新型覆岩离层注浆技术—— 塌陷区治理的一场革命性创新

      “新型覆岩离层注浆技术很有意义，干好了对采煤塌陷区治理技术、煤矿矿山生态修复技术将是一场革命性、颠覆性创新，也为煤矿绿色开采、保护生态及地勘队伍产业结构调整开辟了一条有效途径。”8月31日，在中国煤炭地质总局采空塌陷地质灾害防治技术汇报会上，原国土资源部副部长、中国地质灾害防治工程行业协会会长汪民颇为赞赏地说。
      采空区注浆技术在我国由来已久，为何新型覆岩离层注浆技术能赢得如此高的赞誉？这项技术与其他传统的注浆技术相比又“新”在哪？        绿色理念催生新型注浆技术
      “新型覆岩离层注浆技术是中国煤炭地质总局勘查研究总院掌握的一项核心技术，主要应用于采空区地面减沉控制以及固体废物处理，同时向含水层保护、减少矿井涌水量、防治冲击地压、增强地基承载力等方面拓展运用。目前通过已实施的项目表明，该项技术经济效益、环境效益和社会效益显著。”作为该技术的重要参与者，中国煤炭地质总局勘查研究总院采空塌陷治理所所长杜金龙说。
      事实上，我国早在20世纪50年代，就开始研究采空区地表减沉技术，彼时主要是针对“三下”采煤，单纯地为解放压覆煤炭资源而进行的。
      据有关数据显示，我国生产矿井建（构）筑物下、水体下、铁路下压煤约140亿吨，其中建（构）筑物下压煤约90亿吨。而这还不包括近些年来新建的高铁、高速公路，以及新划的生态红线、自然保护区内压覆的煤炭。
      “我国煤矿建筑物（村庄）下压煤开采问题，一直是困扰我国煤矿的重大技术难题，也是‘三下’采煤中相对较易攻克的难题。如果为了安全起见，不对建筑物下的压覆煤炭进行开采，势必会造成资源浪费，并影响采区的正常接替。而如果要开采，矿区迁村采煤难度大、费用高、矿乡关系复杂，对矿山企业而言很可能‘得不偿失’，采出的煤炭价值还不够村庄搬迁安置费用。所以，研究不迁村采煤技术必要而紧迫。”杜金龙介绍。
      也正基于此，我国相关科研院所及研究人员经过反复实践，研究出了条带开采法、井下充填法和离层注浆法等三种地表减沉技术，并成功应用于工程实践。
      条带开采法曾在早期释放我国“三下”压覆煤炭资源发挥了极为重要的作用，技术工艺相对简单也比较成熟，可有效控制开采沉陷。但由于煤炭采出率与生产效率低、巷道掘进率高，目前已逐渐趋于淘汰。井下充填法是在条带开采法基础上更进一步优化的技术，近年来颇受关注，主要包括矸石充填（机械充填、风力充填、水砂充填等）、膏体（似膏体）充填和高水充填。但由于井下充填与采煤相互干扰严重，生产效率低，且初期投资大、成本高，煤矿企业常常难以承受。
      “而覆岩离层注浆法由于成本低、煤炭回采率与生产效率高，适合高产能等特点，符合国家产业政策，日益受到重视。”中国煤炭地质总局党委委员、副局长潘树仁介绍，覆岩离层注浆技术是针对矿山开采全生命周期的绿色技术，贯穿于采空塌陷绿色设计、采中预防和采后治理，是解决矿井开采破坏与环境保护、和谐发展的低成本、可持续、新型绿色开采技术。
      如果说传统的地表防沉技术只是单纯地为了释放压覆的煤炭资源，那么这种新型的覆岩离层注浆技术则是释放压覆煤炭资源与防治地表塌陷、保护生态环境的有机统一。有关数据显示，截至2016年底，全国已有采空塌陷区约9000平方公里，且年增600平方公里~900平方公里，仅山西省就有采空塌陷区约3000平方公里。
      通过这种注浆技术，在防治地表塌陷以及治理已有采空塌陷区过程中，不仅可以消化掉大量的粉煤灰、煤矸石等工业固体废弃物，还可以有效保护上部地层和含水层，利于生态文明建设。
      “见缝插针”提前防沉
      覆岩离层注浆技术之所以优于其他传统地表减沉技术，并能更加有效地保护生态环境，关键是其提前主动防治，在采煤采空区上部地层出现离层尚未塌陷垮落之时，第一时间内进行“见缝插针”式的注浆处理，从而相对保持了稳定的地层结构，避免了形成塌陷区、造成地层破坏后的“亡羊补牢”的被动式治理。
      “地下煤层开采后，会在煤层上覆岩层中形成上三带，即垮落带、裂隙带和弯曲带。在弯曲带内部软硬岩石之间，且上位岩层抗弯刚度大于下位岩层时，常常会出现离层。离层的发育经历始动期、扩展期和闭合期三个阶段。”杜金龙进一步解释说，“离层上部的硬岩层在覆岩移动中起主要控制作用，称之为关键层。若对其上部直至地表的全部岩层起控制作用，则称之为主关键层；若厚硬岩层只对其上局部岩层起控制作用，则称之为亚关键层。”
      事实上，我国从1985年就开始从波兰引进离层注浆技术，并在抚顺老虎台矿进行试验。后来，该技术又先后在山东兖州东滩矿、济宁二号井、新汶华丰矿，淮南李一矿，江苏大屯矿，以及淮北、阳泉、临沂、义马等地进行了大量试验。根据各矿区试验结果表明，传统的离层注浆方法在不充分开采时减沉效果明显。若达到充分开采时，充填效果较好时减沉率可达到30%~50%，但往往不能满足建筑物下采煤的塌陷要求。
      而新型的覆岩离层注浆技术的关键之处就在于控制住了关键层。该技术利用煤层开采后在上覆岩层形成的离层空间，使用压力泵将煤矸石粉末、粉煤灰、水泥或者混合物浆液，通过注浆管注入到关键层下的离层内，浆液沉淀后水去灰留，形成饱和压实体，从而对上部关键层起到支撑作用，形成“离层区充填体（压实区）+煤柱+关键层”的承载体，保证上部岩层及地面不发生破坏与变形。
      据相关数据显示，传统离层注浆技术注浆浓度较低，一般在25%以下；注浆压力较低，多离层灌浆，不能支撑上部地层自重，同时还存在注浆时机把握不准、泵量较小、钻探技术限制、对关键层和离层空间要求高以及添加剂低劣等问题。而中国煤炭地质总局研发的新型离层注浆技术，则完全克服了上述难点，注浆浓度可以达到75%，且泵流量大，单离层高压注浆，上撑下压，消除残余剩余变形，实现空间守恒。同时，新钻探技术有效突破了环境和地层的制约，可提前成孔，利用水压变化判断离层形成，第一时间内实施注浆。
      “离层注浆后，会形成三方面的力学效应：一是高压浆体对离层上部岩层起到顶托作用，有效地阻止其上部岩层的下沉；二是承压浆液沿离层扩散，离层缝边缘将被撑开而扩大离层空间；三是承压浆液对离层下部岩层施加应力，使下部因煤层采空产生的垮落带和裂隙带被压实。”杜金龙介绍，与传统的离层注浆技术相比，新型覆岩离层注浆技术具有以下明显优点：浆体浓度高，一般不低于60%；注浆压力大，从而既保证浆体充填与运移效果，又有效支撑上部地层；提前成孔，利用水压变化判断离层形成，可抓住有利注浆时机；注浆泵流量大，且可无级变速；钻探技术的发展有效突破了环境和地层制约；优质添加剂的出现可以有效控制浆体凝固时间。
      越是先进的技术工艺，相关的要求也越严格。据了解，该新型离层注浆技术在具体实施过程中，必须要突出把握好关键层确定、注浆层位、钻孔间距、注浆时机、注浆压力等5个环节。
      “在确定了关键层后，关键层下部离层区内、采动导水裂隙带之上则是注浆层面。然后根据关键层破断距及浆液扩散半径确定钻孔间距，在工作面超前支承压力处于峰值时为注浆时机。而注浆压力则根据注浆层位自然地压确定，一般多在6MPa~10MPa之间。”杜金龙进一步分析说。
      做好示范服务生态文明建设
      针对目前常见的地面减沉方法，从煤炭产量、治理成本、工效、工作面采宽、回采率、机械化程度等关键性参数进行对比，该新型覆岩离层注浆技术在保证减沉效果的基础上，具有煤炭工作面采宽大、产量高、治理成本低、工效高、回采率高、适合机械化生产（不需要替换支架）等优点。
      “基于大量工程实践，通过对原有的离层制浆、输浆、注浆技术以及设备工艺进行了改良优化，该新型覆岩离层注浆技术满足了高压、大流量、高效、低成本注浆要求，保证了采空区减沉效果，同时还首次提出了利用离层空间及相关的采空空间进行固废无害化、规模化处置方案。”杜金龙说。
      众所周知，煤矿采空区塌陷后，对生态环境影响最大的则是耕地和地下水的破坏。近年来，有关科研部门尽管研发了多项煤矿采空区防沉技术，但往往是治标不治本，塌了填、填了塌，即便是好不容易控制住了塌陷，也仅仅是保护了耕地，而对地下水的保护则因为难度大、技术要求高基本上没有涉及。
      值得一提的是，该技术则有效地解决了地下水的保护问题。作为一项基于生态文明建设下、矿业开采全生命周期的绿色技术，该技术创造性将“三下”煤炭资源释放与固废处理、生态环境治理有机融合，利用地下空间进行固废充填。同时，利用“充填压实体+保护煤柱+覆岩关键层”的稳定框架结构，保护上部地层及含水层，有效阻截水源破坏、冲击地压及地面变形，达到固废处理、环境治理（地表减沉、含水层保护、防治冲击地压、增强老空区地基承载力）、资源释放等多重目的。
      “矿业开发中最头疼的就是环境问题，而煤炭开采中的环境问题则是重中之重。煤炭开采造成大量塌陷区，对耕地及地下水造成了永久性破坏。但我国短期内很难改变的多煤少油（气）的局面，又决定了国民经济发展离不开煤炭。所以，如何在开发煤炭资源过程中保护好生态环境，并做到煤炭的清洁利用，成为一个亟待解决的课题。”汪民表示，坚持矿业开发与环境保护并重，实现矿业高质量可持续发展是矿业行业的发展方向。尤其是党的十八大以来，把生态文明建设放在更加突出的位置，对矿业行业绿色发展提出了更高更严格的要求。该项技术实现了经济效益和生态环境的统一，对矿业绿色开发、矿区生态修复、采空塌陷区治理技术而言，是一个颠覆性的创新，很有推广意义。要进一步加强科技创新，不断完善深化，尤其是要加强采空区防沉过程、方法、机制的创新，使该项技术更好地服务于生态文明建设。
      中国工程院院士、中国矿业大学博士生导师武强对该项新型注浆技术也给予了高度肯定。他指出，离层注浆技术在我国并不少见，但在特定的地层实施离层注浆，既避免了采空区塌陷，又保护了地下水，能更好地为矿井生产和矿区生态文明建设服务，则是一项国内领先的综合性技术。要成立专门的研究部门，组建研发队伍，抓紧时间申请专利，尽快制定出技术标准，在逐渐进行总结完善的基础上，尽快在全国推广。
      “我国采煤塌陷区面积很大，当前国家及地方正在积极进行治理。该项技术应用领域宽、前景广阔，但从示范到实践还需要一个漫长过程，要加强商业模式的探索，尽快在全国铺开。”原国土资源部地质环境司司长、中国地质灾害防治工程行业协会常务副会长关凤峻建议。
      在中国煤炭地质总局采空塌陷地质灾害防治技术汇报会上，绿色矿山推进会会长史京玺、自然资源部信息中心研究员陈从喜、自然资源部经研院研究员张维宸，以及中国矿业报社的代表针对该项技术也纷纷提出了建议和意见。
      “建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。新的发展理念与友好型环境的迫切需求，为新型覆岩离层注浆技术提供了广阔的舞台。我们要在做好示范项目的基础上，进一步加强科技创新，不断总结完善，尽快形成标准体系，使该项技术更好更全面地服务于绿色矿业发展和生态文明建设。”中国煤炭地质总局党委副书记、副局长任辉最后说。