刘建功1,2 ,李新旺1 ,何 团1

(1. 河北工程大学 河北 邯郸 056038; 2. 国家能源充填采煤技术重点实验室,河北 邢台 054000) 

摘 要:为全面了解煤矿充填开采可行性,国家煤监局组织对我国充填开采技术应用现状进行系统 调研,获取了我国不同区域、不同井型煤矿各种方法充填开采的详细资料。 充填矿井生产实践表 明:实施充填开采,消除了矸石山对生态环境的污染,有效遏制了地表沉陷,保护地表和地下水资 源,避免了地面基础设施和建筑物损毁和村庄搬迁,减少了井下采空区涌水、降低采空区瓦斯积聚、 浮煤自燃等事故发生可能性,取得良好的生态和社会效益。 调研发现,我国仍有很多矿井面临生态 环境破坏问题,有的可以通过充填开采予以解决,但真正选择通过充填开采解决实际问题和坚持长 期充填开采的煤矿占比很小,通过深度调研了解了充填开采实施过程中存在的问题,分析了充填开 采初期建设投资大、周期长、充填成本高、充填物料短缺、充填能力没有很好的发挥和缺乏政策激励 等制约我国充填开采发展的主要因素。 利用调研结果,探讨了区域经济、地质、生态、资源禀赋、产 业特点、产业政策对充填开采的需求程度,以及不同地区、不同井型矿山对充填开采方式的优先选 择原则,并对充填材料来源和充填重点区域进行了分析,研究了我国充填开采技术与装备的发展前 景,提出了利用精准充填建设全过程生态矿山和井下“采选充留”技术路线.

煤炭开采会造成地面塌陷和生态环境破坏,这是 毋庸置疑的事实。 研究数据表明我国现有 23 个 省(市区)、151 个县(市区)分布有采煤沉陷区,采煤 沉陷区面积达 20 000 km 2 ,部分资源型城市塌陷面积 超过了城市总面积的 10% ,严重影响了矿区群众生 产生活、经济发展和社会稳定,已成为影响国计民生 的突出问题[1] 。 

    采煤沉陷区治理引起党中央、国务院的高度关 注。 近年来习近平总书记先后深入徐州市贾汪区和 抚顺西露天矿考察采煤塌陷区治理。 “开展煤矿充 填开采可行性研究” 是国务院采煤沉陷区综合治理 部际联席会议确定的 11 项重点工作之一,为掌握煤 矿充填开采的现状和存在的问题,探讨推行充填开采 技术的可行性,由国家煤矿安全监察局组织,国家煤 矿安监局与河北工程大学联合组成课题组进行专题 调查研究,力求通过实地调研和分析论证,为落实 “因地制宜推广高效充填开采等先进工艺技术,降低 采煤沉陷影响”提供科学决策依据。 

    充填开采是近年发展起来的生态保护性开采技 术,采用充填开采防控采煤沉陷并建设生态矿山,涵 盖煤矿安全生产、生态环境治理、废弃物利用等多个 领域,更多的是侧重社会公益事业,符合生态文明建 设和保护环境的发展战略[2-4] 。 笔者在全国充填开采可行性调研的基础上,客观 分析了我国煤矿充填开采技术的应用现状与存在的 问题,以及推广应用制约的因素,为进一步扩大我国 充填开采的应用范围,研究我国煤矿充填开采的区域 战略、精准模式与政策体系,提供了数据支持和理论 依据[5-7] 。 

1 我国煤矿充填开采技术应用现 状 

   充填开采是从源头防止地表沉陷,实现以最小的 生态扰动获取煤炭资源,把对生态环境、水土资源和 基础设施等影响限制在生态环境对开采行为容忍度 可控范围之内的有效方法,促进煤炭开采和生态环境 协调、共融发展。 图 1 为垮落法和充填开采的对比情 况,垮落法采煤开采后上覆岩层垮落,含水层破坏,地 表沉陷,建筑物和地表水系受到破坏,而充填开采法 用充填体支撑顶板,上覆岩层不垮落,有效地保护了 地表生态[8-11] 。

1． 1 我国充填开采技术

   目前,我国煤矿应用的充填开采方法与技术主要 有固体工作面充填开采、固体巷道充填、膏体工作面 充填开采、覆岩离层注浆充填开采和高水材料充填开 采等几种方法[12-15] 。 

1． 1． 1 固体充填开采技术    

  固体充填开采技术分为工作面充填和巷道充填 固体工作面充填开采技术,是将井下采煤、掘进过程 。 中产生的矸石及地面洗选过程中产生的矸石,通过机 械破碎后,配以粉煤灰、黄土等辅料,利用连续输送系 统将充填材料输送至工作面进行采后直接充填,并用推压密实装置对充填物料推压密实,实现采空区密实 充填。 目前综合机械化固体工作面充填技术已在河 北邢台、开滦矿区,山东新汶矿区,山西阳泉、西山矿 区等地推广应用[12-15] 。 固体巷道充填开采技术,是将岩巷掘进产生的矸 石在井下直接运输、破碎后,由给料机、带式输送机运 至充填巷掘进工作面,经矸石胶带抛矸机充填。 与其 他矸石处理方法相比 果好的特点[8-11] ,具有系统简单、投资小、充填效

1． 1． 2 膏体充填 。  

   开采技术 工作面膏体充填开采技术是将煤矿生产过程中 产生的煤矸石、电厂产生的粉煤灰、工业炉渣等固体 废弃物,在地面加工制成浆状充填材料,通过专用充 填泵加压,利用充填管道将充填物料输送至井下工作 面。 工作面膏体充填开采技术已经在我国淄博、济 宁、峰峰、焦作等矿区开展了应用[8-11] 。 覆岩离层注浆充填开采技术也是膏体充填一种 形式,是利用煤层开采后覆岩下沉开裂过程中形成的 离层空间,借助高压注浆泵,从地面通过钻孔向离层 空间注入充填材料,减少采出空间向上的传递,支撑 离层上位岩层、减缓岩层进一步弯曲下沉,从而达到 减缓地表下沉的目的。 安徽淮北矿业集团临涣煤矿 采用离层注浆充填开采效果显著。 

1． 1． 3 高水充填采煤技术 

   高水充填开采是将制备好的高水充填材料通过 管路输送至工作面采空区充填袋(包),待凝固后形 成固定形状的支撑体,起到支撑顶板的作用。 由于其 具有流动性好的特点,可以通过地面打孔至采空区进 行灌注,也可以通过管路直接输送至采空区,在邯郸、 临沂等矿区进行了应用[8-11] 。 1． 2 煤矿充填开采在我国的应用情况 调查数据表明,截至 2018 年 8 月,我国 26 个分 布有煤矿的省份中已采用及拟采用(充填系统施工 准备或施工阶段)充填开采的省份有 13 个,涉及 51 家矿业集团公司、75 座煤矿,我国充填矿井数量总体 偏低,充填过或正在充填开采的矿井见表 1。

我国各省充填矿井数量如图 2 所示。 由图 2 可 知,我国各省充填矿井数量分布不均衡,充填矿井主 要集中在华东地区,如山东、山西、河北、河南、安徽等 省份;陕西、内蒙古、宁夏充填矿井数目呈现上升趋 势,拟充填矿井数目增多;华南地区、东北地区充填矿 井零星分布,数量较少。

图 2 我国各省充填矿井数量分布 

Fig． 2 Distribution of filling mines per province in China 

多种充填方式在我国不同矿井取得了应用,如图 3 所示。 其中,固体充填方式应用较多,膏体充填、超 高水充填也有不少矿井进行了应用。

图 3 各种充填方式应用的矿井数量 

Fig． 3 Number of mines for various types of filling 

1． 3 我国充填矿井的井型特征 

  按照 煤 炭 生 产 能 力, 我 国 煤 矿 分 为 大 型 煤 矿(≥120 万 t / a)、中型煤矿 ( 30 万 t / a < 生产能力 <120 万 t / a)、小型煤矿(≤30 万 t / a),部分文献又 将(≥300 万 t / a)矿井称为特大型矿井,同时除华南 地 区 外, 我 国 其 他 省 份 绝 大 部 分 矿 井 产 能 均 在 60 万 t / a 之上。 为便于分析,将我国矿井井型划分为更加细致的 区段(≤60 万 t / a),(60 万 t / a<生产能力≤120 万 t / a),(120 万 t / a<生产能力≤180 万 t / a),(180 万 t / a <生产能力≤300 万 t / a),(300 万 t / a <生产能力≤ 500 万 t / a),(>500 万 t / a),我国不同井型充填矿井 的数量如图 4 所示。 由图 4 可知,我国不同井型矿井 均存在充填开采的实际需求,不同井型均有充填实 例;目前充填开采在中小型矿井及产能≤500 万 t / a 的大型矿井中应用较多;产能>500 万 t / a 的特大型 矿井充填实例较少,但有逐步增多的趋势。

图 4 不同井型充填矿井数量 

Fig． 4 Number of filling mines with different productive capacity 

我国不同井型矿山充填方式如图 5 所示。 由图 5 可知,不同井型矿山选用充填方式的倾向性不一, 中小型矿井充填开采的优先原则是减少地表沉陷,解 放“三下”压煤,延长矿井服务年限;有的煤矿存量矸 石及新增矸石的压力骤增,充填开采的优先原则为处 理固体废弃物。

图 5 不同井型矿井选用的充填方式 

Fig． 5 Filling methods for different productive capacity mine

调研结果显示,固体工作面充填方式早期加工简单、运输方便,成本低,冀中能源邢台矿充填开采早已 达到 100 万 t / a 以上生产能力;固体巷道充填方式受 巷道掘进水平、支护方式和安全因素影响较大,在特 定地区和特殊需求时可以发挥很好的作用;膏体充填 工作面受充填泵能力制约,同时膏体凝固需要时间, 影响了充填开采的产量,但近几年,随着泵送能力的 提高和胶结材料性能的改进,充填能力也在提高。 

1． 4 我国充填矿井的区域特征 

   我国充填开采不同区域充填矿井数量如图 6 所 示,由图 6 可知,目前我国充填矿井主要集中于华东 地区、陕蒙甘宁及环保政策强制区———山西,东北地 区、华南地区充填开采应用较少,西部生态脆弱区目 前无充填矿井。 各产煤区以各自的区域经济、地质生 态状况、资源禀赋、产业特点、产业政策对充填开采有 着不同的需求程度、充填优先原则以及充填方式的选 择[2-3] 。 

图 6 我国各产煤区域充填矿井数量分布 

Fig． 6 Number distribution of filling mines per coal producing area in China 

(1)华东地区。 华东地区主要包括河北、河南、山东、安徽、江苏 等地。 该区人口密集、经济发展迅速、土地资源紧缺, 对矿山绿色开采的需求度高。 矿井开采面临的搬迁 压力巨大,如冀中能源集团邢台矿、邢东矿位于城郊, 唐山矿甚至位于城市中心,矿井充填开采的优先原则 为控制地表沉陷、处理存量矸石。 华东地区煤矿建井 早,许多矿井建国初期建井,开采历史长,开滦集团、 峰峰集团开采历史百年以上,冀中能源邯矿集团许多 老矿井饱受资源枯竭的困扰,充填开采的优先原则为 解放“三下”压煤,延长矿井服务年限,如邯矿集团的 陶一矿、亨健矿等。 

(2)山西省。 山西省煤炭资源丰富、煤种齐全、开采条件好; 以大型煤矿为主,生产力水平较高,安全保障程度 较高。 但是,山西省采空区塌陷极其严重,存量及 新增矸石处理难度大、水资源严重匮乏,毗邻京津 冀,环保压力巨大。 近年来,山西省一系列环保政 策密集出台,特别是 2018 年以来,山西省政府要求 矿井消灭矸石山,矿山企业为符合政策要求,对充 填开采进行了密集调研,充填开采意愿强烈,如山 西省华晟荣煤矿、高河煤矿。 山西省煤矿充填开采 的优先原则为处理存量及新增矸石、消灭矸石山, 以符合山西省的政策要求。 

(3)陕蒙宁甘。 陕西、内蒙古、宁夏、甘肃等省(区) 以大型煤矿 为主,煤炭产量大,矸石量也大,运用充填开采处理矸 石具有广阔的应用前景,目前,新增大量的拟充填矿 井,该区矿井在高产高效的优先原则下,局部进行充 填开采,主要实现处理矸石的目标,如神东煤炭公司 布尔台、寸草塔煤矿,神华宁夏煤业有限公司任家庄 煤矿、红石湾煤矿。

(4)东北地区。 辽宁、吉林、黑龙江 3 省煤种齐全,煤质优良;开 采历史长、强度大,剩余资源量少,矿山饱受资源枯竭 的困扰;规划建设的大型矿井很少,以中小型矿井为 主,开采条件较差,随着矿井进入深部开采,灾害加 重;采煤沉陷对土地和地面设施的影响较大。 东北地 区充填开采的优先原则为解放“三下”压煤,延长矿 井服务年限,同时为东北地区冲击地压及煤与瓦斯突 出等灾害治理提供了新的途径,具有广阔的应用前 景。

(5)华南地区。 华南地区煤矿地质条件较为复杂,矿井规模偏 小,充填开采多为解放“三下”压煤及消除矿井灾害, 充填开采为华南地区冲击地压及煤与瓦斯突出等灾 害治理提供了新的途径,具有广阔的应用前景,如:贵 州发耳二矿充填开采处理固体废弃物,消除煤与瓦斯 突出、煤层自燃及突水威胁。 

(6)新疆和青海地区。 新疆和青海煤炭资源丰富、开采条件好,但该区 生态环境脆弱、水资源匮乏,环境是该区煤炭生产的 主控因素。 国家能源局、财政部、国土资源部和环境 保护部研究制定了《煤矿充填开采工作指导意见》要 求新建煤矿不再设立永久性地面矸石山,西部生态脆 弱区是我国充填开采未来的潜在应用区域。 充填矿井生产实践表明,实施充填开采,充填材 料充满采空空间,减少了井下采空区水、瓦斯积聚空 间,降低采空区突水、瓦斯爆炸、有害气体突出、浮煤 自燃等事故发生可能性。 充填开采大量消化矸石,减 少地面矸石山占地,消除了矸石山对生态环境的污 染;有效遏制地表沉陷,保护地表和地下水资源,避免 了地面基础设施和建筑物损毁和村庄搬迁;实现资源开发与生态环境协调发展,取得良好的生态和社会效 益。

(未完待续）