我國充填采煤技術獲重大突破
http://www.debgrams.com 2012-04-05 13:39 來源：中國能源報
我國充填采煤技術獲重大突破，可解決困擾煤炭行業已久的地面沉陷、矸石污染、采出率低等一系列問題
中國礦業大學/供圖
3月22日，國家能源局召開《煤炭工業發展“十二五”規劃》發布會，國家能源局副局長吳吟在新聞發布會上答記者問時指出，煤炭企業在“十一五”期間，探索了充填開采方式，取得很大成績，我國將推廣這種經驗。《國家能源科技“十二五”規劃》也指出，要建設和研發與環境協調的綠色開采理論與技術，并在重大技術研究中明確提出要加快研發充填開采技術。
記者從平頂山、濟寧、兗州、皖北、開灤、冀中、新汶、烏海等十多個礦區了解到，這些礦區應用綜合機械化固體廢棄物密實充填采煤技術已經取得顯著的經濟、社會和環境效益。這項技術發明是我國綠色采煤技術的重大創新，已獲多項發明專利，編寫國家行業標準8項，并具有完全獨立自主知識產權。
該項技術發明由中國礦業大學繆協興教授帶領的科技團隊與多家煤炭生產企業合作完成，國際環境巖土工程協會主席、國際減災聯盟主席Hilary I Inyang教授在“國際環境巖土工程學術大會”上評價此技術發明：“它既是充填采煤方法的重大創新，也是煤礦區環境巖土工程技術的重大突破，對中國大規模采煤中的資源與環境保護工作具有十分重要的現實意義，也可對其他采煤國家提供技術支持和幫助。”
開采帶來種種“后遺癥”
我國大規模煤炭資源開發中存在大量較為粗放型的生產方式，造成安全、資源浪費和環境破壞三大問題。
據了解，我國現有“三下”壓煤儲量達500億噸，煤炭資源采出率低，在東部礦區“三下”壓煤量已普遍超出可采儲量的50％左右，有些礦井已面臨關閉，尤其是大量稀缺煤種資源無法采出；在山西、陜西、內蒙古等地，存在大量房柱式開采留下的煤柱以及被小煤礦亂采亂挖破壞過的煤炭資源；我國西部大規模煤炭開發中存在嚴重的水資源與環境問題。另外，據初步統計，我國每年因開采煤炭而排放礦井水超過80億噸，新增破壞耕地約7萬公頃，每年排出矸石超過3億噸，現有矸石山1600余座，堆積量超過55億噸，占地超過15000公頃。矸石山會嚴重污染空氣和地下水，容易自燃甚至有爆炸危險。
人類對充填采礦有文字記錄的研究歷史已近100年，實現井下充填采煤既是采煤人的原始沖動，更是他們的夢想。
繆協興告訴本報記者，煤炭是沉積巖，開采會使巖體破段移動并造地表沉陷，如何防止沉陷？通俗來講，一種是支撐，開采預留煤柱，另一種就是充填。一直以來，充填采煤技術一直處在廣泛的研究探索階段。由于充填通道、空間和充實率有限，采煤產量低，充填成本高；充填后不能真正達到控制要求，因此，此前充填開采一直未達到規模化的工業應用。
如何將“三下”壓煤開采出來，并減少礦區廢棄物，保護礦區環境？發明設計一種利用礦區固體廢棄物直接高效充填采煤技術，是解決煤炭資源與環境保護問題、實現綠色開采的重要技術途徑之一。
實現充填與采煤并列進行
記者了解到，綜合機械化固體廢棄物密實充填采煤技術，使長期以來的充填采煤技術攻關取得重大突破性進展。首先，將固體廢棄物做充填物原料，就地取材成本便宜，有效保護環境。其次，直接充填采空間，充填物不需匹配和膠結，降低了成本。再次，密實充填，滿足被保護對象（如建筑、鐵路、水體）不被破壞的要求。而充和采一體化，更解決了充填采煤技術的一大難題，將采煤和充填在一個工作面上并列進行，對采煤效率影響較小。此外，綜合機械化實現了所有的生產方式都由現代化的機械裝備來進行，產量大大提高。總之，綜合機械化生產體現了現代化礦井要求，充分利用固體廢棄物，有效解決環境問題。
繆協興在接受本報記者采訪時表示，該技術的產生并非偶然，是在中國工程院錢鳴高院士的指導下，團隊多年合作努力的結果。繆協興帶領的團隊致力于礦山壓力與巖層運動控制研究，即研究采煤以后，從采場礦壓到巖層內部、一直到地表的塌陷過程的力學運動規律，并設法控制其運動。
近百年來，國內外一直在研究探索充填采煤技術，繆協興告訴記者：“充填以后巖層怎樣運動，巖層運動對填充技術和工藝又產生怎樣的作用？這就需要巖層運動控制的研究，并非簡單地把固體廢棄物充填進去就可以了，而是對巖層運動理論及規律的掌握，要在基礎理論研究上進行創新。煤礦充填開采必須建立相應的充填采煤巖層控制理論和克服實施充填所需的空間、通道和充實率等技術難點，發展綜合機械化固體充填采煤，在綜合機械化采煤作業面，實現同一液壓支架掩護下采煤與充填并行作業。”
繆協興表示，他們團隊是在充填采煤巖層運動理論研究的基礎上，發展現代充填采煤技術，并提出三個要求：要保證安全、高效采出煤炭；要嚴格控制巖層運動與地表沉陷；還需要有顯著的經濟和社會效益。
記者了解到，該項技術發明主要創新點表現在四個方面：發明了能與綜合機械化采煤技術相匹配、采用機械化方式直接將礦區矸石、煤粉灰及黃土等固體廢棄物密實充填采空區的充填與采煤一體化技術；設計出能掩護綜合機械性采煤和固體廢棄物密實充填并行作業的雙頂梁正四連桿六柱支撐式液壓支架，確保各項作業工藝的實施；發明了固體廢棄物井上下輸送系統、裝備與工藝，解決了高產量充填采煤所需大量固體廢棄物的大流量輸送問題；發明了基于固體廢棄物壓實力學性能研究的采空區充實率檢測方法與技術，解決了充填體在采空區的壓實特性和壓實流變特性的檢測問題。
技術創新實現效益三收
綜合機械化固體廢棄物密實充填采煤技術，是解決煤炭生產過程中存在的嚴重資源浪費和生態環境破壞問題的有效途徑之一。它的應用可提高資源采出率，延長礦井服務年限，保護建筑物和土地、水體等資源及生態環境，利用礦區排放的矸石、粉煤灰等固體廢棄物，消除矸石露天排放的占地和各種環境污染，可有效治理采空區水、火、瓦斯、沖擊礦壓等重大災害，還可促進我國具有自主知識產權的煤機制造業的發展。
山東濟寧花園煤礦的優質焦煤位處金鄉縣村莊群下，在不搬遷村莊條件下開采稀缺煤，礦井原來服務年限40年，延長至100年；內蒙古烏海泰源煤礦在脆弱生態環境中采煤不破壞環境并減少排放矸石費用成本；皖北五溝礦在第四紀含水層下采煤；開灤在鐵路網下采煤；邢臺在工廠下采煤；兗州在微山湖堤坎下采煤；新汶、淮北、東坪、徐礦、平煤……該技術在這些礦區推廣應用后，取得顯著的經濟、社會和環境效益。
記者從這些礦區了解到，該技術使采空區充實率達90%以上，建筑物下煤炭采出率達85%以上，單面年產能力超100萬噸；與常規綜采比較，直接生產成本每噸煤僅增加約30元人民幣，與建筑物搬遷開采比較，經濟效益十分顯著；與可采用條帶開采比較，能提高采區采出率50%左右；全部發明設計的技術裝備都實現了國產化。
繆協興還表示，技術的發展要滿足不斷提高的現實需求，要實現綠色開采，這只是其中的一步，還需要研究院校、煤礦企業、煤機制造企業和政府等共同努力，從更廣的視角來推進我國煤礦科學開采技術的發展。
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