2 我国煤矿充填开采推广应用的制约因素 

   煤矿充填开采能够主动保护地表环境,以最小的 生态扰动获取煤炭资源,当控制地表沉陷或保护生态 环境对煤炭开采有特殊要求或约束时,应积极采用充 填开采,扩大其应用范围。 调研表明,我国充填矿井主要集中于华东地区及 晋陕蒙甘宁,但该区域仍有更多矿井面临生态环境破 坏、沉陷区治理、地面建筑物保护、矸石山污染等问 题,这些问题都可以通过充填开采予以解决。 总体来 看,选择通过充填开采解决实际问题与坚持长期充填 开采的煤矿占比很小,通过调研与深度走访发现,制 约充填开采技术推广有技术本身原因、有企业原因, 也有政策支持力度原因,需认真分析、研究,并予以解 

2． 1 。 充填开采投资大、建设周期长 

  煤矿建设设计之初没有规划井下矸石处理系统, 这导致充填开采需要在原建井的基础上增设充填系 统,包括充填材料的制备、充填材料的下运、井下充填 系统的形成和充填装备等,需要在地面建设矸石储 运、投料系统,建设相应的井下矸石运输系统,设备的 购置和系统的建设需要一定的资金投入和建设周期, 一般在 1 a 左右,致使充填开采的快速性和时效性受 到限制,严重限制了充填开采技术的推广。 

2． 2 充填开采使原煤生产成本加大 

   充填开采要将煤矸石充填到采空区,就煤炭生产 本身而言必然要增加吨煤成本,充填开采方式吨煤增 加成本一般在几十,甚至百元以上,在煤炭品质优良 的矿井还能够承受。 但有的矿井煤质差、产量受限, 利润较低,充填增加的成本使利润空间变小,大大降 低了矿井充填开采的积极性,这是一个非常重要的制 约因素

2． 3 充  填物料短缺不足以成为主采工作面 

   充填物料目前一般以矸石为主,矸石量约为煤炭 产量的 20% 左右,从调研资料来看,我国矸石堆积量 的分布和“三下”压煤量的分布呈相反情况,长途运 输矸石用于充填开采,经济上是不可行的。 所以,充 填开采矸石量的不足,限制了充填开采的规模化和长 期性,给煤矿组织生产带来不利因素。

2． 4 对主动生态环境保护的认识还有待提高   

  十八大以来,习近平总书记针对环境保护发表了 一系列重要讲话,他指出“要正确处理好经济发展同 生态环境保护的关系,牢固树立保护生态环境就是保 护生产力、改善生态环境就是发展生产力的理念,更 加自觉地推动绿色发展、循环发展、低碳发展,决不以 牺牲环境为代价去换取一时的经济增长”,“既要金 山银山,也要绿水青山”。 煤炭开采向大自然索取能源,不可避免地会对大 自然带来影响,甚至破坏,煤炭企业主动谋求转型升 级是保证可持续发展的必由之路,面对绿色发展、环 境保护的形势,煤炭企业要提高对煤炭生产和环境保 护的关系认识,对环保形势倒逼下的生产转型不能再 持观望态度,要未雨绸缪,主动超前谋划,认清眼前利 益和长远利益的关系,在煤炭开采的同时主动保护生 态环境,使煤炭企业朝着绿色生态的方向发展。

2． 5 充填开采技术推广宣传不够深入 

   调研发现,我国煤矿充填开采自 2002 年开始巷 道充填,陆续进行了综合机械化开采和自动化充填, 形成了技术体系。 但现在由于技术推广和宣传的力 度都存在不足,仍有相当一部分煤炭企业对充填开采 的认识还停留在多年前的充填开采设备和工艺层面, 对充填效果、吨煤成本、产量仍有质疑,认为充填开采 不能作为一种采煤方式,限制了该项技术的推广应 用。 经过多年的研究与实践,我国充填采煤技术已经 形成理论技术体系,充填开采技术和装备水平已大幅 提高,充填开采能力已显著提升。 固体充填采煤和充 填“空间分开,时间平行”,采充平行作业,河北、山东 部分生产矿井已经达到年采充百万吨能力。 膏体材 料和高水材料充填在材料和运送方式上也有了很大 的改观,内蒙古及山东部分煤矿摆脱了泵送的限制, 产量大幅度提升。 这些进展要进行充分的宣传才有 利于充填开采技术的推广应用。

2． 6 充填开采激励政策和约束机制力度不够

  《关于 实 施 煤 炭 资 源 税 改 革 的 通 知》 ( 财 税 [2014]72 号) 和《关于落实资源税改革优惠政策若 干事项的公告》 ( 国家税务总局公告 2017 年第 2 号),对依法在建筑物下、铁路下、水体下(以下简称 “三下”)通过充填开采方式采出的矿产资源,资源税 减征 50% 。 从调研来看,资源税减免政策的支持力 度偏小,程序复杂且条件严格,未能成为煤炭企业是 否采用充填开采的驱动力。 如河北开滦集团唐山矿 充填开采至今,已累计置换出煤炭 86． 1 万 t,充填矸 石 110． 5 万 t,但累计享受资源税减免仅 180 万元左 右,每吨煤减免仅 2． 1 元[16] 。 《煤矿 充 填 开 采 工 作 指 导 意 见》 ( 国 能 煤 炭 〔2013〕19 号)提出了一系列煤矿充填开采支持政策, 包括充填开采可列为重大技术改造、产业升级、生态 环保、资源综合利用项目,优先享受有关专项资金支 持,充填开采置换出的原煤产量可相应减缴矿产资源 补偿费,新建煤矿不允许设立永久性地面矸石山等。 调研发现,由于目前矸石充填开采免收矿产资源补偿 费实施细则尚未出台,各省减免标准不尽相同,政策 执行困难;同时,由于该文件为行政指导行为,不具备 强制执行力,不同地区对指导意见的执行力度也不统 一。

3 我国充填开采技术的发展

   我国首部绿色矿山建设行业标准———《非金属 行业绿色矿山建设规范》 由自然资源部正式公告发 布,于 2018-10-01 起实施,规范提出:在矿产资源开 发全过程中,实施科学有序开采,对矿区及周边生态 环境扰动控制在可控范围内,实行矿区环境生态化、 开采方式科学化、资源利用高效化、管理信息数字化 和矿区社区和谐化的矿山。 绿色矿山建设已然成为 我国煤炭工业发展的主题,充填开采作为绿色矿山建 设的重要技术手段,在我国绿色矿山建设的远景规划 中将扮演更加重要的角色,应进一步形成我国煤矿充 填开采的区域战略、精准模式、产业政策体系,我国煤 矿充填开采未来远景美好[17-18] 

3． 1 基于充填开采煤矿生产全 。

  过程生态矿山建设 根据煤炭行业的发展现状和生态环境的要求,将 能主动保护生态环境的充填开采嵌入到煤炭生产过 程中,建井伊始,从地质勘探、矿井设计、煤炭开采、附 近城市建设、地面保护、水资源保护、生态再造和恢复 全过程统筹,充分利用充填开采,保护地面建筑物和 生态环境,根据地面生态环境和地面水系径流方向, 以及地面附着物的状况,确定保护范围和保护等级, 研究保护方式,统一规划和再造煤炭开采过程中和开 采后的地面生态环境,使煤矿开采和生态环境息息相 关,把充填开采作为煤矿保护生态环境调节工具,完 全按照规划设计要求控制地表沉陷区域和沉陷程度, 向“精准地质,统一设计,精准充填,保护环境,保水 开采, 建 设 全 过 程 全 息 智 能 生 态 矿 山” 方 向 迈 进[8-11] 。 首先要对煤田地质全程全息采集、分析和解 释,利用地质勘探资料和采矿过程揭露的地质信 息,动态修正约束条件,动态分析和解释地质构造 状况,建立煤矿全过程、全信息地质分析、解释体 系,及时反演出准确的能够指导生产的充填工作面 地质模型。 研究充填开采的上覆岩层运移规律,不同地质条 件、不同充填材料、不同充填密实度、不同时间和区间 的上覆岩层演变机理,利用微震技术进行动态监测; 为充填开采液压支架设计、充填工艺制定、充填区域 确定、精准充填提供理论支撑。 根据地面生态环境和地面水系径流方向,以及附 着物的状况,确定保护范围和保护等级,逐步实现井 下采煤和地面生态环境统一规划、设计,统一协调井 下开采和地面生态环境关系,合理安排充填采煤区 域,分配矸石资源,统一规划和再造煤炭开采过程中 和开采后的地面生态环境,利用地面现有水系和矿井 水,形成新的再生水系,打造新生态环境。 煤炭开采 不再是生态环境的杀手,而是与环境保护、生态再造 互补共生,融为一体,使煤矿开采和生态环境息息相 关。 

3． 2 精准高效密实充填技术工艺体系构建 

    研究充填开采的诸多影响因素,构建精准高效密 实充填技术工艺体系,根据地质模型,研究提出充填 质量判据,结合不同充填工艺,实现密实充填率精准 控制,对特定区域实施精准充填,最大限度提高充填 工效、充填面推进速度,将有助于实现充填工作面高 产高效的目标。 对于固体充填,要深入研究散状固体边界限定条 件下物理特性,散状固体改变散状特性的机理、条件 和工艺,以及改性后的物理特性,保证充填体的快速 成型、承载。 对于膏体充填,要研究膏体凝固速度的 方法和泵送能力的提高,提高产量,降低成本。 研究充填开采条件下液压支架受力状况,建立充 填开采液压支架工作阻力选择依据,设计适合智能控 制的各种充填方式的液压支架。 同时响应国家煤监 局煤矿机器人研发公告精神,研究充填开采与被保护 对象损伤的边界条件,建立充填过程中充填材料的均 布、密实、改性的控制模型和质量判据,完成充填开采 的智能控制,最终实现充填机器人化的终极目标。 如 图 7 所示。 

3． 3 “采选充留”一体化精准充填开采技术形成 

   煤矸石是采煤过程无法避免的伴生物,一部分开 拓矸石从副井运到地面,一部分则和原煤一起从主井 运出,占用了有限的主副井提升能力,同时也占用了 洗选能力。 如果在井下完成矸石分选,就地充填,置 换煤炭资源,减少矸石运输和洗选过程的能量损耗。 再辅以沿充留巷,实现无煤柱开采,形成集“自动化 开采、井下矸石分选、井下就近充填、沿空留巷” 的 “采选充留”一体化精准充填开采技术,这将使得充 填采煤工作面全程自动协同控制,大幅度提高生产效 率和安全保障水平[8-11] 。 研究模块结构的井下煤矸分选技术,要求这种装备体积小,安装灵活,可以安装在井下主运输胶带,也 可安装在区域胶带上,将大块矸石选出,统计结果表 明,若原煤中粒径 50 mm 以上矸石选出,则可减少 10% 以上的矸石升井,经济效果显著。 研究洗煤厂的小型化,智能化,把洗煤厂建到井 下,原煤在井下直接入洗,将洗出的矸石和开拓产生 的矸石一并充填开采,真正实现煤矿矸石不升井,达 到煤矿生产的绿色环保,如图 8 所示。

3． 4 新型充填材料研发 

  充填材料是我国煤矿充填开采推广和应用的重 要制约因素。 煤矿可利用的原煤矸石率约 20% 左 右,煤矿的充填材料来源不足,导致煤矿充填开采规 模不能满足需求,严重阻碍了煤矿充填开采技术的大 规模推广应用。 破解充填材料不足的难题,首先应研发高效率、 高质量、廉价、环保的新型充填材料,这是未来破解煤 矿充填开采规模化和高成本难题的重要环节;二是与 矿区地表生态治理紧密结合,充分利用地域资源,山 区、丘陵地区可利用荒山秃岭废石、河沙作为充填材 料,按照生态治理的统一规划,应用充填的方法进行 生态治理;三是研发城市建筑垃圾作为充填材料,既 解决城市高速发展过程中建筑垃圾带来的困扰,又可 以换取煤炭资源;四是利用相邻金属矿山尾矿进行充 填,进行生态共建,金属矿山的尾矿不仅量大,而且数 量基本稳定,便于工业化利用[8-11] 。 

3． 5 重点发展区域的充填开采

  煤矿充填开采能够主动保护地表环境,以最小的 生态扰动获取煤炭资源,当控制地表沉陷或保护生态 环境对煤炭开采有特殊要求或约束时,应积极采用充 填开采,扩大其应用范围;同时,认真研究地质赋存条 件、充填物料、充填成本等对充填开采的影响,明确充 填开采的适用条件,并提出突破条件限制的技术措 施,才能有效地推广充填开采技术。 

   (1)地表和地下水系区域。 目前,在全国 96 个国有重点矿区中,缺水矿区占 71% ,严重缺水矿区占 40% 。   

   我国每年因煤炭开采 形成的废污水占全国总废污水量的 25% 左右,特别 是在富煤贫水的西部生态脆弱矿区,煤炭开采造成了 地下水资源大量流失,加剧了水资源短缺的困境和地 表生态的退化。 山西省因煤炭过度开采导致的水资源破坏面积已占全省国土面积的 13% ,2015 年因煤 炭开采造成的直接经济损失以及由此产生的治理费 用超过 100 元/ t。 因此,地表和地下水系的保护成为 生态环境保护的重要组成部分,而充填开采可有效保 护地面及地下水系,在这种区域应尽量采取充填开 采。

   (2)地表建筑区域。 三下压煤中以村庄建筑物下压煤量最大,在村庄 密集的平原矿区,每采出百万吨煤炭需迁移约 2 000 人。 迁村难、选址难、费用高、工作难度大、资源损失 严重等是开采建筑物下压煤的突出难题。 针对不同 保护等级的地表建筑物,通过采用充填开采技术,能 够精准控制地表的下沉、变形,并辅以建筑物补强措 施,降低建筑物受采动的损坏程度,甚至可以做到零 损伤,以满足国家标准,将避免地面建筑物破坏和村 庄搬迁产生的额外费用。 (3)自然保护区域。 

   2018 年 3 月,多部委联合印发《“绿盾 2018” 自 然保护区监督检查专项行动实施方案》 (环生态函 [2018] 43 号), 组 织 开 展 专 项 行 动, 重 点 排 查 采 矿(石)、采砂、工矿企业和保护区核心区缓冲区内旅 游开发、水电开发等对生态环境影响较大的活动,对 煤炭资源开发提出了更高的要求,充填开采能大幅减 小采矿活动对生态环境的影响,是自然保护区内压覆 煤炭资源开发的必然技术选择。

 (4)矸石固废染区域。 矸石是煤矿区最主要的固体废弃物污染源,长期 以来,煤矸石大量堆积在煤矿工业广场,缺乏有效处 理,目前我国煤矸石累计堆积量达 45 亿 t,占地约 130 km 2 ,《煤炭工业发展“十三五” 规划》 中指出,到 2020 年我国每年将新增矸石 7． 95 亿 t。 同时,矸石 的传统处理方式价格较高,据调研,山西、内蒙古等地 区矸石处理费用达到 25 ~ 50 元/ t。 井下工作面充填 开采年处理矸石能力可达 100 万 t,快速有效消灭地 面矸石山,使矸石不与大气和降雨接触、减少自燃和 淋溶水污染,是清洁、高效处理煤矸石的有效途径。 

4 结 语 

  充填开采技术在资源开发的同时开展沉陷预防 和生态保护,从源头上设计并防止开采沉陷的产生, 是主动保护生态环境、减少采煤沉陷区的有效途径。 调研表明,目前我国已采用及拟采用充填开采的 矿井数量不多,涉及 13 省(区)、51 家矿业集团公司、 75 座煤矿,但这些矿井都成功实现了控制地表沉陷、 解放“三下” 压煤、处理固体废弃物、安全生产等目 标,达到充填开采综合治理的目的,具有较好的示范 意义,同时充填开采延长了矿井寿命,实现了矿区发 展与和谐稳定。 充填开采在常规采煤方法和地表生态环境、地面 建筑物、井上下水系发生矛盾的时候,可以起到不可 替代的作用,在源头上保护生态环境,减少地面沉陷。 随着充填开采技术的发展,井下“采选充留”一体化, 将实现矸石不升井,并在重点区域实现“精准充填”, 为生态环境保护发挥更大的作用。 通过建立充填开采推广机制,加强对新建矿井和 老矿井技术改造项目的投入,配套相应的沉陷区和矸 石废弃物治理的扶持政策等措施,充填开采技术将会 迅速在全国推广,将有效地推进采煤沉陷区治理,产 生巨大的社会、经济与环境效益。 

参考文献(References):

[1] 胡炳南,郭文砚. 我国采煤沉陷区现状、综合治理模式及治理建 议[J]. 煤矿开采,2018,23(2):1-4. HU Bingnan,GUO Wenyan. Mining subsidence AREA status, syntheses governance model and governance recommendation [ J ]. Coal Mining Technology,2018,23(2):1-4. 

[2] 谢和平,王金华. 中国煤炭科学产能[M]. 北京:煤炭工业出版 社,2014.

[3] 王金华,康红普. 我国绿色煤炭资源开发布局战略研究[ J]. 中 国矿业大学学报,2018,47(1):15-20. WANG Jinhua, KANG Hongpu. Layout strategic research of green coal resource development in China[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2018,47(1):15-20.

[4] 钱鸣高,许家林,王家臣. 再论煤炭的科学开采[ J]. 煤炭学报, 2018,43(1):1-13. QIAN Minggao,XU Jialin,WANG Jiachen. Further on the sustainable mining of coal [ J ]. Journal of China Coal Society, 2018, 43(1):1-13. 

[5] 钱鸣高,曹胜根. 煤炭开采的科学技术与管理[ J]. 采矿与安全 工程学报,2007,24(1):1-7. QIAN Minggao,CAO Shenggen. Scientific technical and management in coal mining[ J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2007, 24(1):1-7. 

[6] 宋振骐,崔增娣,夏洪春. 无煤柱矸石充填绿色安全高效开采模 式及其工程理论基础研究[ J]. 煤炭学报,2010,35 (5 ):705 - 710. SONG Zhenqi,CUI Zengdi,XIA Hongchun. The fundemental theoretial and engineering research on the green safe no coal pillar mining model by mainly using coal gangue backfill[J]. Journal of China Coal Society,2010,35(5):705-710. 

[7] 吴吟. 中国煤矿充填开采技术的成效与发展方向[ J]. 中国煤 炭,2012,38(6):5-10. WU Yin. Effectiveness and development direction of filling mining technology in China ’ s coal mines [ J ]. China Coal, 2012, 38(6):5-10.