1、专 题 部 分膏体充填开采原理与技术摘要：煤矿膏体充填开采是一种有效的解决煤矿开采对水资源、土地资源、建筑物等造成破坏的开采方法，相对于其它垮落法开采、条带开采、离层区注浆、水砂充填等开采技术而言，具有安全性高、采出率高、环境友好等优点，膏体充填采矿技术的应用，是煤炭工业贯彻落实科学发展观、实现绿色采矿的重要举措，是煤炭开采技术的革新，也是21世纪采矿技术的重要发展方向之一，必将促进我国煤矿安全、高效、可持续地发展。关键词：膏体充填；不迁村采煤；充填工艺膏体充填采煤是一种把煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾等加工成胶结性或非胶结性膏状浆液，然后利用充填泵或自溜通过管道输送到井下，部分或全部
2、充填采空区，形成以膏体充填体为主体的覆岩支撑体系，控制地表沉陷在建筑物允许值范围内，实现村庄不搬迁，安全开采建筑物下压煤，保护矿区生态环境的开采方法。作为煤矿绿色开采技术的重要组成部分，膏体充填技术能够把固体废弃物利用与采动破坏、地表沉陷控制有机结合起来，做到地表破坏程度低、煤炭资源采出率高、废弃物资源化利用，并保护矿区生态环境。膏体充填采矿技术的开发应用，是煤炭工业贯彻落实科学发展观、实现绿色采矿的重要举措，具有“高安全性、高采出率、环境友好”的基本特征，是一种新的绿色采矿技术，也是21世纪采矿技术的重要发展方向之一。1解放“三下”压煤与提高采出率的需要煤炭是我国经济和社会发展的重要战略资源
3、，也是我国实现全面建设小康社会目标的基本保障。建国六十年来，煤炭在一次性能源消费结构中一直占70%以上，煤炭作为能源的强力支撑这一事实在短期内不会改变。据中国工程院院士倪维斗教授在中国能源现状与发展战略的报告中指出：“到2050年甚至更晚，我国以煤炭为主的能源结构不会改变，而且总量需求会逐年增加”。因此，如何高效的利用煤炭资源，是摆在我们面前的一个重大课题。我国煤炭资源赋存丰度与地区经济发达程度呈逆向分布，在地理分布上的总格局是西多东少、北富南贫。而且主要集中分布在山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏等6省（自治区），煤炭资源总量为4.61万亿t，占全国总量的82.8%；截止2008年末煤炭保
4、有储量为8229亿t，占全国煤炭保有储量的82.1%，煤类齐全，煤质普遍较好。而耗用煤量最大的京、津、冀、辽、鲁、苏、沪、浙、闽、台、粤、琼、港、桂等14个东南沿海省（市、区）只有煤炭资源量0.27万亿t，仅占全国总量的5.3%，而煤炭消耗量则占全国煤炭总产量的65%左右。截止1996年末煤炭保有储量仅占全国煤炭保有储量的5.5%，资源十分贫乏。这样的分布特点决定了煤炭资源中心远离消费中心，从而加剧了远距离输送煤炭的压力，带来了一系列问题和困难。以大同为例，从山西大同到东部和南部的用煤中心沈阳、上海、广州、京津等地，分别为1270、1890、2740和430km。据了解，从山西到山东，火车运费
5、平均每吨220元左右，汽车则为每吨270-280元左右。随着今后经济高速发展，用煤量日益增大，加之煤炭生产重心西移，运距还要加长，压力还会增大。所以，如何高效地利用有限的煤炭资源，是摆在东部地区面前的首要问题。我国的大小煤田遍布于全国各地。在煤田上方有数量众多的村庄、工厂和城镇，各矿区都不同程度地存在建筑物下压煤问题。据对国有重点煤矿的不完全统计，截止1996年，我国生产矿井“三下”压煤量高达137.9亿t，随着社会经济发展，村镇规模不断扩大，新矿区和新井田的建设，目前实际压煤量远高于这一数字。从分布区域上看，人口密集、村庄集中的河南、河北、山东、安徽、江苏五省区村庄压煤占我国“三下”压煤总量
6、的55%以上。以山东省为例，全省煤炭保有探明储量约310亿t，可采储量81亿t，且95%以上已被生产建设矿井占用。生产建设矿井保有地质储量218.93亿t，其中可采储量63.69亿t，且“三下”压煤达到31亿t，占可采储量的48.51%，经济可采储量仅有32亿t左右，按照目前的生产能力和采出率，仅能维持20年左右。产煤大省与资源小省的矛盾日益突出，而且大型煤炭企业基本无后备接续资源。同样，郑州煤业集团可采储量1.96亿t，压煤量高达1.18亿t。截止2007年底，河北省国有煤炭企业剩余地质储量为80亿t，“三下”压煤达46亿t，占57%，仅开滦、峰峰、邢台、邯郸四大煤业集团的村庄压煤量就达33
7、.5亿t，占42%。在一些开采较早的老矿区，随着可采资源的枯竭，村庄等建筑物下压煤问题也尤为突出，煤矿面临村庄搬迁征地难、搬迁费用高、地方政府积极性不高等问题，正常开采的难度越来越大，难以保证稳定生产，这些地区煤炭产量规模将难以增加。“三下”压煤得不到解决不仅损失煤炭资源，而且还会影响矿井的生产布局，合理的开采方法是解决上述问题的关键。人们普遍认为山西大同煤矿集团具有开采不尽的煤炭资源，“三下”压煤问题并不迫切。促使各矿遇到煤柱绕着走，先挑条件好的采，以至造成煤柱周围煤层开采完毕、系统报废后，煤柱成为“孤岛”，储量越来越大，开采越来越难。所属的各个矿从2004年开始相继出现了不同程度的资源趋紧
8、、接替紧张的局面。截止目前，该集团能利用的储量为30亿t，可采储量为6.9亿t，按照现有的开采能力，仅能维持生产18a，而其“三下”压煤为6.5亿t。因此，为摆脱困境，延长矿井服务年限，采用有效的技术途径最大程度地采出村庄等建筑物下压煤已势在必行。据第三次全国煤炭资源预测与评价显示，我国煤炭资源总量约为5.57万亿t，探明煤炭资源总量达1.3万亿t。国土资源部最新预测我国煤炭资源可采储量达2064亿t，净有效量1145亿t，仅占探明储量1万亿t的11%。以净有效量1145亿t和煤炭采出率为30%计算，可采出量为343.5亿t；若以2008年原煤产量26.91亿t测算，仅可保证不足15年的产量；
9、则不到2025年，343.5亿t储量将被完全采出。若采用重点煤矿矿井的开采方法，即采出率为50%，以净有效量1145亿t计算，其可采储量为572.5亿t，也仅可保证25年的产量，而煤炭总量是有限的，尤其是我国人均占有经济可采储量不足145t，不足世界平均水平的53%，更是要求我们千方百计地提高其采出率。社会科学文献出版社出版的2007年能源蓝皮书指出，我国目前煤炭平均采出率仅为30%35%，不足世界先进水平的一半，其中国有大型矿45%，地方煤矿约30%，小煤窑10%15%，资源浪费十分严重。据保守推算，在1980年2000年的20年间，我国累计浪费煤炭资源280多亿吨。而在美国、澳大利亚、德国
10、、加拿大等发达国家，资源采出率能达到80%左右，每采出1t煤只消耗1.2t到1.3t资源，而我国却需要消耗3.3t甚至更多的煤炭资源。并且随着我国经济的快速发展，对煤炭的需求量会逐年增加，提高煤炭的采出率，是煤炭资源高效利用的有效途径之一。按照2007年的原煤产量25.36亿t和煤炭平均回采率30%计算，如果回采率提高1倍，全国每年将节约煤炭资源42.26亿t左右。如果到2015年以前煤炭回采率大体保持50%的平均水平，则8年间将至少节约300亿t煤炭资源，相当于我国煤炭资源的可采年限在目前的基础上又延长了10a。正如中国煤炭加工利用协会副会长、中国煤炭工业节约能源办公室副主任洪绍和所述：“提
11、高煤炭资源采出率，合理开发和利用煤炭资源，延长矿井寿命，提高煤炭利用效率是完成我国十一五煤炭工业节能减排任务的有效途径。”因此，无论从提高“三下”压煤采出率的要求，还是从提高煤炭资源贫乏地区的采出率要求，都需要发展一种具有高采出率特征的采煤方法。2矿区环境保护的需要在煤炭开采过程中形成的环境问题主要是对土地资源地破坏和占用、对水资源地破坏和污染极为严重。在我国，95%煤炭开采是井工开采，煤炭采出后，会形成大量采空区，致使成千上万的人需要搬迁，需要投入大量的人力、物力和财力。以安徽省为例，两淮矿区是全国重要的煤炭生产基地，多年大规模开采形成较大面积的采煤塌陷区。2007年塌陷区总面积250km2
12、，并以每年3万亩的速度递增。到2010年，两淮矿区所在的皖北五市需搬迁26.6万人。矿井开采改变了水资源的循环，破坏了自然水循环状态，而且矿井水管理不善，导致矿井污水遍地流淌，严重损害矿区环境。据统计，2007全国矿区外排矿井水42亿m3，利用率仅为26%，排放的大量废水给矿区及周边区域造成了严重环境污染和水污染，加重了水资源危机，并严重威胁了矿井生产安全。煤矸石是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，具有低发热值，在掘进、开采和洗煤过程中排出的固体废物。从煤炭开采来看，中国每年生产1亿t煤炭，排放矸石1400万t左右，从煤炭洗选加工来看，每洗选1亿t炼焦煤排放矸石量2000万t，每洗1亿t动力煤，排
13、放矸石量1500万t。目前全国堆积存放的煤矸石总量约35.5亿t（占全国工业固体废弃物排放总量的40%以上），矸石淋溶水将污染周围土壤和地下水，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在适宜的条件下会发生自燃，在当前成规模的1500余座矸石山中，有389多座在燃烧，排放的二氧化硫、氮化物、碳氧化物和烟尘等有毒有害气体污染大气环境，严重危害矿区居民的身体健康，有的甚至发生矸石山爆炸，造成人员伤亡。如辽宁本溪矿区曾发生过因矸石自燃造成人员中毒死亡的事故。煤矸石的弃置不用，压占大量土地。当前矸石的堆放压占土地约7500 ha，每年煤炭生产和加工新生产煤矸石33.5亿t，增加占地200300 ha。2005年排
14、放的煤矸石综合利用率仅为43.5%，其中，67%是用来发电。预计2010年，煤矸石和洗矸排放总量将超过5亿t，即使利用率达到70%，净排放堆存量每年仍然还有1.5亿t，还要增加1亿t左右的矸石电厂粉煤灰以及地表塌陷面积6200 ha。煤矿开采造成的环境问题，给企业和政府增加了困难，不仅影响了煤矿的正常生产，还会引起工农关系等一系列社会问题，给社会增添了不安定因素。为保护矿区环境，世界许多产煤国家都制订了相关政策或措施。如前苏联，上世纪70年代以来，通过一系列决议和条例，规定在采矿区要保存和合理使用土壤耕作层。在我国，保护环境是一项基本国策，并于1979年颁布环境保护法，随着国家环保执法力度的不
15、断加大，人们对环境质量要求的不断提高，解决煤矿开采污染环境问题显得越来越突出，煤炭开采也必将进入绿色开采的崭新阶段。因此，需要发展安全高效、环境协调的采煤新方法，以解决煤矿开采带来的环境污染问题。3矿区可持续发展的需要我国学者刘培哲指出，可持续发展最现实的特征有三：一是鼓励经济增长；二是以保护自然为基础，与资源和环境的承载能力相协调；三是以改善和提高生活质量为目的。可见，可持续发展是生态、经济、社会三位一体的协调发展，生态持续是基础，经济持续是条件，社会持续是目的。其宗旨是：“既要满足当代人的需要，又不损害子孙后代满足其需要能力的发展”，主张人类与自然和谐相处，从而实现人地关系的PRED协调，
16、即人口（P）、资源（R）、环境（E）与发展（D）的协调。据此，矿区的可持续发展可归纳为：在严格的法制管理和市场经济调控下，运用科学的手段，合理、节约、环保高效地开采和利用煤炭资源，使其对社会和环境的负效应降到最低，确保经济、社会和环境的可持续发展。煤炭资源是一种不可再生耗竭性资源，它是一种重要的有多种用途的有机原料，但它的总量是有限的，其不可再生性特点制约了矿区的可持续发展。矿区可持续发展要求对煤炭资源的可持续开采，即要有计划、有序开采，既不要浪费资源，又不能抢子孙后代的资源，更不能掠夺式开采，不合理的开采方式往往造成环境的损害或资源的浪费。而且环境的损害是不可逆的、无法恢复原貌的。近年来，在煤炭需求快速增长的拉动下，一些煤矿不顾客观条件盲目扩大生产，超能力生产现象相当严重，2004年全国超能力生产的煤矿(井)有5305处，超能力产量1.8亿吨，带来一系列严重后果：一是造成采掘失调，矿井服务年限
