采掘填充一体化
地质灾害治理

采掘充填一体化采煤方法

       

   奔腾不息的西拉沐沦河,不仅孕育了古老的红山文明,在她流淌的大地下,也蕴藏着多种矿产资源,依托深厚s的文化底蕴和丰富的矿产资源,赤峰西拉沐沦(集团)投资有限公司在这片沃土上崛起、发展、壮大。


     传统的矿山开采方法普遍采用采空区垮落法开采,该方法不仅容易引发矿井水灾、火灾、有害气体及矿尘灾害、顶板灾害等,还易造成地表塌陷、矿震等灾害。矿山开采和矿物加工利用又排放大量固体废弃物,不仅占用土地,污染环境,还易造成尾矿库溃坝等灾害。


   垮落法采矿不利于矿井安全生产,还对地面、农田、道路、河流、村庄等自然、生态和人文环境造成了严重的破坏,对人民群众的财产和生命安全构成了严重的威胁。

       

   资料显示,我国仅煤矿现存矸石山1600余座,矸石堆积量约55亿吨,占地约1.5万公顷,而且还以每年排放约5亿吨的速度增长,全国每年由于煤炭开采造成的土地塌陷面积约4万公顷。加上非煤矿山开采及对矿物的加工利用,废石及工业废渣等各种固体废弃物排放及造成的占地、塌陷数量更大。

       

   传统的垮落法开采,很难保住安全生产的底线,也违背了党中央绿色发展的理念,总书记在党的十九大报告中指出,要树立安全发展理念,弘扬生命至上、安全第一的思想,要坚持最严格的安全生产制度,始终把人民群众生命安全放在第一位。


   总书记还提出,既要绿水青山,又要金山银山,绿水青山就是金山银山。我们决不能以牺牲生态环境为代价换取经济的一时发展。总书记的民生理念需要采矿业认真对待。

       

   如何既能安全高效开采矿产资源,又能无害化处理固体废物,保护人文和生态环境,还可避免地表塌陷、矿震、透水等地质灾害,又能实现安全、高效、环保开采,是摆在采矿业面前急需解决的重大课题。

       

   怀着对国家采矿事业的赤子之心,西拉沐沦人在集团公司董事长岳国军的带领下,经过6年的不懈努力,研发出了“采掘充机械化胶结充填采煤工艺技术”,在此基础上,于2015年完成的“含水层下特厚煤层上向分层长壁逐巷胶结充填采煤技术”被确认为国家科技成果,达到国际领先水平。该项充填开采技术,不仅适用于煤矿开采,也同样适用于非煤矿山开采,从此开创了矿山开采的安全高效、生态环保、经济循环、资源竭用的矿山资源开采新型生产模式。

       

   集团公司旗下年产30万吨的赤峰西拉沐沦(集团)公格营子煤业有限公司(煤矿)运用自主研发的充填开采技术,可节省征占土地2139亩,可少破坏地下水8427万立方米(370*24*365*26),可利用固体废旧物1085万吨,可多回收煤炭资源521万吨。


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图一  公格营子煤矿工业广场和采区地表


图二  公格营子煤矿充填站及储料场


图三  元宝山电厂征地建设的粉煤灰堆放场


图四  平煤集团古山煤矿废弃矸石山未治理时(2009年)


图五  平煤集团古山煤矿废弃矸石治理后(2018年)


图六  元宝山区马架子青年煤矿废弃矸石治理前


图七  元宝山区马架子青年煤矿废弃矸石治理后


图八  公格营子煤矿冒落法开采时排水量(450立方米/小时)


图九  公格营子煤矿充填开采时排水利用照片(80立方米/小时)



 一、公司概况

   赤峰西拉沐沦(集团)投资有限公司是以煤炭生产和房地产开发为支柱产业,融商贸物流、地质灾害治理为一体的民营企业。

充填技术研发成功与应用,使我公司先后荣获“十佳私营企业”、“乡镇企业百颗星”、“光彩事业示范单位”等多种荣誉。

   董事长岳国军被中国民营经济促进会评选为“中国民营科技发展杰出贡献优秀企业家”,被赤峰市委统战部、市工商联评为“优秀中国特色社会主义事业建设者”。

       

二、技术研发

   面对传统的冒落法煤炭开采,不仅采出率低,造成煤炭资源浪费、还会造成地表塌陷矸石污染等环境破坏,采空区安全隐患较多,容易引发矿井灾害的现实困境,从2005年开始,董事长岳国军提出要创新研究一种新型采煤方法,解决上述困境,实现安全高效环保的绿色矿山建设目标,自此踏上了探索充填开采的道路。

   依托中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,组织高校煤炭开采技术专家和集团公司技术人员在赤峰西拉沐沦(集团)公格营子煤业有限公司(煤矿)开展采空区充填技术研究攻关。十余年来,在不断进行科学实验、理论分析、经验总结、改进完善的基础上,先后研究出似膏体充填技术、煤矿胶结充填工艺技术、采掘充机械化胶结充填采煤工艺技术、含水层下特厚煤层上向分层长壁逐巷胶结充填采煤技术,取得了多项专利技术和科技成果,是国内唯一一家特厚煤层充填开采技术的开创者和实践者,充填开采单一煤层采厚达到30米以上,采出率达到100%,充实率100%,做到了开采后地表不沉陷。与当前国内其他煤矿采用的充填开采技术相比,我公司的充填开采关键技术指标优势明显。

近十年来,公司完成了国内煤矿开采领域独有的“三下”特厚煤层胶结充填开采示范性工程项目的方案设计和系统建设,并于2009年实现了经济循环、节能减排、环保绿色的矿山建设目标。

   与中国矿业大学、中煤西安设计研究院、长沙飞翼集团公司等多家学术科研设计单位和充填装备研发制造厂家组成战略合作联盟,具备项目可研、方案论证、工艺及施工图纸设计、装备选型配套供应、建筑安装工程施工、生产运营及相关技术配套服务,拥有一支高素质专业化的技术研究和生产经营管理队伍。


三、社会效益

   公格营子煤矿采用充填采煤技术开采后,社会效益显著,主要体现在以下几个方面:

   1、生态环保

   保护了采空区上方的地表建及筑物,实现了“三下”安全高效开采;矿区开采无塌陷;消化利用了煤矸石、粉煤灰等工矿业废渣1085万吨,减少了固废物污染,开创了“三废”资源循环利用新模式,为建设绿色矿山开辟了新的途径。

   2、节约土地

   充填开采,大量利用了其他煤矿废弃排放的矸石,以及工厂电厂等工业企业排放的粉煤灰和废渣,矿区地表不塌陷,节约土地2139亩。

   3、提高采出量

   公格营子煤矿工业储量为1278万吨,位于强含水砂层下,如采用原设计的冒落方法开采,煤层构造多,需要留设大量煤柱,煤柱储量合计610万吨,可采储量为501万吨,服务年限13年。采用充填开采后,实现了无煤柱开采,解放了610万吨煤柱压煤,采区采出率达到100%,采出煤量达到1022万吨,多采出煤量521万吨。

   4、保水开采  

   公格营子煤矿建井初期涌水量280立方米/小时,生产期上升到450立方米/小时。采用充填开采后,矿井涌水量下降到80立方米/小时,保护地下水8427万立方米,不破坏原生水文地质环境,实现了保水开采。同时排出的水,部分用于充填返回到井下充填体和地下水系,涵养保护了地下水。

   充填体符合环保要求。通过浸水实验和矿井疏干水水质检测,与不充填开采时没有变化,符合环保排放标准,充分说明利用本充填法开采既实现了保水开采又不影响地下水水质。

   5、人员就业

   采用传统的冒落法开采,服务年限最多13年,全矿岗位定员450人,人员就业13年;采用充填开采后,服务年限延长到26年,虽然新增了充填系统岗位人员,但减少了矿井灾害治理人员,全矿岗位定员维持450人,可稳定就业26年,同时间接带动运输业等相关服务就业16人。


四、安全成果

   公格营子煤矿采用充填采煤技术开采后,矿井防灾抗灾能力显著增强。

   1、消除水灾

   采用冒落法开采时,工作面顶板淋涌水较大,随着开采厚度和面积的加大,冒落带、破碎带、裂隙带高度逐渐上升,极易导通含水层,突水危险性也随之增加。采用本充填法开采技术后,由于采煤过程中及时对工作面采空区围岩进行锚杆主动支护,围岩不变形,采后及时进行充填,顶板不下沉也不产生裂隙,不破坏开采煤层上方的含水层,也不存在积水空间,消除了水灾。

   2、根除了煤层自燃发火

   煤炭全部采出后及时充填,采空区没有浮煤、没有了积存空气的空间,也就没有发火条件,根除了火源。

   3、减少了瓦斯灾害

   工作面回采后及时进行充填,消除了采空区,瓦斯没有集聚空间,大大减少了瓦斯渗透量。不充填开采时,矿井瓦斯浓度平均在0.04%-0.10%左右;充填开采后,采区回风巷瓦斯浓度短时最高0.04%,长期低于0.02%。

   4、消除了煤尘危害

   采用采掘充填一体化采煤方法,利用机械喷雾装置对工作面喷雾洒水,采后及时进行充填,消除了煤尘危害。

   5、消除了矿震塌陷灾害

   平庄矿区相邻矿井和榆林矿区部分矿井开采实践表明,不充填开采,不论是冒落法,还是条带法、房柱法开采,都不同程度存在矿震、塌陷等地质灾害。古山矿区多数煤矿采用冒落法开采,地表沉陷率达到70%以上,实际塌陷面积是开采面积的1.2倍左右,并随着开采深度的增加,矿震频次和震级均呈现增加趋势,最大震级达到2.0级以上,严重危及矿井安全生产。

   榆林地区部分煤矿可采煤层上方为含水层,为实现保水开采,原设计采用条带法和房柱法开采,通过留设保护煤柱支撑顶板,预期达到阻止顶板下沉,防止地表塌陷,防止裂隙导通含水层的效果。实际采后2年左右,大多数煤柱均坍塌无法支撑顶板,出现大面积顶板冒落,造成矿震和采区上方大面积地表塌陷,矿震频次和震级也呈现逐年增加趋势,实际没有达到预期的效果。

   公格营子煤矿采用充填开采技术开采后,采空区顶板不变形不下沉,采空区被充填体充满充实,充填体强度满足支撑顶板的要求,充填开采后上覆岩层不破坏,没有了裂隙带,更没有了冒落带和破碎带,采煤工作面矿山压力显现微弱,消除了矿震塌陷产生的条件,从源头上根除了矿震和地表塌陷。

   6、保护了矿区周边环境安全

   采用采掘充填一体化采煤方法,可有效避免地表塌陷,保护地下水系,保障了地表构筑物和地质环境安全,消化了本矿和其它煤矿积存多年的煤矸石以及电厂和其它企业多年排放的粉煤灰、工业废渣、建筑垃圾等废弃物,消除了上述固体废物产生的扬尘及有害气体排放,为保护和改善矿区周边环境做出了贡献。

       

五、经济效益

   1、提高了资源回收率

   采用充填开采前,保安煤柱压煤量为610万吨,采用采掘充填一体化采煤方法,工作面回采真正实现了上下不留煤皮、左右不留煤柱,采区回采率达到100%,多采出煤量521万吨,延长矿井服务年限13年,可多创产值15.63亿多元,多创税收3.9亿多元。

   2、节省了征地治理费用

    (1)、节省了征地费用

      采用充填开采后,避免了采动造成土地塌陷756亩,节约征地费1769万元,节省征地费成本3.53元/吨煤

    (2)、节省了治理费用

      充填代替了消火灌浆,地面也不塌陷,节省消火灌浆及地面塌陷治理两项合计成本费用2.5元/吨煤。

    (3)、共节省征地和治理费用6.03元/吨煤。

   3、降低了排水费用

   采用充填法采煤,井下的涌水量得到有效控制,公格营子煤矿涌水量由原来450立方米/小时减少到现在80立方米/小时,按年产30万吨原煤计算,如不采用充填开采,每年仅排水电费一项就高达197万元,排水系统维检费每年40万元以上,不充填开采每年总排水费用237万元,吨煤排水成本费用7.9元。

   充填开采后,每年排水电费降低到34.95万元以下,维检费每年10万元以下,充填开采后,每年总排水费用44.95万元,吨煤排水成本费用1.50元。每年可节省排水费用192.05万元,节省排水成本6.40元/吨煤。

   4、节省了巷道维修费用

   采用充填开采之前,巷修成本3元/吨以上,充填开采后降低到0.5元/吨以下,采用充填开采之后,吨煤成本费用节省了2.5元/吨。


   综上所述,公格营子煤矿采用充填开采后,虽然增加充填成本40元/吨煤,但可以节约成本费用14.93元/吨煤,加上国家的充填开采煤炭资源税减半征收政策返还13.5元/吨煤,充填开采比不充填开采吨煤成本实际只增加了11.57元,但是充填开采提高了采出率和资源回收率,多采出煤量521万吨,延长了矿井服务年限13年,可多创产值15.63亿多元,多创税收3.9亿多元,预期多创利润2.6亿元,总体经济效益非常显著。


六、科研成果

  企业拥有该技术相关发明专利五项,其中国家发明专利三项;自治区级科技进步一等奖、三等奖各一项;国内外领先技术成果两项。

  (1)《井下似膏体充填技术》(内科鉴字[2008]第26号);

  (2)《煤矿胶结充填工艺技术》(专利号:ZL 2009 1 0010429.8);

  (3)《含水层下特厚煤层上向分层长壁逐巷胶结充填采煤技术》(中高科评字[2015]第398号);

  (4)《大摆角转运一体机》(专利号:ZL 20152 0066007.3);

  (5)《自移挡墙车》(专利号:ZL 20152 0065885.3);

  (6)《一种水泥粉磨工艺》(专利号:ZL 201010300438.3);

  (7)《煤矿采掘充填一体化采煤方法》(专利号:ZL 201510046827.0)。


以下是各项专利证书附件:



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    赤峰西拉沐沦集团,经过十余年来的科技攻关,共获得了国家发明专利3项,实用新型专利2项。荣获2012年度内蒙古自治区“科学技术进步三等奖”,荣获2016年度内蒙古自治区“科学技术进步一等奖”。承担了科技部“2012国家科技支撑计划”课题项目,并顺利通过国家课题验收。同期自主研发的“含水层下特厚煤层上向分层长壁逐巷胶结充填采煤技术”经过权威机构的国内外查新和科技部中国高科技产业化研究会专家组评定,被确认为国家科学技术成果,达到国际领先水平。


    十多年来,西拉沐沦人在习总书记“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念的指引下,坚守“发展、民生、生态”底线,持续推进采矿技术革新,推动绿色矿山建设。


    采掘充填一体化采煤方法在井工矿山推广应用,必将对矿山安全生产和生态保护及环境治理带来革命性影响,创造出更广、更大、更高的生态、社会、经济效益,为促进采矿业持续健康稳定发展,树立光辉的典范,为建设生态文明、打造美丽中国贡献力量,为我们的子孙后代留下天蓝、地绿、水净的美好家园。      

 




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