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我国煤矿充填开采观察
发布:河北筑盛建材科技开发有限公司 浏览:2116次 发布时间:2012-06-06
     据国家能源局统计,目前我国煤炭资源探明剩余可采储量为1842亿吨,以现有的储量和消费水平仅够使用50年。其中,“三下”(建筑物、道路、水体下)压煤量约140亿吨,如果采用防止地表沉陷的条带开采方式,回收率仅为30%至50%。

    另据调查,在我国东部矿区,“三下”压煤量已普遍超出可采储量的50%。

    全国煤矿采空区土地沉陷累计达100万公顷左右,每年新增采空区6万公顷左右。煤矸石累计堆积45亿吨,占地1.3万公顷,且每年还以约3亿吨的速度增加。

    毋庸多言,这几组数据或许就足以说明,实施煤矿充填开采在中国当下的必要性和现实意义。

    自发探索,各显神通

    充填开采是随着采煤工作面的推进,向采空区送入矸石、膏体等充填材料,并在充填体保护下进行采煤的技术。事实上,因现实所迫,不少煤炭企业近年来已自发探索推广充填开采技术,并取得了一定成效。

    我国煤炭资源埋藏较深,95%的煤炭资源靠井工开采,一直沿用简单的垮落式开采方式,带来的生态问题越来越严重。因采煤造成的土地塌陷、地下水流失、煤矸石占压土地、环境污染、因搬迁补偿不到位引发的上访不断等问题,影响了矿区生态与社会和谐。

    另外,一些开采时间较长的老矿区,面临资源接续难题,如何最大限度回收“三下”压煤,对有些煤炭企业来说事关生死存亡。因此,山东、河北、河南、安徽等省的一些煤炭企业,不约而同地开始探索推广煤矿充填开采技术。

    例如,山东煤炭有上百年的开采历史,加之全省村庄、建筑物稠密,有压煤村庄1949个,村庄压煤量占可采储量的60%。据山东省煤炭工业局局长乔乃琛介绍,如不采取保护性开采措施,剩余煤炭可采储量难以维持20年。

    因而,山东坚持保护性开采与稳产策略,强化监管,探索实施了充填开采。山东能源新汶矿业集团经过8年的探索和实践,相继在14个矿井、81个工作面实施了充填开采,建成了5个“井下洗煤厂”,累计完成以矸换煤1000万吨。通过充填开采,新汶矿业集团已停用矸石山12座,累计减少矸石排放1300万吨,减少土地占压20多公顷,解放本部压煤量3.588亿吨。预计“十二五”期间,新汶矿业集团采区回收率能提高10%以上。

    山东能源集团旗下的淄博矿业集团、枣庄矿业集团、肥城矿业集团、临沂矿业集团,山东兖州矿业集团,以及山东一些地方煤炭集团,均有矿井在实施充填开采。据统计,山东已有35个矿井实施充填开采,完成开采工作面136个,累计充填矸石1720万吨,充填开采煤炭产量达到1400万吨。

    河北冀中能源集团是较早开始充填开采的企业之一,全集团有20多个矿井应用了充填开采技术,年充填矸石180万吨,从“三下”压煤中回收资源230多万吨,有3座矸石山消灭殆尽。

    在多年的实践过程中,各个煤矿根据矿井自身情况,或自行研究,或与科研院校合作,各显神通,探索出了多种充填方法和工艺。

    新汶矿业集团探索出了原生矸石综采充填、普采充填和煤矸石低压风动力充填、泵送充填4种工艺。冀中能源集团已拥有矸石巷道充填和矸石固体、矸石膏体、矸石似膏体、超高水充填等不同材料、不同运输方式的5种工艺。

    实践的过程已带动了开采装备的研制。我国自主研发的六柱支撑式充填设备联合试运转成功,充填设备专业化生产和规模化运营正在进行。在充填材料上,除了矸石、粉煤灰外,矿井水、胶固体、建筑垃圾等成为潜在的充填材料。

    国家能源局副局长吴吟说,目前矸石充填已成为应用较为广泛的工艺技术,充填开采的经济效益和社会效益明显。

    全面推广,有待扶持

    “目前实施充填开采的大多是老矿井,老矿井本来吨煤成本就高,利润水平低,所以对于煤炭企业来说,充填开采关键问题还是成本高。”新汶矿业集团的一名工作人员说。

    新汶矿业集团多个矿井实施了充填开采,不同的充填工艺成本各不相同,全集团平均下来,充填开采成本增加100元/吨。

    坐落在微山湖畔的枣庄矿业集团高庄煤矿2006年开始研究充填开采技术,最后选用“拱桥式”充填全采系统,与正常开采相比,成本增加89元/吨。高庄煤矿的工作人员认为,相对于其他充填开采工艺,他们的成本是比较低的。

    吴吟在全国煤矿充填开采现场会上说:“初期投资大、生产成本高,阻碍了充填开采技术在全国范围内的推广。”

    据山东科技大学教授姜岩介绍,充填成本高也是德国、波兰等世界上较早开始充填开采的国家停止很多充填开采项目的原因。

    早在19世纪,德国因采煤造成的地表沉陷等问题非常严重,1924年德国即开始充填开采。20世纪70年代至90年代,德国的煤炭企业广泛采用机械化风力充填方法,工作面充实率达到57%。但这种充填开采到1997年即全面停止,主要原因是风力充填使开采成本增加20美元/吨至30美元/吨,而治理地表沉陷或搬迁村庄增加的开采成本是6美元/吨至8美元/吨。

    波兰也是产煤大国,1964年就开始在城市中心区大规模采煤,一般采用水砂充填方法,那时波兰处在社会主义时代,充填开采的成本由国家承担。1989年波兰实施经济改革以来,由于充填开采成本太高及公众反对,建筑物下开采举步维艰。目前,波兰只有1个充填工作面在作业。

    “老矿井利润空间有限,有的矿井年利润几千万元,如果煤价下滑,充填开采就会有压力。”新汶矿业集团技术处处长周明说。而对于新矿井,若无必要,便更缺乏充填开采的动力。

    企业普遍反映的一个问题是,由于充填开采技术要求高,工艺复杂、工序穿插,生产效率相对较低。例如1个工作面是充采同时进行,若充填的进度跟不上采煤的进度,采煤就得停下来等充填工作。另有膏体等充填方式,膏体本身需要凝固的时间,充填开采便是一个“充—采—充—采”的循环过程。

    周明说:“充填工作面一般是‘以充定产’,相对效率还是偏低,单产平均仅能达到1万多吨。”效率问题不同程度地影响了煤炭企业实施充填开采的积极性。

    另外,如果充填开采大面积实施,充填物料的来源也在问题范围之内。中国矿业大学教授缪协兴说:“充填开采,充填进去的东西在经济价值上,一定要比煤廉价。”

    在新汶矿业集团翟镇煤矿,充填物料以矸石为主,矸石分井下洗选的矸石和井上矸石山的矸石。据了解,再过3年至5年,井上矸石山便可彻底消灭。到时候光井下的矸石肯定不够,拿什么充填呢?

    据周明介绍,城市建筑垃圾经过粉碎,或者铁矿的尾砂,均可用作充填材料,但这种可能性需要研究。与矸石相比,其余充填物料均需考虑到运输距离和运费等成本问题。

    吴吟在谈到全面推广充填开采技术存在的突出问题时指出,充填生产装备不够配套,相关设备技术性能稳定性弱,以及充填开采缺乏相对配套的法规和政策等,都应该引起高度重视。
 

充填开采技术简介

    经过实践探索,我国已经建立了固体物充填、膏体似膏体充填和高水超高水充填三大类工艺技术体系。

    一、固体物充填工艺

    固体物充填的主要充填物料为井下原生矸石、地面矸石山矸石、洗选矸石及电厂粉煤灰等。

    工作面的布置方式与传统综采工作面布置方式基本相同,在采煤工作面的后部,即在采空区一侧布置充填作业面,将固体充填物料输送至工作面后部。如采用综合机械化固体废弃物充填开采工艺,此时破碎的矸石等用皮带输送至采空区内,然后利用捣实机将充填物料捣实并接顶。还有一种矸石普采充填技术,矸石经运矸输送机转载至强力抛矸皮带机,矸石被抛射入充填工作面。另有风力充填工艺,是将破碎成颗粒的矸石用风机吹进充填工作面。

    应用情况及成本:山东能源新汶矿业集团翟镇煤矿,采用综合机械化固体废弃物充填开采工艺,单位成本为63.35元/吨,包含工资、材料费、维修费、电费等。山东济宁矿业集团花园煤矿,由原先条带开采改成矸石充填开采,也采用该工艺,人力、设备、主要原材料、矿建、土建、电力等方面吨煤成本均有增加,增加了249.44元/吨,但随着工作面单产的增加,成本尚有下降的空间。

    新汶矿业集团鄂庄煤矿采用高档普采,矸石充填采用边采边充的方式,充填物料为全岩掘进工作面产生的矸石,充填成本为92.65元/吨。

    二、膏体似膏体充填工艺

    膏体似膏体充填的主要充填物料是煤矸石(或者河沙)、粉煤灰、专用胶结料和水等。这种充填工艺需要井上、井下两套系统,井上充填站先将固体废弃物等原料加水在地面加工成膏体料浆,用充填泵经管道输送到井下工作面采空区,由支架的后插板配合金属网在工作面与待充填区之间筑一道隔离墙,用编织袋等物在充填区内构筑完全封闭的充填空间,充填膏体待其凝结。

    应用情况及成本:山东鲁泰煤业公司太平煤矿自2006年5月以来,利用膏体充填开采技术开采了7个工作面,生产原煤137.1万吨,膏体充填开采的直接成本增加223.89元/吨。根据分析,充填辅助材料费所占比率较低,而人工费与直接材料费占成本的50%以上。

    山东能源淄博矿业集团岱庄煤矿,2010年至2012年2月底充填开采产量52.4万吨,效果良好。岱庄煤矿充填开采成本增加218元/吨。

    三、高水超高水充填工艺

    高水超高水充填是将两种不同的浆液分别输送至井下,然后将其混合充入采空区。这两种浆液各自流动性较好,混合在一起后能迅速凝结或膨胀,达到设计强度实现充填。因此该工艺主要包括浆体制备、浆体输送、浆体混合和工作面充填4个子系统。

    应用情况及成本:山东能源临沂矿业集团田庄煤矿采用的是超高水充填开采技术,A料主要由铝土矿等物质烧制并与超缓凝分散剂组成,B料由石膏等矿物质与复合速凝剂组成。A料、B料分别加水制成A浆液、B浆液,将两种浆液混合,即可在一定时间内胶结凝聚。田庄煤矿自2009年7月开始采用这种充填开采技术,有效控制了地表移动,充填开采成本增加127.89元/吨。

    山东省淄博市王庄煤矿采用高水碰撞材料充填采煤技术,基料为粉煤灰、赤泥、风积沙等硅质材料,辅料为石膏、石灰、水泥和膨胀剂。将基料和辅料混合后,制成固水质量比为1.3至1.5的充填料浆,料浆在2小时内呈液体状态可实现自流输送,2小时后开始固化并伴随30%以下的体积膨胀,充填体实现与顶板主动接触。

 
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