城市建筑垃圾充填煤礦采空區(qū)淺析

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摘要:為了減少地表土地資源的浪費(fèi)，節(jié)約空間，降低污染以及減少煤礦充填開采成本。把地面堆放的城市建筑垃圾處置與地下采空區(qū)填充治理理念相結(jié)合，針對城市綜合利用垃圾物理處理和熱處理的方法，將垃圾脫水、壓制成塊體，作為煤礦采空區(qū)充填材料。針對煤礦采空區(qū)，采用“充填開采一體化”的方法處理采空區(qū)，在充填機(jī)構(gòu)配合下實(shí)現(xiàn)每一充填循環(huán)的封閉，保證垃圾充填不會(huì)造成二次污染，利用城市垃圾填充采空區(qū)，變兩廢為兩利，從而遏制環(huán)境污染，達(dá)到人與自然和諧統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞:煤礦采空區(qū);城市建筑垃圾;密閉充填

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(dòng)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(huì)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。現(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(jì)，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(xiàng)系統(tǒng)工程將是一項(xiàng)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(bào)》，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(xiǎn)廢物的產(chǎn)生量為4498．9萬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23560．2萬t［5］。數(shù)據(jù)表明，各類垃圾都呈增長的趨勢，解決垃圾問題就是將垃圾減容、減量、資源化、能源化及無害化處理，而最好的途徑是綜合利用。最新的處理方法是LIY等［6］研究的通過軸爐無害化處理城市固體廢物焚化爐粉煤灰，在模擬無國界醫(yī)生組織冶煉條件下，F(xiàn)A二英破壞清除效率達(dá)到99．99%以上;賈建新等［7］也通過以政策鼓勵(lì)收集垃圾再進(jìn)行分類處理垃圾;柏繼松等［8］通過混燒煤和垃圾衍生燃料實(shí)驗(yàn)，表明了兩者的燃燒特性基本未變;劉玲等［9］分析了再生骨料混凝土的制備，闡述了利用建筑垃圾資源化的過程;姚志通［10］研究以粉煤灰為原料制取白炭黑、氧化鋁，合成沸石分子篩以及制備微晶玻璃等來解決固體廢棄物粉煤灰的資源化利用。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(dòng)引起的覆巖破壞運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(gè)不錯(cuò)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(xiàng)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(jì)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150mm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(gè)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(shí)，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500m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(shí)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。

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(dòng)化程度，解決充填液壓支架自動(dòng)控制中精度和聯(lián)動(dòng)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(dòng)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。

3．5充填密封

垃圾充填流程如圖3所示。當(dāng)把垃圾填入地下后，垃圾濾液會(huì)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(huì)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(shí)間、終凝時(shí)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(shí)，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(gè)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(shí)有效的支撐或充填，防止頂板下沉，否則會(huì)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(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益雙贏。

作者:龔遠(yuǎn)恒 黃青榮 單位:貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院