城市建筑垃圾充填煤礦采空區(qū)研究*

龔遠(yuǎn)恒，黃青榮

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著煤炭資源的開發(fā)利用，開采技術(shù)及方法在不斷提高。其中煤礦采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被挖掘或者地質(zhì)運(yùn)動后在地下產(chǎn)生的空洞。當(dāng)受力變形達(dá)到一定的程度會引起地面裂縫或地表下沉等災(zāi)害。而城市垃圾是指城市中固體廢物的混合體，包括工業(yè)垃圾、建筑垃圾和生活垃圾，如果將這部分垃圾加工處理后作為充填開采的充填體，一舉兩得，即城市垃圾充填?，F(xiàn)階段，關(guān)于城市垃圾充填煤礦采空區(qū)的研究不多。谷志孟等[1]提出城市垃圾充填采空區(qū)，變兩害為一利的環(huán)境綜合治理建議，為“城市垃圾處理”和“解決采空區(qū)問題”提供新思路。王梓桐等[2]發(fā)現(xiàn)相對于傳統(tǒng)的城市垃圾處理方法，城市垃圾固化后充填煤礦采空區(qū)更加科學(xué)、環(huán)保。劉音等[3]根據(jù)城市垃圾處理和礦山充填開采研究現(xiàn)狀，提出研究重點(diǎn),城市垃圾壓縮及其固化性能關(guān)鍵技術(shù)，利用城市垃圾充填煤礦采空區(qū)的充填工藝設(shè)計，充填設(shè)備研究與開發(fā)等。楊睿[4]提出將建筑垃圾用于煤礦采空區(qū)充填不僅可以減輕其帶來的環(huán)境問題，還能有效地治理采空區(qū)災(zāi)害。

針對以上所述，無論是綠色開采和城市垃圾處理，還是二者相結(jié)合的城市垃圾采空區(qū)充填，其目標(biāo)均是為了有效處理好生態(tài)環(huán)境問題。將“城市垃圾處理”“煤礦采空區(qū)充填”結(jié)合形成一項系統(tǒng)工程將是一項偉大的工程。

1 城市垃圾處理現(xiàn)狀

根據(jù)《2020年全國大、中城市固體廢物污染環(huán)境防治年報》,2019年，中國大、中城市一般工業(yè)固體廢物的產(chǎn)生量為13.8億t，工業(yè)危險廢物的產(chǎn)生量為4 498.9萬t，醫(yī)療廢物產(chǎn)生量為84.3萬t，城市生活垃圾產(chǎn)生量為23 560.2萬t[5]。

目前國內(nèi)大多數(shù)城市的垃圾還處于混合收集階段，且處理方式還是傳統(tǒng)的填埋、焚燒和堆肥3種方式，雖然各具優(yōu)點(diǎn)，但其也存在環(huán)境二次污染等問題。如垃圾焚燒處理雖然在現(xiàn)階段是成本較低、效果較好、效益較高的處理方式，但也存在技術(shù)缺陷，如：煙氣中有害物質(zhì)超標(biāo)、燃燒不徹底等。由前人研究可見，城市垃圾利用方式將越來越多，而將其加工轉(zhuǎn)化為采空區(qū)充填體未來可期。

2 煤礦采空區(qū)處理研究現(xiàn)狀

目前對煤礦采空區(qū)最好的處理方式便是充填處理。但傳統(tǒng)充填方法投資大，成本高，且難以實(shí)施。

對采空區(qū)充填，控制采動引起的覆巖破壞運(yùn)動和離層間隙，從而保障地表穩(wěn)定性。對采空區(qū)充填要切實(shí)做好關(guān)鍵層第1次破裂控制工作的巖離層注漿技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)廢棄物的有效循環(huán)使用[11]。何標(biāo)慶等[12]提出將固廢資源利用與采空區(qū)處理有機(jī)結(jié)合，利用固體廢棄物對大型采空區(qū)進(jìn)行充填處理；張厚泉[13]也提出灌注充填法處理采空區(qū)的理念，采用全灌注充填法對采空區(qū)地基發(fā)育的垮落帶空洞、斷裂帶裂隙等進(jìn)行加固處理；另外有學(xué)者尹麗軍等[14]提出注漿法的理念，即注漿法是利用氣壓、液壓或電化學(xué)原理，把某些能固化的漿液注入到土層、巖層的裂隙或孔洞中，使?jié){液和巖層一起固化凝結(jié)為一體。劉永[15]將風(fēng)積沙用于制備煤礦井巷條帶充填的高沙充填材料，實(shí)現(xiàn)低成本保水充填開采。王紅偉等[16]分析了大傾角采場矸石分區(qū)域充填量化特征及其作用下頂板破壞內(nèi)在機(jī)制，得出了各充填區(qū)域長度的量化公式。翟志露[17]在對尾砂膠結(jié)充填技術(shù)、塊石膠結(jié)的充填技術(shù)、全尾砂充填膠結(jié)技術(shù)及應(yīng)用、膏體充填技術(shù)及應(yīng)用淺析中，也強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)固體廢料的再利用，提升礦產(chǎn)資源的開采效益，加強(qiáng)對有毒有害物質(zhì)的處理，實(shí)現(xiàn)綠色采礦的目標(biāo)。

針對眾多學(xué)者的研究，大多采用尾礦砂與固體廢物膠結(jié)的方法，尾礦砂是鐵、銅等礦山開采后的廢物，對此可以實(shí)現(xiàn)廢物二次利用，但其保水性差且需要經(jīng)歷重重篩選，耗費(fèi)大量工時，其經(jīng)濟(jì)合理性還待商榷。

3 “充填開采一體化”技術(shù)對策

目前城市固體建筑垃圾堆積如山，難以處理，對環(huán)境造成極大影響。然而許多煤礦采空區(qū)需要大量的充填材料，僅靠頂板垮落的矸石不足以將采空區(qū)充滿。因此將城市固體建筑垃圾運(yùn)至采空區(qū)充填將是一個不錯的選擇，在一定程度上緩解了城市垃圾危機(jī)。應(yīng)注意如何將固體垃圾運(yùn)至采空區(qū)并將其緊密充填以提高強(qiáng)度是一項技術(shù)難題。

3.1 垃圾固化

城市建筑垃圾之所以固化，首先固體建筑垃圾比較凌亂分散，不方便運(yùn)輸；其次固化能夠提高其強(qiáng)度，為采空區(qū)支撐頂板提供可靠性，針對垃圾加工，設(shè)計出垃圾烘干壓塊一體機(jī)，綜合利用垃圾物理處理和熱處理的方法，將垃圾脫水、壓制成粒徑150 mm的塊體，最后經(jīng)過六面纏繞封裝，作為煤礦采空區(qū)充填材料。整個加工技術(shù)保證了垃圾充填材料的強(qiáng)度和無濾液。

3.2 運(yùn)輸環(huán)節(jié)

目前用城市固體建筑垃圾充填采空區(qū)仍是紙上談兵，運(yùn)輸問題是該方法面臨的重大挑戰(zhàn)。城市與礦山之間距離遙遠(yuǎn)，城市固體建筑分散凌亂，密度較低，這環(huán)節(jié)是運(yùn)輸需解決的首要任務(wù)。而當(dāng)?shù)V物運(yùn)到礦山時，采空區(qū)所需的充填材料用礦車由副井下放到井底車場，經(jīng)主要運(yùn)輸石門、運(yùn)輸大巷、采區(qū)運(yùn)輸石門、采區(qū)下部材料車場，由采區(qū)軌道上山提升到區(qū)段回風(fēng)平巷，再運(yùn)到工作面采空區(qū)。

3.3 充填

采空區(qū)充填采煤法，通過改裝充填液壓支架，增設(shè)充填機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工作面“開采—充填”一體化。以城市建筑垃圾為原料制備煤礦膏體充填骨料的方法[18]，可以作為參考。

城市固體廢棄物深井封閉和充填開采方法[19]，該方法主要針對垃圾封存技術(shù)，對充填前巷道圍巖裂隙進(jìn)行注漿封閉、巷道表面進(jìn)行噴漿處理，待充填后每隔500 m分段組封閉墻。采用封閉墻Ⅰ4、封閉墻Ⅱ5雙道雙墻結(jié)構(gòu)作為封閉墻，同時留設(shè)封閉墻觀測孔1、封閉墻壓力孔2和泄水孔3，方便后續(xù)的監(jiān)測及處理。如圖1所示。

圖1 封閉墻結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of closed wall

3.4 充填支架

在非煤礦方面，充填開采已經(jīng)發(fā)展的較好，但是在煤礦由于成本高而未得到推廣，與之配套的充填支架也不多。馬婧[20]通過分析支架與直接頂?shù)南嗷プ饔藐P(guān)系，構(gòu)建了直接頂懸臂梁力學(xué)模型等，得到了主要承載組件的具體載荷參數(shù)。趙立勝等[21]為進(jìn)一步提高固體充填液壓支架的自動化程度，解決充填液壓支架自動控制中精度和聯(lián)動性能差的問題，提出了一種基于PLC的固體充填液壓支架自動控制系統(tǒng)，提高了充填液壓支架的穩(wěn)定性和可靠性。以上2種支架都有一定優(yōu)勢，也是目前比較先進(jìn)的充填支架，本次垃圾充填選用液壓支架，如圖2所示。

圖2 充填式液壓支架Fig.2 Filling hydraulic support

3.5 充填密封

垃圾充填流程如圖3所示。

圖3 垃圾充填流程Fig.3 Waste filling process

當(dāng)把垃圾填入地下后，垃圾濾液會對地下土壤、水等造成嚴(yán)重污染，故充填物料經(jīng)過六面纏繞封裝、充填體在采空區(qū)六面封閉、充填體注漿密封。密閉后，垃圾進(jìn)行“自我消化處理”，在該密閉空間內(nèi)，不會對地下造成污染。

4 技術(shù)所面臨的問題

4.1 城市垃圾分類及壓縮固化技術(shù)

由于城市固體垃圾組成成分不同，因此，從城市建筑垃圾分類開始，研究固體垃圾膏體充填工藝中地面預(yù)處理環(huán)節(jié)，包含篩分工藝和破碎工藝；城市垃圾經(jīng)過篩分確定充填體的組成成分，確定固體垃圾充填漿體在初凝時間、終凝時間、坍落度以及泌水率等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)之間的相似性，最終確定合適的城市建筑垃圾作為膏體充填骨料。

4.2 城市垃圾材料填充工藝及技術(shù)

確定好填充材料的配比，對于填充工藝的研究是非常重要的，對于不同的地質(zhì)環(huán)境與自然環(huán)境，填充工藝是不同的，填充需要的設(shè)備不同，填充材料的配比也不同。因此，需要對不同情況下，填充工藝進(jìn)行研究，確定合理的填充設(shè)備、填充配比等，以保證填充后的采空區(qū)安全穩(wěn)定。

4.3 密閉充填

進(jìn)行封閉充填時，封閉的材料選取困難，要考慮其牢固性，且不能對地下造成污染，從而達(dá)到足夠密閉。

5 結(jié)語

城市建筑垃圾堆積如山，如何處理建筑垃圾是一個棘手的問題，而煤炭地下開采形成的采空區(qū)需要得到及時有效的支撐或充填，防止頂板下沉，否則會引起地表沉陷，造成環(huán)境破壞及經(jīng)濟(jì)損失。將“城市垃圾處理”與“煤礦采空區(qū)充填”結(jié)合起來進(jìn)行系統(tǒng)研究，既可解決充填體成本，又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境達(dá)到綠色開采。用城市建筑垃圾來充填采空區(qū)既減輕了城市建筑垃圾對環(huán)境的危害，還可以降低煤礦充填材料成本，更是廢棄物再次利用，達(dá)到社會效益與經(jīng)濟(jì)效益雙贏。