采空区的煤矸石填埋处理方法与流程

本发明涉及固废利用，具体而言，涉及一种采空区的煤矸石填埋处理方法。

背景技术：

1、煤矸石是和原煤共生的一种岩石，是随着原煤的开采，产生的一种固体废弃物。煤矸石是由多种矿岩组成的混合物，主要有黏土岩类、砂岩类、碳酸盐类和铝质岩石类等，其中黏土岩类占有相当大的比例。煤矸石的化学组成主要是有机质和无机质，无机质主要是sio2、al2o3，其次是fe2o3、cao、mgo、na2o、k2o，和部分ti、ga、co、cu、zn、mn、co等，还含有pb、cd、hg、cr等有毒重金属。而煤炭开采形成的采空区若不采取任何措施会沉降形成永久性盆地，严重干扰土壤性质，对养分循环产生不利影响，使得土地变得贫瘠和无生产力，加剧土地资源的匮乏。

2、现有技术中，专利cn113441525a、cn112943356a、cn109718498a、cn110529119a均公开使用煤矸石进行固废利用或者采空区回填的技术方案，但是煤矸石直接回填存在孔隙度过大，容易混入空气导致自燃的问题；而且存在较高含量的重金属，如果直接回填会污染周围的地下水和地表水源，造成长期的重金属污染。一般情况下，利用煤矸石对煤矿塌陷区进行复垦回填需要根据具体的情况进行，复垦后的土地主要用于农业生产、植树造林和建筑用地。

3、现有技术中的煤矸石回填技术中虽然也有将煤矸石粉碎后制备成浆料填充煤矸石堆中的空隙的记载，但是现有的浆料制备技术大多工艺复杂，需要对煤矸石进行煅烧处理或添加碱性激发剂，从而使得改性煤矸石具有较好的重金属吸附性能，但是碱性物质容易被自然降水冲刷进入土壤，从而对土壤造成二次污染；此外煅烧处理工艺存在成本较高和浪费能源的问题。因此，尽管煤矸石充填复垦取得了一定的进展，但是仍存在着许多问题，比如重金属迁移问题、操作成本高问题等。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种采空区的煤矸石填埋处理方法，以解决现有技术中煤矸石充填采空区时无法兼顾较低的重金属污染和较低的使用成本的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种采空区的煤矸石填埋处理方法，煤矸石包括第一煤矸石、第二煤矸石、第三煤矸石和第四煤矸石；其中，第一煤矸石的平均粒径＜1mm，第二煤矸石的平均粒径为1mm～1cm，第三煤矸石的平均粒径＞1cm、＜2cm，第四煤矸石的平均粒径为2～30cm；其中，方法包括以下步骤：步骤s1，将第一煤矸石、第二煤矸石、第一部分粉煤灰、聚丙烯酸钠、钠基膨润土和水混合，得到煤矸石浆；将煤矸石浆注入并覆盖采空区的底面，得到防渗透层；步骤s2，将风积沙土、第二部分粉煤灰、第三煤矸石、钠基膨润土和水混合，得到煤矸石凝胶；将第四煤矸石填入并覆盖防渗透层的上表面，然后在第四煤矸石的空隙中注入煤矸石凝胶，得到煤矸石填充层；步骤s3，将固体废渣和/或污泥填入并覆盖煤矸石填充层的上表面，得到压实层；步骤s4，交替放置煤矸石填充层和压实层，至填满采空区；步骤s5，在采空区的表面放置土壤覆盖层。

3、进一步地，第一煤矸石的平均粒径为0.1～0.5mm；和/或第二煤矸石的平均粒径为0.3～0.8cm；和/或第三煤矸石可以使用第一煤矸石和/或第二煤矸石进行代替；和/或第四煤矸石的平均粒径为2～10cm。

4、进一步地，步骤s1中，第一煤矸石、第二煤矸石、第一部分粉煤灰、聚丙烯酸钠和钠基膨润土的质量比为(2～5):(4～10):(1～2):(0.01～0.05):(0.5～1)；优选为(3～4):(5～8):(1.2～1.7):(0.02～0.03):(0.7～0.8)；优选地，第一煤矸石和第二煤矸石的质量比为1:(1～2)，更优选为1:(1.3～1.5)；更优选地，聚丙烯酸钠的数均分子量为1000～5000，进一步优选为2000～3000；进一步优选地，煤矸石浆的固含量为50～60wt％。

5、进一步地，步骤s1中，在制备煤矸石浆之前，还包括将第一煤矸石进行表面改性的步骤，表面改性包括：步骤b1，在第一煤矸石中加入浮选剂，以进行浮选，得到浮选物料；步骤b2，在浮选物料中加入有机硅氧烷和聚丙烯酸钠，以进行分散改性，得到表面改性的第一煤矸石；其中，浮选剂为多元醇、羧酸或有机胺的水溶液。

6、进一步地，步骤b1中，多元醇为乙二醇、丙二醇、丁二醇、异戊二醇和甘油的一种或多种；和/或羧酸为乙酸、丙酸、草酸、丙烯酸和琥珀酸的一种或多种；和/或有机胺为乙二胺、丙二胺、二乙二胺和四乙二胺的一种或多种；优选地，浮选剂的质量浓度为5～15wt％。

7、进一步地，步骤b2中，有机硅氧烷的加入量为第一煤矸石质量的0.1～0.5％，优选为0.2～0.3％；聚丙烯酸钠的加入量为第一煤矸石质量的1～3％，优选为1.5～2％；优选地，分散改性的温度为50～80℃，时间为0.1～1h；更优选地，分散改性为超声波分散或微波分散。

8、进一步地，步骤s2中，风积沙土、第二部分粉煤灰、第三煤矸石和钠基膨润土的质量比为(3～5):(3～5):(8～18):(1～3)；优选为(4～4.5):(4～4.5):(10～15):(1.5～2)；优选地，煤矸石凝胶的固含量为40～60％。

9、进一步地，步骤s2中，在制备煤矸石凝胶之前，还包括将第三煤矸石浸渍在活化剂溶液中，以进行活化处理的步骤；优选地，活化剂溶液为聚丙烯酸钠溶液和/或有机羧酸溶液；更优选地，活化剂溶液的质量浓度为0.1～1wt％；进一步优选地，浸渍的时间为1～10h。

10、进一步地，步骤s1中，防渗透层的厚度为30～150cm，优选为50～100cm；和/或步骤s2中，煤矸石层的厚度为3～10m，优选为4～6m；和/或步骤s3中，压实层的厚度为30～70cm，优选为40～60cm；和/或步骤s4中，交替放置煤矸石填充层和压实层，至煤矸石填充层和压实层各放置2～5层；优选各放置3～4层；和/或步骤s5中，土壤覆盖层的厚度为50～150cm，优选为80～100cm。

11、进一步地，步骤s1中，在注入煤矸石浆之前，还包括在采空区的底面铺设有机高分子防渗层的步骤；优选地，有机高分子防渗层为hdpe膜层；和/或步骤s3中，固体废渣为锅炉炉渣，污泥为下水道污泥和/或河道污泥。

12、应用本发明的技术方案，采用防渗透层、煤矸石填充层、压实层、土壤覆盖层多层交替填埋的方式，针对每层的功能单独进行物料设计，最大程度的利用了煤矸石材料。一方面在填埋底层以具有不同粒径的级配煤矸石作为防渗层的主要材料，并添加一系列辅助材料，能够很好地降低渗透率。而且本发明使用的煤矸石不需要进行煅烧等处理，在提高填埋效率、降低填埋成本的同时，充分考虑对环境的破坏和影响，重点关注了现有技术中难以克服的重金属污染问题。另一方面以风积沙土-粉煤灰-煤矸石基浆体材料为胶凝体系，得到具有阻燃和吸附重金属功能的煤矸石凝胶；同时也可以提高煤矸石的堆密度，显著提高填埋体的机械强度。综上，本发明的填埋方法可以很好地兼顾较低的重金属污染和较低的使用成本。

技术特征：

1.一种采空区的煤矸石填埋处理方法，其特征在于，所述煤矸石包括第一煤矸石、第二煤矸石、第三煤矸石和第四煤矸石；其中，所述第一煤矸石的平均粒径＜1mm，所述第二煤矸石的平均粒径为1mm～1cm，所述第三煤矸石的平均粒径＞1cm、＜2cm，所述第四煤矸石的平均粒径为2～30cm；其中，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一煤矸石的平均粒径为0.1～0.5mm；和/或所述第二煤矸石的平均粒径为0.3～0.8cm；和/或所述第三煤矸石可以使用所述第一煤矸石和/或所述第二煤矸石进行代替；和/或所述第四煤矸石的平均粒径为2～10cm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，在制备所述煤矸石浆之前，还包括将所述第一煤矸石进行表面改性的步骤，所述表面改性包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤b1中，

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述步骤b2中，

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中，

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中，在制备所述煤矸石凝胶之前，还包括将所述第三煤矸石浸渍在活化剂溶液中，以进行活化处理的步骤；

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，

技术总结
本发明提供了一种采空区的煤矸石填埋处理方法。该方法包括将第一煤矸石、第二煤矸石、第一部分粉煤灰、聚丙烯酸钠、钠基膨润土和水混合，得到填埋底层防渗透层；将第四煤矸石填入表面，将风积沙土、第二部分粉煤灰、第三煤矸石、钠基膨润土和水混合，得到煤矸石凝胶注入第四煤矸石空隙，得到煤矸石填充层；将固体废渣和/或污泥覆盖煤矸石填充层得到压实层；交替放置煤矸石填充层和压实层至填满采空区；最后放置土壤覆盖层。本发明采用多层交替填埋的方式，以级配煤矸石作为防渗层的主要材料，不需要进行煅烧等处理，可以在解决重金属污染问题的同时降低填埋成本，煤矸石凝胶可以在进一步吸附重金属的同时阻燃并提高填埋体的机械强度。

技术研发人员：郭洋楠,李强,潘金,叶小东,何瑞敏,刘书予,张凯
受保护的技术使用者：国能神东煤炭集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14