城市建筑垃圾充填煤矿采空区浅析
摘要:为了减少地表土地资源的浪费，节约空间，降低污染以及减少煤矿充填开采成本。把地面堆放的城市建筑垃圾处置与地下采空区填充治理理念相结合，针对城市综合利用垃圾物理处理和热处理的方法，将垃圾脱水、压制成块体，作为煤矿采空区充填材料。针对煤矿采空区，采用“充填开采一体化”的方法处理采空区，在充填机构配合下实现每一充填循环的封闭，保证垃圾充填不会造成二次污染，利用城市垃圾填充采空区，变两废为两利，从而遏制环境污染，达到人与自然和谐统一。
关键词:煤矿采空区;城市建筑垃圾;密闭充填
0引言
随着煤炭资源的开发利用，开采技术及方法在不断提高。其中煤矿采空区是指地下矿产被挖掘或者地质运动后在地下产生的空洞。当受力变形达到一定的程度会引起地面裂缝或地表下沉等灾害。而城市垃圾是指城市中固体废物的混合体，包括工业垃圾、建筑垃圾和生活垃圾，如果将这部分垃圾加工处理后作为充填开采的充填体，一举两得，即城市垃圾充填。现阶段，关于城市垃圾充填煤矿采空区的研究不多。谷志孟等［1］提出城市垃圾充填采空区，变两害为一利的环境综合治理建议，为“城市垃圾处理”和“解决采空区问题”提供新思路。王梓桐等［2］发现相对于传统的城市垃圾处理方法，城市垃圾固化后充填煤矿采空区更加科学、环保。刘音等［3］根据城市垃圾处理和矿山充填开采研究现状，提出研究重点，城市垃圾压缩及其固化性能关键技术，利用城市垃圾充填煤矿采空区的充填工艺设计，充填设备研究与开发等。杨睿［4］提出将建筑垃圾用于煤矿采空区充填不仅可以减轻其带来的环境问题，还能有效地治理采空区灾害。针对以上所述，无论是绿色开采和城市垃圾处理，还是二者相结合的城市垃圾采空区充填，其目标均是为了有效处理好生态环境问题。将“城市垃圾处理”“煤矿采空区充填”结合形成一项系统工程将是一项伟大的工程。
1城市垃圾处理现状
根据《2020年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》，2019年，中国大、中城市一般工业固体废物的产生量为13．8亿t，工业危险废物的产生量为4498．9万t，医疗废物产生量为84．3万t，城市生活垃圾产生量为23560．2万t［5］。数据表明，各类垃圾都呈增长的趋势，解决垃圾问题就是将垃圾减容、减量、资源化、能源化及无害化处理，而最好的途径是综合利用。最新的处理方法是LIY等［6］研究的通过轴炉无害化处理城市固体废物焚化炉粉煤灰，在模拟无国界医生组织冶炼条件下，FA二英破坏清除效率达到99．99%以上;贾建新等［7］也通过以政策鼓励收集垃圾再进行分类处理垃圾;柏继松等［8］通过混烧煤和垃圾衍生燃料实验，表明了两者的燃烧特性基本未变;刘玲等［9］分析了再生骨料混凝土的制备，阐述了利用建筑垃圾资源化的过程;姚志通［10］研究以粉煤灰为原料制取白炭黑、氧化铝，合成沸石分子筛以及制备微晶玻璃等来解决固体废弃物粉煤灰的资源化利用。目前国内大多数城市的垃圾还处于混合收集阶段，且处理方式还是传统的填埋、焚烧和堆肥3种方式，虽然各具优点，但其也存在环境二次污染等问题。如垃圾焚烧处理虽然在现阶段是成本较低、效果较好、效益较高的处理方式，但也存在技术缺陷，如:烟气中有害物质超标、燃烧不彻底等。由前人研究可见，城市垃圾利用方式将越来越多，而将其加工转化为采空区充填体未来可期。
2煤矿采空区处理研究现状
目前对煤矿采空区最好的处理方式便是充填处理。但传统充填方法投资大，成本高，且难以实施。对采空区充填，控制采动引起的覆岩破坏运动和离层间隙，从而保障地表稳定性。对采空区充填要切实做好关键层第1次破裂控制工作的岩离层注浆技术，可以实现废弃物的有效循环使用［11］。何标庆等［12］提出将固废资源利用与采空区处理有机结合，利用固体废弃物对大型采空区进行充填处理;张厚泉［13］也提出灌注充填法处理采空区的理念，采用全灌注充填法对采空区地基发育的垮落带空洞、断裂带裂隙等进行加固处理;另外有学者尹丽军等［14］提出注浆法的理念，即注浆法是利用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆液注入到土层、岩层的裂隙或孔洞中，使浆液和岩层一起固化凝结为一体。刘永［15］将风积沙用于制备煤矿井巷条带充填的高沙充填材料，实现低成本保水充填开采。王红伟等［16］分析了大倾角采场矸石分区域充填量化特征及其作用下顶板破坏内在机制，得出了各充填区域长度的量化公式。翟志露［17］在对尾砂胶结充填技术、块石胶结的充填技术、全尾砂充填胶结技术及应用、膏体充填技术及应用浅析中，也强调实现固体废料的再利用，提升矿产资源的开采效益，加强对有毒有害物质的处理，实现绿色采矿的目标。针对众多学者的研究，大多采用尾矿砂与固体废物胶结的方法，尾矿砂是铁、铜等矿山开采后的废物，对此可以实现废物二次利用，但其保水性差且需要经历重重筛选，耗费大量工时，其经济合理性还待商榷。
3“充填开采一体化”技术对策
目前城市固体建筑垃圾堆积如山，难以处理，对环境造成极大影响。然而许多煤矿采空区需要大量的充填材料，仅靠顶板垮落的矸石不足以将采空区充满。因此将城市固体建筑垃圾运至采空区充填将是一个不错的选择，在一定程度上缓解了城市垃圾危机。应注意如何将固体垃圾运至采空区并将其紧密充填以提高强度是一项技术难题。
3．1垃圾固化
城市建筑垃圾之所以固化，首先固体建筑垃圾比较凌乱分散，不方便运输;其次固化能够提高其强度，为采空区支撑顶板提供可靠性，针对垃圾加工，设计出垃圾烘干压块一体机，综合利用垃圾物理处理和热处理的方法，将垃圾脱水、压制成粒径150mm的块体，最后经过六面缠绕封装，作为煤矿采空区充填材料。整个加工技术保证了垃圾充填材料的强度和无滤液。
3．2运输环节
目前用城市固体建筑垃圾充填采空区仍是纸上谈兵，运输问题是该方法面临的重大挑战。城市与矿山之间距离遥远，城市固体建筑分散凌乱，密度较低，这环节是运输需解决的首要任务。而当矿物运到矿山时，采空区所需的充填材料用矿车由副井下放到井底车场，经主要运输石门、运输大巷、采区运输石门、采区下部材料车场，由采区轨道上山提升到区段回风平巷，再运到工作面采空区。
3．3充填
采空区充填采煤法，通过改装充填液压支架，增设充填机构，实现工作面“开采―充填”一体化。以城市建筑垃圾为原料制备煤矿膏体充填骨料的方法［18］，可以作为参考城市固体废弃物深井封闭和充填开采方法［19］，该方法主要针对垃圾封存技术，对充填前巷道围岩裂隙进行注浆封闭、巷道表面进行喷浆处理，待充填后每隔500m分段组封闭墙。采用封闭墙Ⅰ4、封闭墙Ⅱ5双道双墙结构作为封闭墙，同时留设封闭墙观测孔1、封闭墙压力孔2和泄水孔3，方便后续的监测及处理。如图1所示。
3．4充填支架
在非煤矿方面，充填开采已经发展的较好，但是在煤矿由于成本高而未得到推广，与之配套的充填支架也不多。马婧［20］通过分析支架与直接顶的相互作用关系，构建了直接顶悬臂梁力学模型等，得到了主要承载组件的具体载荷参数。赵立胜等［21］为进一步提高固体充填液压支架的自动化程度，解决充填液压支架自动控制中精度和联动性能差的问题，提出了一种基于PLC的固体充填液压支架自动控制系统，提高了充填液压支架的稳定性和可靠性。以上2种支架都有一定优势，也是目前比较先进的充填支架，本次垃圾充填选用液压支架，如图2所示。
3．5充填密封
垃圾充填流程如图3所示。当把垃圾填入地下后，垃圾滤液会对地下土壤、水等造成严重污染，故充填物料经过六面缠绕封装、充填体在采空区六面封闭、充填体注浆密封。密闭后，垃圾进行“自我消化处理”，在该密闭空间内，不会对地下造成污染。
4技术所面临的问题
4．1城市垃圾分类及压缩固化技术由于城市固体垃圾组成成分不同，因此，从城市建筑垃圾分类开始，研究固体垃圾膏体充填工艺中地面预处理环节，包含筛分工艺和破碎工艺;城市垃圾经过筛分确定充填体的组成成分，确定固体垃圾充填浆体在初凝时间、终凝时间、坍落度以及泌水率等相关技术指标之间的相似性，最终确定合适的城市建筑垃圾作为膏体充填骨料。
4．2城市垃圾材料填充工艺及技术
确定好填充材料的配比，对于填充工艺的研究是非常重要的，对于不同的地质环境与自然环境，填充工艺是不同的，填充需要的设备不同，填充材料的配比也不同。因此，需要对不同情况下，填充工艺进行研究，确定合理的填充设备、填充配比等，以保证填充后的采空区安全稳定。
4．3密闭充填
进行封闭充填时，封闭的材料选取困难，要考虑其牢固性，且不能对地下造成污染，从而达到足够密闭。
5结语
城市建筑垃圾堆积如山，如何处理建筑垃圾是一个棘手的问题，而煤炭地下开采形成的采空区需要得到及时有效的支撑或充填，防止顶板下沉，否则会引起地表沉陷，造成环境破坏及经济损失。将“城市垃圾处理”与“煤矿采空区充填”结合起来进行系统研究，既可解决充填体成本，又保护了生态环境达到绿色开采。用城市建筑垃圾来充填采空区既减轻了城市建筑垃圾对环境的危害，还可以降低煤矿充填材料成本，更是废弃物再次利用，达到社会效益与经济效益双赢。
龚远恒 黄青荣 贵州大学矿业学院
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