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廢棄煤礦廢棄物地下灌注技術(shù)可行性探討

文檔作者：冀前輝文檔來源：中煤科工集團西安研究院有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月16日
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第42卷第4期
2014年8月
煤田地質(zhì)與勘探
COALGBD]L()GY &amp;amp; 刪0R A]
Vb1．42NO．4
Aug．2014
文章編號：1001—1986(2014)04．0069．03
廢棄煤礦廢棄物地下灌注技術(shù)可行性探討
冀前輝
(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077)
摘要：為了降低廢棄物及廢棄煤礦對環(huán)境的污染，提出了廢棄煤礦廢棄物灌注技術(shù)的可行性。分
析了可灌注廢棄物的種類，討論了目標地層的選擇原則。提出采用可控充填、低壓充填以及高壓
灌注等3階段液力充填方法對廢棄煤礦進行廢棄物灌注。為保證工程順利施工，需要檢測灌注壓
力、壓裂裂縫、地面隆起等情況，并控制灌注混合物的特性。初步分析表明，對廢棄煤礦進行廢
棄物灌注具有技術(shù)可行性。
關鍵詞：廢棄煤礦；采空區(qū)塌陷；廢棄物處置；液力回填；壓裂； 裂縫檢測
中圖分類號：X141 文獻標識碼：A DOI：10．3969~．issn．1001．1986．2014．04．015
Feasibility of waste backfilling in abandoned coal mine
JI Qianhui
(Xi'an Research Institute，China Coal Technology andEngineering Group cD ，X／'an 710077，China)
Abstract：In order to reduce environmental risk，a possible and environmental technique to dispose the waste in
abandoned coal mines is put forward．The types of injectable waste are analyzed．The principles for selection of
target strata are discussed．Three hydraulic filling methods to inject waste in abandoned coal mine，i．e．，controlled
backfilling，low pressure backfilling filling and high pressure injection，are proposed．In order to achieve project
performance，injection pressure，fracture propagation，surface uplift should be detected and the features of injected
mixture should be controlled．The initial analysis indicates that it is technically feasible to dispose waste into
abandoned coal mines．
Key words：abandoned coal mines；gob subsidence；waste disposal；hydraulic backfilling；fracturing；detection of
中國是煤炭生產(chǎn)和消費大國，開采煤炭形成的采
空區(qū)易造成地面塌陷、產(chǎn)生礦井廢水[1 】，采煤、洗選
和消費煤炭會產(chǎn)生大量固體廢棄物，對環(huán)境造成破壞。
國外一些企業(yè)在進行石油開采過程中，采用高壓
壓裂的方法將廢棄物回灌到油氣采區(qū)，從而達到保護
生態(tài)環(huán)境的目的，該技術(shù)已經(jīng)在美國、加拿大等石油、
天然氣采區(qū)得到廣泛應用【引。本文借鑒國外技術(shù)，擬
就廢棄煤礦進行廢棄物灌注技術(shù)進行可行性研究，以
期為煤礦區(qū)合理處置煤礦生產(chǎn)、消費過程中產(chǎn)生的固
體廢棄物，減少廢棄煤礦帶來的地面沉降等災害提供
有效途徑。
1 廢棄煤礦廢棄物灌注技術(shù)
1．1 典型廢棄物類型及當前處理方法
在煤炭生產(chǎn)和使用過程中，會不可避免地產(chǎn)生煤
矸石、煤礦廢水、粉煤灰等污染物。煤矸石主要產(chǎn)生
于采煤和洗選煤過程中，一般來說，我國所采原煤的
10％會被作為煤矸石廢棄，另外12％～18％在洗選煤
過程中被區(qū)分為煤矸石【l】。如果對煤矸石進行不合理
處置，其包含的Fe2O3、CaO、MgO等礦物質(zhì)有可能
對環(huán)境產(chǎn)生負面影響。煤礦廢水是煤礦生產(chǎn)過程中的
液體廢棄物，在煤炭開采過程中，地下含水地層中的
水會通過一些裂隙滲透到煤礦巷道和工作面中，為保
證煤礦安全生產(chǎn)，這些礦井涌水需要通過水泵抽出地
面，在生產(chǎn)過程中，巖粉、煤粉、人為污染以及微有
機物等有可能與礦井涌水混合而發(fā)生一系列物理、化
學反應，使得礦井涌水多含有大量亞鐵和硫酸鹽物
質(zhì)，并摻雜大量懸浮固體雜質(zhì)。我國生產(chǎn)1 t原煤大
概要從井下排出廢水0．5～10 m 引。另外不同礦區(qū)的
礦井涌水性質(zhì)往往不同，這都為礦井涌水的無害化處
理帶來了難度。粉煤灰主要產(chǎn)生于火力發(fā)電過程中，
是煤炭燃燒產(chǎn)生大量的固體殘留物，我國粉煤灰年排
放量在2×10 t以上[ ，這些粉煤灰的處理越來越成
為一個難題
收稿日期：2013．10．28
作者簡介：冀前輝(1984一)，男，河南禹州人，碩士，從事鉆探設備及工藝的研究與開發(fā)工作
· 70· 煤田地質(zhì)與勘探 第42卷
目前，針對以上廢棄物的處理依然簡單粗放。除
了少數(shù)煤礦進行井底粉碎、回填外，相當一部分煤礦
依然采用地面堆積等方法處置煤矸石。煤矸石的地面
堆積容易產(chǎn)生火災并引起空氣污染。部分企業(yè)利用粉
煤灰作為建筑材料的原料，但大多數(shù)粉煤灰依然采用
簡單的堆積填埋處理。堆積的煤矸石或者粉煤灰中的
化學物質(zhì)在雨水的沖刷作用下極易對地下水飲用資
源造成污染。對于煤礦廢水，目前主要采用簡單處理
后排放到自然水系中，這對于地表水以及地下水資源
的污染風險極大。
1．2 廢棄物灌注技術(shù)
廢棄煤礦廢棄物灌注技術(shù)是指將符合條件的廢
棄煤礦作為地下“儲存室”，在地面通過專用設備將廢
棄物與水進行混合，然后通過一系列方法液力回填到
采空區(qū)和廢棄巷道中，達到合理處置廢棄物、減少廢
棄煤礦危害、保護生態(tài)環(huán)境的目的。
1．3 目標地層選擇
在廢棄煤礦中進行廢棄物回填處置時，合理選擇
目標地層至關重要。在選擇目標地層時需要重點考慮
地質(zhì)條件、施工經(jīng)濟性、地面條件、環(huán)境等因素。目
標地層的選擇原則可以概括為以下幾個方面：
a．目標層自身特征 一定的厚度、高空隙率和
滲透率、一定的存貯能力、迅速的壓力衰減能力。
b．目標層的地質(zhì)埋藏條件 目標地層應具有一
定的埋深，一般來說，埋深應大于300-400 m；目標
層與地下飲用水源之間至少具備一個隔水層和一個
過渡層。其中隔水層是一種相當厚的、極低孔隙度的
硬質(zhì)巖層，該巖層能夠有效隔離飲用水層和過渡層，
防止廢棄物向上運移造成飲用水源污染；過渡層則由
交替的砂巖、頁巖等組成，覆蓋于目標層上部，隨著
時間的推移，廢棄物的液體物質(zhì)可能會運移到過渡地
層l卅。
我國煤礦有多數(shù)頂板和底板為砂巖，比較適合作
為廢棄物的存放區(qū)域，另外，煤礦開采會在開采區(qū)域
留下很多采空區(qū)、廢棄巷道等空間，可以將煤礦采空
區(qū)區(qū)域以及其頂?shù)装遄鳛槟繕藚^(qū)域。
1．4 灌注方法
廢棄煤礦灌注采用液力回填的方法，即將固體廢
棄物經(jīng)過粉碎、篩分后與流體廢棄物進行充分混合，
然后通過一些設備回灌到煤礦井下，從而達到安全處
置廢棄物并減少廢棄煤礦次生災害的方法。具體實施
時，可以采用以下3種充填方法。
a．可控充填 該方法的目標區(qū)域為井下廢棄巷
道或者已開采工作面。在地面將廢棄物與水進行混
合，形成糊狀混合物，然后利用現(xiàn)有煤礦的井下管道，
將混合物輸送至目標區(qū)域。由于煤礦尚未完全廢棄，
人可以部分進入到巷道中，因此可以采用人工操作針
對煤礦井下的空間區(qū)域進行充填。具體施工時，往往
首先對井下空間進行區(qū)域劃分，并建立簡易阻攔壩，
然后分別對各段進行充填。該方法可以根據(jù)充填現(xiàn)場
情況人為地控制、選擇、更改充填區(qū)域和充填參數(shù)，
因此往往具有較高的充填效率。
b．低壓充填 當煤礦已經(jīng)廢棄或者巷道不具備
井下充填的要求，此時可以采用從地面向目標地層進
行充填。在煤礦采空區(qū)上方地面施工垂直向下鉆孑L，
混合后的廢棄物在重力作用下通過管道被輸送至井
下。此時可以采用連續(xù)充填的方法快速充滿井下廢棄
巷道、采空區(qū)等空間。低壓充填的效果取決于注入井
位置的選擇和廢棄液體的流動性。在設計井位時，應
盡量將注入井選擇在地勢較高的位置，這樣廢棄液體
就會在重力作用下向空隙流動。充填壓力可隨井下可
充填空間的縮小而逐漸增大(圖1)。
圖1 廢棄煤礦低壓充填和高壓灌注壓力示意圖
Fig．1 Pressure of low pressure backfilling and high pressure
injection in abandon coal mine
c．壓裂灌注 壓裂灌注應用在低壓充填之后，
采用斷續(xù)高壓灌注的方式將廢棄物灌注到目標地層
中。高壓灌注時，會在目標地層誘發(fā)水力壓裂事件。
在高壓力作用下，煤層采空區(qū)或者頂?shù)装宓淖匀涣芽p
會張開，廢棄物進入到目標地層的裂隙和空隙中。當
灌注壓力增高大于地層最小應力時(可達30～50 MPa)，目
標地層在高壓作用下，自然裂隙被打開，廢棄物填充
到裂隙中，此時成為高壓灌注階段。該階段時間一般
可持續(xù)8～12 h(根據(jù)地質(zhì)條件不同有所K~J)E 。完成
階段壓裂充填后，停止高壓灌注，進入壓力釋放階段，
此時地層將“吸收消化”壓力(圖1)。反復進行以上
操作，將污染物固化在地層中，從而達到存貯廢料的
目的。
2 工程實現(xiàn)
2．1 設備需求
廢棄煤礦灌注工程的地面設備主要包括粉碎機、
震動篩分機、混合攪拌機、傳輸設備、高壓泵等設備。
第4期 冀前輝：廢棄煤礦廢棄物地下灌注技術(shù)可行性探討 ·71 ·
固體廢棄物如煤矸石等首先由粉碎機粉碎為小顆粒，
大顆粒由震動篩分機分離出來。小顆粒與礦井廢水在混
合攪拌機中充分混合，然后通過輸送設備送至井口或者
高壓泵。在可控充填和低壓灌注過程中，混合物直接通
過管道輸送至目標地層，在壓裂充填過程中，混合物通
過高壓泵被灌注到注入井中。
2．2 注入井施工
注人井多采用垂直鉆井，鉆井井位取決于煤礦井
下和地面條件。通常，可以根據(jù)煤礦采空區(qū)位置分布
將注入?yún)^(qū)域劃分為不同區(qū)塊，結(jié)合地面施工條件確定
鉆井位置。注入井需要采用多級套管，以便滿足長時
間作業(yè)需求。如圖2所示，在穿過飲用地下水區(qū)域需
要安設孔口管；根據(jù)地質(zhì)情況不同，安設一級或者多
級安全套管，用來保證鉆孑L的穩(wěn)定性；最后安設注入
套管至目標地層(采空區(qū)或者巷道)。其中注入套管頂
端設計有篩，注入套管直徑可在100～1 50 mm進行選
取，篩孔的直徑為10～20 mm，篩孔數(shù)量取決于目標
地層的厚度等參數(shù) ]。
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致 一 零． 三 —Q 一．豆扳二I ． 婁 氅I ：：：至
l一井筒；2一傾斜檢測儀；3一注入井；4一監(jiān)測井；5一檢波器；
6一孔口管；7一安全套管；8一注入套管；9一注入管；
lO一壓力檢測儀；11-篩孑L；l2一注入廢棄物；l3一廢棄巷道；
l4一止水塞：
圖2注入井施工及監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
Fig．2 Construction of injection well and monitoring system
2．3 檢測與控制
在進行廢棄煤礦回注過程中，灌注廢棄物的壓
力、黏度、密度以及固體顆粒含量等都是直接影響灌
注效果的重要參數(shù)。另外，高壓灌注會誘發(fā)大量的壓
裂事件【 。監(jiān)測壓裂裂縫的大小和擴展方向?qū)τ诳刂?
廢棄物回灌的環(huán)境影響具有重要意義。因此應針對注
入過程中的壓力、流量、裂縫擴展情況、廢棄物位置
等進行監(jiān)測。在廢棄煤礦廢棄物灌注過程中，應著重
進行以下幾個方面的檢測與控制：
a．混合物特性檢測與控制在注入口安設粘度檢
測裝置以及濃度檢測裝置，在混合攪拌裝置上安裝固體
廢棄物加入量控制系統(tǒng)。在具體施工時，根據(jù)壓力數(shù)值
等對混合物的粘度、濃度等進行檢測與調(diào)節(jié)。
b．灌注壓力檢測 灌注壓力是重要的施工工藝
參數(shù)，在3種充填方法施工過程中均應進行壓力檢
測。井下可控充填時，測壓裝置安裝在充填噴嘴處，
施工人員能夠直接讀取灌注壓力；而在低壓充填和壓
裂灌注過程中，井底設置的壓力檢測裝置能將壓力值
傳輸?shù)降孛妫ㄟ^對其分析指導灌注施工。
c．壓裂裂縫監(jiān)測 在井下可控充填以及地面低
壓充填過程中，由于其回注壓力小，并且僅能填滿井
下采空區(qū)，不會誘發(fā)壓裂事件，因而不需要進行裂縫
檢測；但在高壓灌注過程中，應采用微震檢測技術(shù)監(jiān)
測壓裂裂縫擴展情況。具體實施時，根據(jù)注入井位置
施工監(jiān)測井(二次施工后可以改為下一個注入井)，煤
礦井筒可以作為固定檢測井。將檢波器安裝在檢測井
中(圖2)，采用微震檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測高壓灌注過程
中的微震信號，然后基于合成微震成像技術(shù)，檢測灌
注壓裂裂縫擴展。
d．地面隆起監(jiān)測 由于廢棄煤礦埋深較淺，采
用高壓灌注會對地面產(chǎn)生微小隆起。如果隆起發(fā)展不
正常有可能對環(huán)境產(chǎn)生負面影響，因此高壓灌注過程
中需要監(jiān)測地面隆起[9]。具體實施時，在注入井周圍
按照一定規(guī)則布置地面斜度儀檢測傾斜度，旨在掌握
地面隆起狀況，并將其作為重要施工工藝參數(shù)。
3 總結(jié)
利用廢棄煤礦進行廢棄物處置具有技術(shù)可行性。
首先根據(jù)地質(zhì)條件選擇合適的廢棄礦井，將其采空區(qū)
和頂?shù)装遄鳛槟繕说貙?。在地面對固體廢棄物進行物
理處理并與廢水混合均勻后，通過可控充填、低壓充
填以及高壓灌注等方法將廢棄物灌注到廢棄煤礦中。
在施工過程中檢測與控制混合物特性、灌注壓力、壓
裂裂縫、地面隆起等旨在保證灌注過程不產(chǎn)生環(huán)境危
害。該方法進行廢棄物處置具有顯著的優(yōu)點，主要表
現(xiàn)在以下幾個方面：
a．采用廢棄物填充能有效減少廢棄物尤其是廢
水和煤矸石對環(huán)境的影響。
b．能減少煤礦采空區(qū)塌陷，有效保護地面耕地、
建筑物等財產(chǎn)。
c．降低廢棄煤礦瓦斯聚集，防止煤礦廢棄后的
次生災害。
然而由于該方法涉及的設備較多、工藝復雜，同
時施工條件也依賴于廢棄煤礦不同的地質(zhì)條件，且施
工中會產(chǎn)生一定直接成本，因而需要對該方法的實施
過程、參數(shù)控制等作深入的研究。
(下轉(zhuǎn)第76頁)

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