第 45 卷第 1 期 2020 年 煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY 1月 Vol. 45 Jan. No. 1 2020 刘建功,李新旺,何团. 我国煤矿充填开采应用现状与发展[ J] . 煤炭学报,2020,45(1) :141-150. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. YG19. 1063 LIU Jiangong,LI Xinwang,HE Tuan. Application status and prospect of backfill mining in Chinese coal mines[ J] . 移动阅读 Journal of China Coal Society,2020,45(1) :141-150. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. YG19. 1063 我国煤矿充填开采应用现状与发展 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。 关键词:充填开采;充填材料;精准充填;采选充留 中图分类号:TD823． 7 文献标志码:A 文章编号:0253 -9993(2020)01 -0141 -10 Application status and prospect of backfill mining in Chinese coal mines LIU Jiangong1,2 ,LI Xinwang1 ,HE Tuan1 (1. Hebei University of Engineering,Handan 056038,China; 2. State Key Laboratory of Energy Backfilling Mining Technology,Xingtai 054000,China) Abstract:In order to fully understand the feasibility of backfilling mining in coal mines,the State Administration of Coal Supervision organized a systematic investigation on the present situation of backfilling mining technology in Chi- na,and obtained detailed data of various backfilling mining methods in different areas and different shaft types of coal mines in China. The production practice of backfilling mine shows that the backfilling mining can eliminate the pollu- tion of waste rock dump to ecological environment,effectively restrain the surface subsidence,protect the surface and groundwater resources,avoid the damage of ground infrastructure and buildings and the relocation of villages. It reduces the possibility of underground goaf water,gas accumulation and spontaneous combustion of floating coal,and ob- tains some ecological and social benefits. It is found that many mines in China are still facing the problem of ecological environment destruction,some of which can be solved by backfilling mining,but the proportion of coal mines that really choose to solve their practical problems by backfilling mining and persist in long-term backfilling mining is very small. Through in-depth investigation,the problems existing in the process of backfilling mining are understood,and the large construction investment in the initial stage of backfilling mining is analyzed. The main factors that restrict the develop收稿日期:2019 - 07 - 31 修回日期:2019 - 11 - 19 责任编辑:郭晓炜 基金项目:国家煤矿安监局行管司资助项目(2018-行管司-170002-03) 作者简介:刘建功(1956—) ,男,山东沾化人,教授,博士生导师。 Tel:0310-3969699,E-mail:liujg@ jzeg． cn 通讯作者:李新旺(1979—) ,男,河北邢台人,教授,硕士生导师。 Tel:0310-3969519,E-mail:xinwang_li@ 126． com 142 煤 炭 学 2020 年第 45 卷 报 ment of backfilling mining in China are long period development,high cost,shortage of backfill materials,poor backfill capacity and lack of policy incentive. Based on the survey results,this paper discusses the demand degree of regional economy,ecology,resource endowment,industrial characteristics and industrial policy for backfilling mining. Also,the principle of preferential selection of backfilling mining method in different areas and mines with different shaft types, the source of backfilling materials and key areas of backfilling are analyzed. The development prospect of backfilling mining technology and equipment in China is studied,and the technology route of backfilling and retaining is put forward by using precise backfill to construct ecological mine and underground mining. Key words:backfill mining;filling materials;precise backfill;filling and retaining 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 ,部分资源型城市塌陷面积 2 超过了城市总面积的 10% ,严重影响了矿区群众生 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] 。 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] 。 图1 笔者在全国充填开采可行性调研的基础上,客观 Fig． 1 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 1． 1 垮落法开采与充填开采对生态破坏对比 Comparison of ecological damage caused by caving mining and filling mining 基础设施等影响限制在生态环境对开采行为容忍度 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 可控范围之内的有效方法,促进煤炭开采和生态环境 械破碎后,配以粉煤灰、黄土等辅料,利用连续输送系 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 协调、共融发展。 图 1 为垮落法和充填开采的对比情 统将充填材料输送至工作面进行采后直接充填,并用 第1 期 143 刘建功等:我国煤矿充填开采应用现状与发展 推压密实装置对充填物料推压密实,实现采空区密实 离层空间,借助高压注浆泵,从地面通过钻孔向离层 充填。 目前综合机械化固体工作面充填技术已在河 空间注入充填材料,减少采出空间向上的传递,支撑 北邢台、开滦矿区,山东新汶矿区,山西阳泉、西山矿 离层上位岩层、减缓岩层进一步弯曲下沉,从而达到 区等地推广应用 [12-15] 。 减缓地表下沉的目的。 安徽淮北矿业集团临涣煤矿 固体巷道充填开采技术,是将岩巷掘进产生的矸 采用离层注浆充填开采效果显著。 1． 1． 3 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 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 他矸石处理方法相比,具有系统简单、投资小、充填效 果好的特点 1． 1． 2 [8-11] 。 成固定形状的支撑体,起到支撑顶板的作用。 由于其 膏体充填开采技术 具有流动性好的特点,可以通过地面打孔至采空区进 工作面膏体充填开采技术是将煤矿生产过程中 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] 。 产生的煤矸石、电厂产生的粉煤灰、工业炉渣等固体 1． 2 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] 。 Table 1 充填方式 调查数据表明,截至 2018 年 8 月,我国 26 个分 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。 形式,是利用煤层开采后覆岩下沉开裂过程中形成的 表1 煤矿充填开采在我国的应用情况 布有煤矿的省份中已采用及拟采用( 充填系统施工 覆岩离层注浆充填开采技术也是膏体充填一种 产能 / 高水充填采煤技术 我国充填矿井汇总 Summary of China’ s filling mines 产能 / 充填方式 产能 / 充填方式 煤矿名称 ( Mt·a -1 ) ( 充填材料) 煤矿名称 ( Mt·a -1 ) ( 充填材料) 煤矿名称 ( Mt·a -1 ) ( 充填材料) 济宁三矿 6． 50 矸石 新阳矿 膏体 五沟矿 膏体 官地矿 矸石 十二矿 1． 20 膏体 马兰矿 3． 90 0． 90 矸石 1． 50 6． 00 膏体 城郊矿 矸石 镇城底矿 矸石 陈四楼矿 矸石 余吾煤业 1． 90 5． 00 超高水 0． 90 3． 60 王村煤业 王庄矿 高水 上河煤矿 1． 50 矸石巷道 东坪煤业 7． 10 0． 15 高水 矸石巷道 7． 50 高水 0． 45 矸石、黄土 天裕矿 东山煤矿 矸石 寸草塔矿 0． 60 膏体 高水 1． 20 1． 20 普采矸石 曹村矿 矸石、黄土 布尔台矿 3． 20 膏体 金星矿 0． 90 膏体 裕兴矿 2． 40 膏体 大庄煤矿 0． 60 长城三矿 膏体 华晟荣矿 1． 20 高水 1． 20 矸石 棋盘井矿 4． 80 矸石 高河矿 1． 80 膏体 公格营子 1． 20 膏体 邢东矿 7． 50 0． 75 膏体 云驾岭矿 1． 25 0． 90 超高水 邢台矿 矸石 新三矿 0． 40 普采矸石 新屯矿 0． 45 高水 羊东矿 3． 00 矸石 东庞矿 4． 00 矸石 唐山矿 0． 60 膏体 钱家营矿 3． 30 膏体 刘东矿 0． 90 矸石 界沟矿 4． 00 矸石 杨庄矿 安居矿 孙村矿 赵官矿 翟镇矿 盛泉矿 协庄矿 鄂庄矿 华丰矿 许厂矿 岱庄矿 葛亭矿 唐口矿 曹庄矿 太平矿 田庄矿 高庄煤业 大兴矿业 泉兴矿 新元矿 霍尔辛赫 鸿福矿 古书院矿 南阳坡矿 东曲矿 1． 70 0． 90 3． 00 1． 20 高水、矸石 攀枝花矿 1． 85 矸石巷道 兴发矿 1． 95 矸石 发耳二矿 0． 95 矸石 西马煤矿 0． 85 膏体 晓南煤矿 1． 50 膏体 西露天矿 3． 90 矸石 东荣一矿 4． 20 矸石 周源山矿 5． 70 矸石 徐庄煤矿 0． 45 膏体 红石湾矿 1． 40 膏体 任家庄矿 2． 10 矸石 银星一井 1． 30 矸石 4． 50 超高水 0． 60 膏体 2． 40 矸石( 拟) 0． 60 矸石( 拟) 2． 40 矸石( 拟) 0． 45 膏体 0． 90 矸石( 拟) 2． 10 矸石巷道 0． 90 矸石 20． 0 矸石( 拟) 2． 00 矸石( 拟) 2． 40 膏体( 拟) 0． 30 1． 50 矸石 膏体 2． 60 矸石 0． 75 膏体、矸石 0． 60 矸石 4． 00 矸石 1． 80 矸石 3． 60 矸石 144 煤 炭 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。 学 2020 年第 45 卷 报 <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 Fig． 2 图2 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。 我国各省充填矿井数量分布 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。 Fig． 4 1． 3 Fig． 3 图3 我国不同井型矿山充填方式如图 5 所示。 由图 中小型矿井充填开采的优先原则是减少地表沉陷,解 Number of mines for various types of filling 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 Fig． 5 不同井型充填矿井数量 5 可知,不同井型矿山选用充填方式的倾向性不一, 各种充填方式应用的矿井数量 图5 图4 Number of filling mines with different productive capacity 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。 调研结果显示,固体工作面充填方式早期加工简 不同井型矿井选用的充填方式 Filling methods for different productive capacity mine 第1 期 刘建功等:我国煤矿充填开采应用现状与发展 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 145 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 巷道掘进水平、支护方式和安全因素影响较大,在特 填开采进行 了 密 集 调 研,充 填 开 采 意 愿 强 烈,如 山 定地区和特殊需求时可以发挥很好的作用;膏体充填 西省华晟荣煤矿、高河煤矿。 山西省煤矿充填开采 工作面受充填泵能力制约,同时膏体凝固需要时间, 的优先原则 为 处 理 存 量 及 新 增 矸 石、消 灭 矸 石 山, 影响了充填开采的产量,但近几年,随着泵送能力的 以符合山西省的政策要求。 (3) 陕蒙宁甘。 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 陕西、内蒙古、宁夏、甘肃等省( 区) 以大型煤矿 我国充填开采不同区域充填矿井数量如图 6 所 为主,煤炭产量大,矸石量也大,运用充填开采处理矸 地区、陕蒙甘宁及环保政策强制区———山西,东北地 井,该区矿井在高产高效的优先原则下,局部进行充 示,由图 6 可知,目前我国充填矿井主要集中于华东 石具有广阔的应用前景,目前,新增大量的拟充填矿 区、华南地区充填开采应用较少,西部生态脆弱区目 填开采,主要实现处理矸石的目标,如神东煤炭公司 前无充填矿井。 各产煤区以各自的区域经济、地质生 布尔台、寸草塔煤矿,神华宁夏煤业有限公司任家庄 态状况、资源禀赋、产业特点、产业政策对充填开采有 煤矿、红石湾煤矿。 (4) 东北地区。 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] 。 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。 图6 Fig． 6 我国各产煤区域充填矿井数量分布 Number distribution of filling mines per coal producing area in China (1) 华东地区。 (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 华东地区主要包括河北、河南、山东、安徽、江苏 害治理提供了新的途径,具有广阔的应用前景,如:贵 等地。 该区人口密集、经济发展迅速、土地资源紧缺, 州发耳二矿充填开采处理固体废弃物,消除煤与瓦斯 对矿山绿色开采的需求度高。 矿井开采面临的搬迁 突出、煤层自燃及突水威胁。 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 (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 为控制地表沉陷、处理存量矸石。 华东地区煤矿建井 生态环境脆弱、水资源匮乏,环境是该区煤炭生产的 早,许多矿井建国初期建井,开采历史长,开滦集团、 主控因素。 国家能源局、财政部、国土资源部和环境 峰峰集团开采历史百年以上,冀中能源邯矿集团许多 保护部研究制定了《 煤矿充填开采工作指导意见》 要 老矿井饱受资源枯竭的困扰,充填开采的优先原则为 求新建煤矿不再设立永久性地面矸石山,西部生态脆 解放“ 三下” 压煤,延长矿井服务年限,如邯矿集团的 弱区是我国充填开采未来的潜在应用区域。 陶一矿、亨健矿等。 (2) 山西省。 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 山西省煤炭资源丰富、煤种齐全、开采条件好; 间,降低采空区突水、瓦斯爆炸、有害气体突出、浮煤 以大型煤矿 为 主,生 产 力 水 平 较 高,安 全 保 障 程 度 自燃等事故发生可能性。 充填开采大量消化矸石,减 较高。 但是,山 西 省 采 空 区 塌 陷 极 其 严 重, 存 量 及 少地面矸石山占地,消除了矸石山对生态环境的污 新增矸石处 理 难 度 大、水 资 源 严 重 匮 乏,毗 邻 京 津 染;有效遏制地表沉陷,保护地表和地下水资源,避免 冀,环保压 力 巨 大。 近 年 来,山 西 省 一 系 列 环 保 政 了地面基础设施和建筑物损毁和村庄搬迁;实现资源 146 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 开发与生态环境协调发展,取得良好的生态和社会效 护生产力、改善生态环境就是发展生产力的理念,更 益。 加自觉地推动绿色发展、循环发展、低碳发展,决不以 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 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 生态扰动获取煤炭资源,当控制地表沉陷或保护生态 自然带来影响,甚至破坏,煤炭企业主动谋求转型升 环境对煤炭开采有特殊要求或约束时,应积极采用充 级是保证可持续发展的必由之路,面对绿色发展、环 填开采,扩大其应用范围。 境保护的形势,煤炭企业要提高对煤炭生产和环境保 调研表明,我国充填矿井主要集中于华东地区及 护的关系认识,对环保形势倒逼下的生产转型不能再 晋陕蒙甘宁,但该区域仍有更多矿井面临生态环境破 持观望态度,要未雨绸缪,主动超前谋划,认清眼前利 坏、沉陷区治理、地面建筑物保护、矸石山污染等问 益和长远利益的关系,在煤炭开采的同时主动保护生 题,这些问题都可以通过充填开采予以解决。 总体来 态环境,使煤炭企业朝着绿色生态的方向发展。 看,选择通过充填开采解决实际问题与坚持长期充填 2． 5 开采的煤矿占比很小,通过调研与深度走访发现,制 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 约充填开采技术推广有技术本身原因、有企业原因, 道充填,陆续进行了综合机械化开采和自动化充填, 也有政策支持力度原因,需认真分析、研究,并予以解 形成了技术体系。 但现在由于技术推广和宣传的力 决。 度都存在不足,仍有相当一部分煤炭企业对充填开采 2． 1 充填开采投资大、建设周期长 的认识还停留在多年前的充填开采设备和工艺层面, 煤矿建设设计之初没有规划井下矸石处理系统, 对充填效果、吨煤成本、产量仍有质疑,认为充填开采 这导致充填开采需要在原建井的基础上增设充填系 不能作为一种采煤方式,限制了该项技术的推广应 统,包括充填材料的制备、充填材料的下运、井下充填 用。 系统的形成和充填装备等,需要在地面建设矸石储 经过多年的研究与实践,我国充填采煤技术已经 运、投料系统,建设相应的井下矸石运输系统,设备的 形成理论技术体系,充填开采技术和装备水平已大幅 购置和系统的建设需要一定的资金投入和建设周期, 提高,充填开采能力已显著提升。 固体充填采煤和充 到限制,严重限制了充填开采技术的推广。 部分生产矿井已经达到年采充百万吨能力。 膏体材 一般在 1 a 左右,致使充填开采的快速性和时效性受 2． 2 充填开采使原煤生产成本加大 填“ 空间分开,时间平行” ,采充平行作业,河北、山东 料和高水材料充填在材料和运送方式上也有了很大 充填开采要将煤矸石充填到采空区,就煤炭生产 的改观,内蒙古及山东部分煤矿摆脱了泵送的限制, 本身而言必然要增加吨煤成本,充填开采方式吨煤增 产量大幅度提升。 这些进展要进行充分的宣传才有 加成本一般在几十,甚至百元以上,在煤炭品质优良 利于充填开采技术的推广应用。 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 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 第1 期 刘建功等:我国煤矿充填开采应用现状与发展 147 环保、资源综合利用项目,优先享受有关专项资金支 的上覆岩层演变机理,利用微震技术进行动态监测; 持,充填开采置换出的原煤产量可相应减缴矿产资源 为充填开采液压支架设计、充填工艺制定、充填区域 补偿费,新建煤矿不允许设立永久性地面矸石山等。 确定、精准充填提供理论支撑。 调研发现,由于目前矸石充填开采免收矿产资源补偿 根据地面生态环境和地面水系径流方向,以及附 费实施细则尚未出台,各省减免标准不尽相同,政策 着物的状况,确定保护范围和保护等级,逐步实现井 执行困难;同时,由于该文件为行政指导行为,不具备 下采煤和地面生态环境统一规划、设计,统一协调井 强制执行力,不同地区对指导意见的执行力度也不统 下开采和地面生态环境关系,合理安排充填采煤区 一。 域,分配矸石资源,统一规划和再造煤炭开采过程中 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 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 环境扰动控制在可控范围内,实行矿区环境生态化、 研究充填开采的诸多影响因素,构建精准高效密 开采方式科学化、资源利用高效化、管理信息数字化 实充填技术工艺体系,根据地质模型,研究提出充填 和矿区社区和谐化的矿山。 绿色矿山建设已然成为 质量判据,结合不同充填工艺,实现密实充填率精准 我国煤炭工业发展的主题,充填开采作为绿色矿山建 控制,对特定区域实施精准充填,最大限度提高充填 设的重要技术手段,在我国绿色矿山建设的远景规划 工效、充填面推进速度,将有助于实现充填工作面高 中将扮演更加重要的角色,应进一步形成我国煤矿充 产高效的目标。 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 3． 1 [17-18] 。 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 基于充填开采煤矿生产全过程生态矿山建设 和工艺,以及改性后的物理特性,保证充填体的快速 根据煤炭行业的发展现状和生态环境的要求,将 成型、承载。 对于膏体充填,要研究膏体凝固速度的 能主动保护生态环境的充填开采嵌入到煤炭生产过 方法和泵送能力的提高,提高产量,降低成本。 程中,建井伊始,从地质勘探、矿井设计、煤炭开采、附 研究充填开采条件下液压支架受力状况,建立充 近城市建设、地面保护、水资源保护、生态再造和恢复 填开采液压支架工作阻力选择依据,设计适合智能控 全过程统筹,充分利用充填开采,保护地面建筑物和 制的各种充填方式的液压支架。 同时响应国家煤监 生态环境,根据地面生态环境和地面水系径流方向, 局煤矿机器人研发公告精神,研究充填开采与被保护 以及地面附着物的状况,确定保护范围和保护等级, 对象损伤的边界条件,建立充填过程中充填材料的均 研究保护方式,统一规划和再造煤炭开采过程中和开 布、密实、改性的控制模型和质量判据,完成充填开采 采后的地面生态环境,使煤矿开采和生态环境息息相 的智能控制,最终实现充填机器人化的终极目标。 如 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 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 开采, 建 设 全 过 程 全 息 智 能 生 态 矿 山 ” 方 向 迈 拓矸石从副井运到地面,一部分则和原煤一起从主井 首先要 对 煤 田 地 质 全 程 全 息 采 集、 分 析 和 解 洗选能力。 如果在井下完成矸石分选,就地充填,置 释,利用 地 质 勘 探 资 料 和 采 矿 过 程 揭 露 的 地 质 信 换煤炭资源,减少矸石运输和洗选过程的能量损耗。 息,动态修正 约 束 条 件,动 态 分 析 和 解 释 地 质 构 造 再辅以沿充留巷,实现无煤柱开采,形成集“ 自动化 状况,建 立 煤 矿 全 过 程、 全 信 息 地 质 分 析、 解 释 体 开采、 井下矸石分选、 井下就近充填、 沿空留巷” 的 进 [8-11] 。 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 运出,占用了有限的主副井提升能力,同时也占用了 “ 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 148 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 备体积小,安装灵活,可以安装在井下主运输胶带,也 研究洗煤厂的小型化,智能化,把洗煤厂建到井 可安装在区域胶带上,将大块矸石选出,统计结果表 下,原煤在井下直接入洗,将洗出的矸石和开拓产生 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。 Fig． 7 3． 4 Fig． 8 图7 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。 精准高效充填开采示意 Accurate and high efficiency filling mining map of the exhibition 图8 “ 采选充留” 一体化技术示意 Schematic diagram of the integrated technology of coal mining,coal preparation,stope filling,roadways retaining 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 第1 期 刘建功等:我国煤矿充填开采应用现状与发展 149 源破坏面积已占全省国土面积的 13% ,2015 年因煤 标,达到充填开采综合治理的目的,具有较好的示范 用超过 100 元 / t。 因此,地表和地下水系的保护成为 展与和谐稳定。 炭开采造成的直接经济损失以及由此产生的治理费 意义,同时充填开采延长了矿井寿命,实现了矿区发 生态环境保护的重要组成部分,而充填开采可有效保 充填开采在常规采煤方法和地表生态环境、地面 护地面及地下水系,在这种区域应尽量采取充填开 建筑物、井上下水系发生矛盾的时候,可以起到不可 采。 替代的作用,在源头上保护生态环境,减少地面沉陷。 (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 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。 人。 迁村难、选址难、费用高、工作难度大、资源损失 通过建立充填开采推广机制,加强对新建矿井和 严重等是开采建筑物下压煤的突出难题。 针对不同 老矿井技术改造项目的投入,配套相应的沉陷区和矸 保护等级的地表建筑物,通过采用充填开采技术,能 石废弃物治理的扶持政策等措施,充填开采技术将会 够精准控制地表的下沉、变形,并辅以建筑物补强措 迅速在全国推广,将有效地推进采煤沉陷区治理,产 施,降低建筑物受采动的损坏程度,甚至可以做到零 生巨大的社会、经济与环境效益。 损伤,以满足国家标准,将避免地面建筑物破坏和村 参考文献( References) : 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 [1] theses governance model and governance recommendation [ J ] . 矿( 石) 、采砂、工矿企业和保护区核心区缓冲区内旅 [2] 煤炭资源开发提出了更高的要求,充填开采能大幅减 [3] 游开发、水电开发等对生态环境影响较大的活动,对 小采矿活动对生态环境的影响,是自然保护区内压覆 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 [4] [5] 区矸石处理费用达到 25 ~ 50 元 / t。 井下工作面充填 4 结 [6] 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 43(1) :1-13. 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. 24(1) :1-7. 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 SONG Zhenqi,CUI Zengdi,XIA Hongchun. The fundemental theoretial and engineering research on the green safe no coal pillar min- ing model by mainly using coal gangue backfill[ J] . Journal of China 和生态保护,从源头上设计并防止开采沉陷的产生, 矿井数量不多,涉及 13 省( 区) 、51 家矿业集团公司、 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. 710. 充填开采技术在资源开发的同时开展沉陷预防 调研表明,目前我国已采用及拟采用充填开采的 versity of Mining & Technology,2018,47(1) :15-20. in coal mining[ J] . Journal of Mining & Safety Engineering,2007, 语 是主动保护生态环境、减少采煤沉陷区的有效途径。 国矿业大学学报,2018,47(1) :15-20. QIAN Minggao,CAO Shenggen. Scientific technical and management 开采年处理矸石能力可达 100 万 t,快速有效消灭地 淋溶水污染,是清洁、高效处理煤矸石的有效途径。 王金华,康红普. 我国绿色煤炭资源开发布局战略研究[ J] . 中 able mining of coal [ J ] . Journal of China Coal Society, 2018, 130 km ,《 煤炭工业发展“ 十三五” 规划》 中指出,到 面矸石山,使矸石不与大气和降雨接触、减少自燃和 社,2014. QIAN Minggao,XU Jialin, WANG Jiachen. Further on the sustain- 2 的传统处理方式价格较高,据调研,山西、内蒙古等地 谢和平,王金华. 中国煤炭科学产能[ M] . 北京:煤炭工业出版 green coal resource development in China[ J] . Journal of China Uni- 理,目前我国煤矸石累计堆积量 达 45 亿 t, 占 地 约 2020 年我国每年将新增矸石 7． 95 亿 t。 同时,矸石 Coal Mining Technology,2018,23(2) :1-4. WANG Jinhua, KANG Hongpu. Layout strategic research of 煤炭资源开发的必然技术选择。 (4) 矸石固废污染区域。 议[ J] . 煤矿开采,2018,23(2) :1-4. HU Bingnan, GUO Wenyan. Mining subsidence AREA status, syn- 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 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 [7] Coal Society,2010,35(5) :705-710. 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 min- ing technology in China ’ s coal mines [ J ] . China Coal, 2012, 38(6) :5-10. 150 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 [8] 刘建功,赵庆彪. 煤矿充填开采理论与技术[ M] . 北京:煤炭工业 采,2008,13(3) :1-3,10. [9] 刘建功. 依靠科技创新建设绿色生态矿山[ J] . 煤炭经济研究, gy in coal mines of China [ J] . Coal Mining Technology, 2008, 2011,31(10) :10-13. LIU Jiangong. Building green ecological mines by scientific and tech- nological innovation[ J] . 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