。”杜金龍介紹。

也正基于此,我國相關科研院所及研究人員經過反復實踐,研究出了條帶開采法、井下充填法和離層注漿法等三種地表減沉技術,并成功應用于工程實踐。

條帶開采法曾在早期釋放我國“三下”壓覆煤炭資源發揮了極為重要的作用,技術工藝相對簡單也比較成熟,可有效控制開采沉陷。但由于煤炭采出率與生產效率低、巷道掘進率高,目前已逐漸趨于淘汰。井下充填法是在條帶開采法基礎上更進一步優化的技術,近年來頗受關注,主要包括矸石充填(機械充填、風力充填、水砂充填等)、膏體(似膏體)充填和高水充填。但由于井下充填與采煤相互干擾嚴重,生產效率低,且初期投資大、成本高,煤礦企業常常難以承受。

“而覆巖離層注漿法由于成本低、煤炭回采率與生產效率高,適合高產能等特點,符合國家產業政策,日益受到重視。”中國煤炭地質總局黨委委員、副局長潘樹仁介紹,覆巖離層注漿技術是針對礦山開采全生命周期的綠色技術,貫穿于采空塌陷綠色設計、采中預防和采后治理,是解決礦井開采破壞與環境保護、和諧發展的低成本、可持續、新型綠色開采技術。

如果說傳統的地表防沉技術只是單純地為了釋放壓覆的煤炭資源,那么這種新型的覆巖離層注漿技術則是釋放壓覆煤炭資源與防治地表塌陷、保護生態環境的有機統一。有關數據顯示,截至2016年底,全國已有采空塌陷區約9000平方公里,且年增600平方公里~900平方公里,僅山西省就有采空塌陷區約3000平方公里。

通過這種注漿技術,在防治地表塌陷以及治理已有采空塌陷區過程中,不僅可以消化掉大量的粉煤灰、煤矸石等工業固體廢棄物,還可以有效保護上部地層和含水層,利于生態文明建設。

“見縫插針”提前防沉

覆巖離層注漿技術之所以優于其他傳統地表減沉技術,并能更加有效地保護生態環境,關鍵是其提前主動防治,在采煤采空區上部地層出現離層尚未塌陷垮落之時,第一時間內進行“見縫插針”式的注漿處理,從而相對保持了穩定的地層結構,避免了形成塌陷區、造成地層破壞后的“亡羊補牢”的被動式治理。

“地下煤層開采后,會在煤層上覆巖層中形成上三帶,即垮落帶、裂隙帶和彎曲帶。在彎曲帶內部軟硬巖石之間,且上位巖層抗彎剛度大于下位巖層時,常常會出現離層。離層的發育經歷始動期、擴展期和閉合期三個階段。”杜金龍進一步解釋說,“離層上部的硬巖層在覆巖移動中起主要控制作用,稱之為關鍵層。若對其上部直至地表的全部巖層起控制作用,則稱之為主關鍵層;若厚硬巖層只對其上局部巖層起控制作用,則稱之為亞關鍵層。”

事實上,我國從1985年就開始從波蘭引進離層注漿技術,并在撫順老虎臺礦進行試驗。后來,該技術又先后在山東兗州東灘礦、濟寧二號井、新汶華豐礦,淮南李一礦,江蘇大屯礦,以及淮北、陽泉、臨沂、義馬等地進行了大量試驗。根據各礦區試驗結果表明,傳統的離層注漿方法在不充分開采時減沉效果明顯。若達到充分開采時,充填效果較好時減沉率可達到30%~50%,但往往不能滿足建筑物下采煤的塌陷要求。

而新型的覆巖離層注漿技術的關鍵之處就在于控制住了關鍵層。該技術利用煤層開采后在上覆巖層形成的離層空間,使用壓力泵將煤矸石粉末、粉煤灰、水泥或者混合物漿液,通過注漿管注入到關鍵層下的離層內,漿液沉淀后水去灰留,形成飽和壓實體,從而對上部關鍵層起到支撐作用,形成“離層區充填體(壓實區)+煤柱+關鍵層”的承載體,保證上部巖層及地面不發生破壞與變形。

據相關數據顯示,傳統離層注漿技術注漿濃度較低,一般在25%以下;注漿壓力較低,多離層灌漿,不能支撐上部地層自重,同時還存在注漿時機把握不準、泵量較小、鉆探技術限制、對關鍵層和離層空間要求高以及添加劑低劣等問題。而中國煤炭地質總局研發的新型離層注漿技術,則完全克服了上述難點,注漿濃度可以達到75%,且泵流量大,單離層高壓注漿,上撐下壓,消除殘余剩余變形,實現空間守恒。同時,新鉆探技術有效突破了環境和地層的制約,可提前成孔,利用水壓變化判斷離層形成,第一時間內實施注漿。

“離層注漿后,會形成三方面的力學效應:一是高壓漿體對離層上部巖層起到頂托作用,有效地阻止其上部巖層的下沉;二是承壓漿液沿離層擴散,離層縫邊緣將被撐開而擴大離層空間;三是承壓漿液對離層下部巖層施加應力,使下部因煤層采空產生的垮落帶和裂隙帶被壓實。”杜金龍介紹,與傳統的離層注漿技術相比,新型覆巖離層注漿技術具有以下明顯優點:漿體濃度高,一般不低于60%;注漿壓力大,從而既保證漿體充填與運移效果,又有效支撐上部地層;提前成孔,利用水壓變化判斷離層形成,可抓住有利注漿時機;注漿泵流量大,且可無級變速;鉆探技術的發展有效突破了環境和地層制約;優質添加劑的出現可以有效控制漿體凝固時間。

越是先進的技術工藝,相關的要求也越嚴格。據了解,該新型離層注漿技術在具體實施過程中,必須要突出把握好關鍵層確定、注漿層位、鉆孔間距、注漿時機、注漿壓力等5個環節。

“在確定了關鍵層后,關鍵層下部離層區內、采動導水裂隙帶之上則是注漿層面。然后根據關鍵層破斷距及漿液擴散半徑確定鉆孔間距,在工作面超前支承壓力處于峰值時為注漿時機。而注漿壓力則根據注漿層位自然地壓確定,一般多在6MPa~10MPa之間。”杜金龍進一步分析說。

做好示范服務生態文明建設

針對目前常見的地面減沉方法,從煤炭產量、治理成本、工效、工作面采寬、回采率、機械化程度等關鍵性參數進行對比,該新型覆巖離層注漿技術在保證減沉效果的基礎上,具有煤炭工作面采寬大、產量高、治理成本低、工效高、回采率高、適合機械化生產(不需要替換支架)等優點。

“基于大量工程實踐,通過對原有的離層制漿、輸漿、注漿技術以及設備工藝進行了改良優化,該新型覆巖離層注漿技術滿足了高壓、大流量、高效、低成本注漿要求,保證了采空區減沉效果,同時還首次提出了利用離層空間及相關的采空空間進行固廢無害化、規模化處置方案。”杜金龍說。

眾所周知,煤礦采空區塌陷后,對生態環境影響最大的則是耕地和地下水的破壞。近年來,有關科研部門盡管研發了多項煤礦采空區防沉技術,但往往是治標不治本,塌了填、填了塌,即便是好不容易控制住了塌陷,也僅僅是保護了耕地,而對地下水的保護則因為難度大、技術要求高基本上沒有涉及。

值得一提的是,該技術則有效地解決了地下水的保護問題。作為一項基于生態文明建設下、礦業開采全生命周期的綠色技術,該技術創造性將“三下”煤炭資源釋放與固廢處理、生態環境治理有機融合,利用地下空間進行固廢充填。同時,利用“充填壓實體+保護煤柱+覆巖關鍵層”的穩定框架結構,保護上部地層及含水層,有效阻截水源破壞、沖擊地壓及地面變形,達到固廢處理、環境治理(地表減沉、含水層保護、防治沖擊地壓、增強老空區地基承載力)、資源釋放等多重目的。

“礦業開發中最頭疼的就是環境問題,而煤炭開采中的環境問題則是重中之重。煤炭開采造成大量塌陷區,對耕地及地下水造成了永久性破壞。但我國短期內很難改變的多煤少油(氣)的局面,又決定了國民經濟發展離不開煤炭。所以,如何在開發煤炭資源過程中保護好生態環境,并做到煤炭的清潔利用,成為一個亟待解決的課題。”汪民表示,堅持礦業開發與環境保護并重,實現礦業高質量可持續發展是礦業行業的發展方向。尤其是黨的十八大以來,把生態文明建設放在更加突出的位置,對礦業行業綠色發展提出了更高更嚴格的要求。該項技術實現了經濟效益和生態環境的統一,對礦業綠色開發、礦區生態修復、采空塌陷區治理技術而言,是一個顛覆性的創新,很有推廣意義。要進一步加強科技創新,不斷完善深化,尤其是要加強采空區防沉過程、方法、機制的創新,使該項技術更好地服務于生態文明建設。

中國工程院院士、中國礦業大學博士生導師武強對該項新型注漿技術也給予了高度肯定。他指出,離層注漿技術在我國并不少見,但在特定的地層實施離層注漿,既避免了采空區塌陷,又保護了地下水,能更好地為礦井生產和礦區生態文明建設服務,則是一項國內領先的綜合性技術。要成立專門的研究部門,組建研發隊伍,抓緊時間申請專利,盡快制定出技術標準,在逐漸進行總結完善的基礎上,盡快在全國推廣。

“我國采煤塌陷區面積很大,當前國家及地方正在積極進行治理。該項技術應用領域寬、前景廣闊,但從示范到實踐還需要一個漫長過程,要加強商業模式的探索,盡快在全國鋪開。”原國土資源部地質環境司司長、中國地質災害防治工程行業協會常務副會長關鳳峻建議。

在中國煤炭地質總局采空塌陷地質災害防治技術匯報會上,綠色礦山推進會會長史京璽、自然資源部信息中心研究員陳從喜、自然資源部經研院研究員張維宸,以及中國礦業報社的代表針對該項技術也紛紛提出了建議和意見。

“建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計。新的發展理念與友好型環境的迫切需求,為新型覆巖離層注漿技術提供了廣闊的舞臺。我們要在做好示范項目的基礎上,進一步加強科技創新,不斷總結完善,盡快形成標準體系,使該項技術更好更全面地服務于綠色礦業發展和生態文明建設。”中國煤炭地質總局黨委副書記、副局長任輝最后說。


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