废弃煤矿废弃物地下灌注技术可行性探讨_冀前辉.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探 COALGEOLCXN gob subsidence; waste disposal; hydraulic backfilling; fracturing; detection of fracture 中国是煤炭生产和消费大国，开采煤炭形成的采 空区易造成地面塌陷、产生矿井废水［1-2］，采煤、洗选 和消费煤炭会产生大量固体废弃物，对环境造成破坏。 国外一些企业在进行石油开采过程中，采用高压 压裂的方法将废弃物回灌到油气采区，从而达到保护 生态环境的目的，该技术已经在美国、加拿大等石油、 天然气采区得到广泛应用［3］。本文借鉴国外技术，拟 就废弃煤矿进行废弃物灌注技术进行可行性研究，以 期为煤矿区合理处置煤矿生产、消费过程中产生的固 体废弃物，减少废弃煤矿带来的地面沉降等灾害提供 有效途径。 I 废弃煤矿废弃物灌注技术 I.I 典型废弃物类型及当前处理方法 在煤炭生产和使用过程中，会不可避免地产生煤 肝石、煤矿废水、粉煤灰等污染物。煤E干石主要产生 于采煤和洗选煤过程中，一般来说，我国所采原煤的 收稿日期2013-10-28 10会被作为煤肝石废弃，另外12～18在洗选煤 过程中被区分为煤肝石［I］。如果对煤肝石进行不合理 处置，其包含的Fe203、CaO、MgO等矿物质有可能 对环境产生负面影响。煤矿废水是煤矿生产过程中的 液体废弃物，在煤炭开采过程中，地下含水地层中的 水会通过一些裂隙渗透到煤矿巷道和工作面中，为保 证煤矿安全生产，这些矿井涌水需要通过水泵抽出地 面，在生产过程中，岩粉、煤粉、人为污染以及微有 机物等有可能与矿井涌水昆合而发生一系列物理、化 学反应，使得矿井涌水多含有大量亚铁和硫酸盐物 质，并掺杂大量悬浮固体杂质。我国生产lt原煤大 概要从井下排出废水0.5～10m3[4l。另外不同矿区的 矿井涌水性质往往不同，这都为矿井涌水的无害化处 理带来了难度。粉煤灰主要产生于火力发电过程中， 是煤炭燃烧产生大量的固体残留物，我国粉煤灰年排 放量在2 108t以上l巧’这些粉煤灰的处理越来越成 为一个难题。 作者简介冀前辉（1984一），男，河南禹州人，硕士，从事钻探设备及工艺的研究与开发工作． ChaoXing 70 煤田地质与勘探第42卷 目前．针对以上废弃物的处理依然简单粗放。除 了少数煤矿进行井底粉碎、回填外，相当一部分煤矿 依然采用地面堆积等方法处置埠肝石。煤石干石的地面 堆积容易产生火灾并引起空气污染。部分企业利用粉 煤灰作为建筑材料的原料，但大多数粉煤灰依然采用 简单的堆积填埋处理。堆积的煤肝石或者粉煤灰中的 化学物质在雨水的冲刷作用下极易对地下水饮用资 源造成污染。对于煤矿废水，目前主要采用简单处理 后排放到自然水系中，这对于地表水以及地下水资源 的污染风险极大。 1.2 废弃物灌注技术 废弃煤矿废弃物灌注技术是指将符合条件的废 弃煤矿作为地下“储存室”，在地面通过专用设备将废 弃物与水进行混合，然后通过一系列方法液力回填到 采空区和废弃巷道中，达到合理处置废弃物、减少废 弃煤矿危害、保护生态环境的目的。 1.3 目标地层选择 在废弃煤矿中进行废弃物回填处置时，合理选择 目标地层至关重要。在选择目标地层时需要重点考虑 地质条件、施工经济性、地面条件、环境等因素。目 标地层的选择原则可以概括为以下几个方面 a.目标层自身特征一定的厚度、高空隙率和 渗透率、一定的存贮能力、迅速的压力衰减能力。 b.目标层的地质埋藏条件目标地层应具有一 定的埋深，一般来说，埋深应大于300-400m；目标 层与地下饮用水源之间至少具备一个隔水层和一个 过渡层。其中隔水层是一种相当厚的、极低孔隙度的 硬质岩层．该岩层能够有效隔离饮用水层和过疲层， 防止废弃物向上运移造成饮用水源污染；过渡层则由 交替的砂岩、页岩等组成，覆盖于目标层上部，随着 时间的推移，废弃物的液体物质可能会运移到过渡地 层［6]C 我国煤矿有多数顶板和底板为砂岩，比较适合作 为废弃物的存放区域，另外，煤矿开采会在开采区域 留下很多采空区、废弃巷道等空间，可以将煤矿采空 区区域以及其顶底板作为目标区域。 1.4 灌注方法 废弃煤矿灌注采用液力回填的方法，即将固体废 弃物经过粉碎、筛分后与流体废弃物进行充分混合， 然后通过一些设备回灌到煤矿井下，从而达到安全处 置废弃物并减少废弃煤矿次生灾害的方法。具体实施 时，可以采用以下3种充填方法。 a.可拉克填该方法的目标区域为井下废弃巷 道或者已开采工作面。在地面将废弃物与水进行混 合，形成糊状棍合物，然后利用现有煤矿的井下管道， 将1昆合物输送至目标区域。由于煤矿尚未完全废弃， 人可以部分进入到巷道中，因此可以采用人工操作针 对煤矿井下的空间区域进行充填。具体施工时，往往 首先对井下空间进行区域划分，并建立简易阻拦坝， 然后分别对各段进行充填。该方法可以根据充填现场 情况人为地控制、选择、更改充填区域和充填参数， 因此往往具有较高的充填效率。 b.低压充填当煤矿已经废弃或者巷道不具备 井下充填的要求，此时可以采用从地面向目标地层进 行充填。在煤矿采空区上方地面施工垂直向下钻孔， 混合后的废弃物在重力作用下通过管道被输送至井 下。此时可以采用连续充填的方法快速充满井下废弃 巷道、采空区等空间。低压充填的效果取决于注入井 位置的选择和废弃液体的流动性。在设计井位时．应 尽量将注入井选择在地势较高的位置，这样废弃液体 就会在重力作用下向空隙流动。充填压力可随井下可 充填空间的缩小而逐渐增大（图I）。 图 Fig. I 低Ji.先填高Ii汇iii.itIii }Jf辛放 5. 3川、川、 -“ 日二 嫂 }Ii}）释放 「一一」一一「 时1i1J I 废弃煤矿低压充填和高压灌注压力示意图 Pressure of low pressure backfilling and high pressure injection in abandon coal mine c.压裂灌注压裂灌注应用在低压充填之后， 采用断续高压灌注的方式将废弃物灌注到目标地层 中。高压灌注时，会在目标地层诱发水力压裂事件。 在高压力作用下，煤层采空区或者顶底板的自然裂缝 会张开，废弃物进入到目标地层的裂隙和空隙中。当 灌注压力增高大于地层最小应力时（可达30-50MPa）.目 标地层在高压作用下，自然裂隙被打开，废弃物填充 到裂隙中，此时成为高压灌注阶段。该阶段时间一般 可持续8～12 h（根据地质条件不同有所区别fl。完成 阶段压裂充填后，停止高压灌注，进入压力释放阶段， 此时地层将“吸收消化”压力（图I）。反复进行以上 操作，将污染物固化在地层中，从而达到存贮废料的 目的。 2 工程实现 2.1 设备需求 废弃煤矿灌注工程的地面设备主要包括粉碎机、 震动筛分机、海合搅拌机、传输设备、高压泵等设备。 ChaoXing 第4期冀前辉；废弃煤矿废弃物地下灌注技术可行性探讨 71 罔体废弃物如煤石干石等首先由粉碎机粉碎为小颗粒， 大颗粒由震动筛分机分离出来。小颗粒与矿井废水在混 合搅拌机中充分棍合，然后通过输送设备送至井口或者 高压泵。在可控充填和低压灌注过程中，混合物直接通 过管道输送至目标地层，在压裂充填过程中．混合物通 过高压泵被灌注到注入井中。 2.2 注入井施工 注入井多采用垂直钻井，钻井井位取决于煤矿井 下和地面条件。通常，可以根据煤矿采空区位置分布 将注入区域划分为不同区块，结合地面施工条件确定 钻井位置。注入井需要采用多级套管，以便满足长时 间作业需求。如图2所示，在穿过饮用地下水区域需 要安设孔口管；根据地质情况不同，安设一级或者多 级安全套管，用来保证钻孔的稳定性；最后安设注入 套管至目标地层（采空区或者巷道）。其中注入套管顶 端设计有筛，注入套管直径可在100～150mm进行选 取，筛孔的直径为10～20mm，筛孔数量取决于目标 地层的厚度等参数［8］。 2 I－井筒，2一倾斜检测仪；3一注入井；4-l监测井；5一检波器； 6孔n管；7一安全套管8一注入套管；9注入管； 10-/f力检测仪，门一筛孔12一注入废弃物；13废弃巷道． 14一止水； 图2注入井施E及监视1］系统示意图 Fig.2 Construction of injection well and monitoring system 2.3 检测与控制 在进行废弃煤矿回注过程中，灌注废弃物的压 力、茹度、密度以及固体颗粒含量等都是直接影响灌 注效果的重要参数。另外，高压灌注会诱发大量的压 裂事件7）。监视lj压裂裂缝的大小和扩展方向对于控制 废弃物回灌的环境影响具有重要意义。因此应针对注 入过程中的压力、流量、裂缝扩展情况、废弃物位置 等进行监测。在废弃煤矿废弃物灌注过程中，应着重 进行以下几个方面的检测与控制 a.混合物特性检测与控制在注入口安设粘度检 测装置以及浓度检测装置，在混合搅拌装置上安装固体 废弃物加入量控制系统。在具体施工时，根据压力数值 等对混合物的粘度、浓度等进行检测与调节。 b.灌注压力检测灌注压力是重要的施工丁，艺 参数，在3种充填方法施工过程中均应进行压力检 测。井下可控充填时，）11］｝王装置安装在充填l质嘴处， 施工人员能够直接读取灌注压力；而在低ffi充填和儿 裂灌注过程中，井底设置的压力检测装置能将压力值 传输到地面，通过对其分析指导灌注施工。 c.压裂裂缝监测在井下可控充填以及地面低 压充填过程中，由于其回注压力小，并且仅能填满井 下采空区，不会诱发斥裂事件，因而不需要进行裂缝 检测；但在高压灌注过程中，应采用微震检i贝lj技术监 测压裂裂缝扩展情况。具体实施时，根据注入井位置 施工监测井（二次施士后可以改为下一个注入井）．煤 矿井筒可以作为同定检测斗。将检波器安装在检测井 中（图2），采用微震检测系统实时监测高照准件．过程 中的微震信号，然后基于合成微震成像技术，检测灌 注压裂裂缝扩展。 d.地面隆起监坝’l由于废弃煤矿埋深较是．采 用高压灌注会对地面产生微小隆起υ如果降起发展不 正常有可能对环境产生负面影响，因此高斥灌注过科 中需要监测地面隆起［9］。具体实施时．在陀人井周用 按照一定规则布置地面斜度仪检测倾斜度．旨在掌握 地面隆起状况，并将其作为重要施［T.艺参数。 3总结 利用废弃煤矿进行废弃物处置具有技术可行性 首先根据地质条件选择合适的废弃矿井．将其采空区 和顶底板作为目标地层σ在地面对同体废弃物进行物 理处理并与废水混合均匀后，通过可控充填、低压充 填以及高压灌注等方法将废弃物灌沌到废弃煤矿中。 在施工过程中检测与控制混合物特性、啦’应压力、压 裂裂缝、地面隆起等旨在保证灌注过程不产生环境危 害。该方法进行废弃物处置具有显著的优点，主要表 现在以下几个方面 a.采用废弃物填充能有效减少废弃物尤其是废 水和煤肝石对环境的影响。 b.能减少煤矿采空区塌陷，有效保护地面耕地、 建筑物等财产。 c.降低废弃煤矿瓦斯聚集．防止煤矿废弃后的 次生灾害。 然而由于该方法涉及的设备较多、工艺复杂，同 时施工条件也依赖于废弃煤矿不同的地质条件，且施 工中会产生一定直接成本，因而需要对该方法的实施 过程、参数控制等作深入的研究。 （下转第76页） ChaoXing 76 煤田地质与勘探第42卷 CDP 100 nu nu 气，－ mE与工一 言300 400 500 罔6井下地震处理的叠加剖面 Fig. 6 Stacked section after seismic data processmg 组煤有了明显反映，下组煤的结构及赋存状态在井下地 震剖面上有了更明显的特征。 4结论 针对煤矿井下地震勘探由于激发、接收条件受 限而存在的延迟时、地震能量不一致的问题，根据 初至时间统计得到的时差来进行延迟时校正；将地 表一致性校正模型用于井下地震资料处理，确定了 反射振幅一致性校正模型。在对数／频率域分解得到 4个振幅分量，由此求得校正系数，用于时间域各 道数据的校正。对井下地震数据进行振幅一致性处 理后，目的层的成像效果有了较大改善。 噪音的存在对煤矿井下地震资料校正处理结果 的影响较大，因此校正前的预处理工作较为关键。 另外．煤矿井下三维地震勘探是今后的发展方向， 对其数据处理与校正方法，尚需进一步研究。 参考文献 [I］程建远．李渐龙．张广忠，等煤矿井下地震勘探技术应用现 状与发展展望［几勘探地球物理进展，2009.322 96-100. 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