塌陷区充填复垦与煤矿膏体充填开采的对比研究.pdf

doi10.13301/ki.ct.2014.06.095 0前言 煤矿膏体充填开采是将一种或多种原料配制 成具有良好流动性的牙膏状胶结体，在重力或外力 作用下输送到采空区，控制地表下沉，保持地表原 有形态，属于无需修复的主动复垦。 而塌陷区充填 复垦是指以矸石或粉煤灰等为原料填充地表沉陷 区并在上面铺设一层具有肥力的土壤，使其恢复到 可供利用的状态，其破坏了原有的生态环境，使一 些因素难以修复， 属于先破坏后修复的被动复垦。 目前许多专家学者主要研究膏体充填的材料性能 和上覆岩层的移动规律，及塌陷区充填复垦的材料 及对周围环境的影响，却忽略了2种复垦方式的差 异。 本文以山西长治县某矿为研究对象，分析了以 该矿矸石作为2种方式原材料的可行性， 计算得出 了2种方式的成本差异，并对比得出了不同条件下 该矿应选择的最佳方式，最后给出了确保煤矿膏体 充填开采技术全面实施的相关措施。 1矿区概况 该矿位于长治县，是山西省推行煤炭资源整合后 单独保留矿井，在建井期间产生的矸石量约为1.9万t， 在投产后矸石产量约4.5万t/a。 该矿准采山西组3 煤层，密度为1.45 t/m3，生产规模90万t/a，井田面积 约为8.4 km2，设计服务年限约为25 a，井田几乎全 部为第四系覆盖，构造以褶曲为主，总体呈一背斜 的简单构造，井田采用立井开拓，共布置有主、副井 及回风井，共有3个井筒，采煤方法采用倾斜长壁 轻型综采放顶煤，全部垮落法管理顶板，煤层顶板 为粉砂岩或砂质泥岩、泥岩等。 2矸石适用性分析 矸石长期堆放不仅占用大量土地，而且还污染 周围生产生活环境，为对矸石加以充分利用，变废 为宝，所以，对该矿矸石进行了相关的分析研究。 矸 石基本成分见表1，矸石工业分析见表2。 表1矸石基本成分分析汇总表 表2矸石工业分析汇总表 矸石中有毒、有害元素经降雨淋溶后，元素的 可溶解部分随雨水进入土壤，对土壤、植被、水体将 产生影响。 因此，采用HJ/T2992007固体废物浸 出毒性方法硫酸硝酸法样品淋浸，根据GB5085.3 2007危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别进行矸石 塌陷区充填复垦与煤矿膏体充填开采的对比研究 * 马娟 1， 刘玉香2， 张和生1 （1．太原理工大学 矿业工程学院， 太原030024；2.山西焦煤汾西矿业集团 建筑安装工程处， 山西 晋中032000） 摘要 塌陷区充填复垦与煤矿膏体充填开采都能保证地表形态，为研究2者差异，以长治县 某矿为研究对象，研究了以该矿矸石作为2种方式原材料的可行性，计算得出了2种方式的成本 差异，并通过对比分析得出了该矿在不同条件下的最佳方式，最后给出了确保煤矿膏体充填开采 技术全面实施的相关措施。 关键词 塌陷区； 充填复垦； 膏体充填； 充填开采 中图分类号TD823.7文献标志码A 文章编号1008 － 8725（2014）06 － 0241 － 03 Comparative Study of Filling Reclamation in Coal Mining Subsidence Area and Paste Filling Mining of Coal-mines MA Juan1，LIU Yu-xiang2，ZHANG He-sheng1 1. School of Mines Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2. Construction and Installation Engineering Department，Shanxi Coking Coal Fenxi Mining Group，Jinzhong 032000，China） Abstract The filling reclamation in coal mining subsidence area and the paste filling mining of coal- mines can ensure the earth’s surface. In order to study differences between the two, taking a mine in Changzhi as a research object，the feasibility which maked the waste of the mine as the row material in the two ways was studied, the differences of the cost in the two ways were calculated, the best way in different conditions was obtained by comparative analysis. Immediately next，some measures to ensure the paste filling mining were given. Key words subsidence area；filling reclamation；paste filling；filling mining *国家科技支撑计划项目（2009BAB48B02）；国家自然科学基金面上 项目（51174142）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（NCET- 11-1036）； 霍英东教育基金2011年高等院校青年教师基金应用研 究课题（132023）；山西省科技成果推广项目（2013071050）；山西省科 技攻关项目（20110321015-03） 基本成分 百分比/ SiO2 37.20 Al2O3 28.24 Fe2O3 0.94 MgO 0.36 CaO 0.38 其他 1.76 水分/ 2.97 灰分/ 71.15 挥发分/ 9.67 固定碳/ 19.18 全硫/ 0.15 焦渣/ 1 煤炭技术 Coal Technology Vol.33No.06 Jun. 2014 第33卷第06期 2014年06月 241 浸出毒性的分析测试。 试验结果见表3。 表3矸石浸溶试验结果 由表3可见， 浸出液中的有害元素F-、Cu、Zn、 Cd、Pb、Cr6、As、Hg等浓度均远低于危险废物鉴别 标准浸出毒性鉴别中的标准限值，说明该矿矸 石固体废物为一般工业固体废物，可采取一般处置 方法，按照一般工业固体废物贮存、处置场污染控 制标准进行处理。 还可以看出，各监测项目浓度值 均远远低于GB89781996污水综合排放标准一 级标准限值，所以可以用该矿矸石作为塌陷区充填 复垦和煤矿膏体充填开采的原材料。 3塌陷区充填复垦和煤矿膏体充填开采对比分析 3.1直接成本 （1）塌陷区充填复垦的直接成本 该矿充填复垦从2011年7月开始， 服务期为 30 a，采用2011年7月份的价格水平。 充填复垦费 用包括工程施工费、其他费用（前期工作费、工程 监理费、竣工验收费、业主管理费）、监测与管护费 以及预备费。 其中，工程施工费＝工程量工程施工 费综合单价，工程施工费综合单价由直接费（直接 工程费和措施费）、间接费、利润和税金组成，按费 率计算；前期工作费、工程监理费、竣工验收费和业 主管理费按费率计算，依据土地开发整理项目预 算编制暂行规定；根据复垦方案，本项目复垦共分 4个阶段， 监测时段安排在复垦各个阶段完成后连 续监测3 a、每年监测2次（春秋季各监测1次），按 人工监测拟定； 根据管护方案， 本项目管护期为3 a，管护工作包括中耕除草、修枝、施肥、浇水、喷药 等；预备费包括基本预备费（按工程施工费、设备 费、其他费用和监测与管护费之和的2计算）和价 差预备费（根据施工年限，以分年度静态投资为计 算基数；按照国家发改委根据物价变动趋势，适时 调整和发布的年物价指数计算）。 因 此 ，按 上 述 步 骤 可 估 算 出 该 矿 总 投 资 为 9 427.24万元，静态总投资为2 892.50万元；单位面 积投资为226 431.28元/hm2、合15 095.42元/亩；单 位面积静态投资为69474.47元/hm2 、合 4631.63元/亩。 其中 工程施工费2 496.11万元、 占总投资的 26.48；其他费用301.98万元、占总投资的3.20； 监测与管护费37.69万元、占总投资的0.40；基本 预备费56.72万元、占总投资的0.60；价差预备费 6 534.74万元、占总投资的69.32。 （2）煤矿膏体充填开采的直接成本 将矸石、水泥、粉煤灰、水按一定比例混合制成 煤矿充填膏体，经试验测得其密度为1.9 t/m3，假设 该矿开采煤炭形成的采空区全部用膏体及时充填， 无离层区域形成，此时就认为充填膏体的体积等于 所采煤炭的体积，即约为采空区的体积。 所以，可以 计算出该矿在服务年限内所需充填膏体的量 [（90/万t/a25a）/1.45 t/m3] 1.9 t/m32 948.3万t 充填膏体的成本主要来自水泥、粉煤灰和其他 费用（破碎、运输和人员管理费用等）。 其中，水泥、 粉煤灰分别按市场价350元/t、100元/t计算， 由于 在配制充填膏体时其质量分别占总量的10和 20， 所以可计算出每吨充填膏体中水泥和粉煤灰 的价格为35元、20元。 根据实际情况，其他费用按 30元/t计算，所以，充填膏体的价格为85元/t，则该 矿在服务年限内煤矿膏体充填开采所需的成本为 2 948.3万t85元/t250 605.5万元。 3.2间接成本 （1）塌陷区充填复垦的间接成本 在煤矿开采过程中采空区上方顶板将会出现 垮落， 导致采空区以上岩层产生大量的垂向裂缝， 使之成为含水层中地下水快速渗漏的通道，严重破 坏了煤系顶部含水层中的地下水资源。 此外，地表 塌陷将会导致居民房屋和土壤结构的不同程度的 破坏， 影响当地居民的正常生活及植物的正常生 长， 破坏了社会秩序和生态系统的多样性与稳定 性。 塌陷区充填复垦虽然能够在破坏后增强土壤肥 力，增加动物群落多样性，减少风沙，调节气候，净 化空气，美化环境，但它需要经过长时间不断的生 态建设，水土保持和土地复垦生态恢复工作，土壤 侵蚀才会大为减小，损毁土地才能得到有效控制与 恢复，这需要相当大的间接成本，而且还难以恢复 到原有状态。 （2）煤矿膏体充填开采的间接成本 煤矿膏体充填开采顶板下沉量较小，采空区上 覆岩层不会断裂产生导水裂隙带，所以不会对采空 区上方的含水层产生影响，保护了地下水资源。 此 外，由于煤矿充填膏体的支撑作用，使地表下沉较 小，对土地资源和房屋几乎没有任何影响，无需额 外的费用进行搬迁和生态环境的修复，促进了社会 的和谐及生态环境的可持续发展。 4最佳方式的选取及建议 该矿在建井过程中产生矸石总量约为1.9万t。 而在投产后矸石产量约为4.5万t/a，可计算出该煤 矿在服务年限内共产生的矸石总量为114.4万t。 而 该矿在服务年限内所需充填膏体的重量为2 948.3 项目 pH F- Cr6 As Hg Cu Pb Zn Cd Ba Be Ni CN- 含量 3 8.52 0.67 0.01 0.1 0.000 1 0.230 0.05 0.006 0.003 0.316 0.005 0.01 0.25 分析方法及标准号 玻璃电极法GB692086 离子选择电极法GB/T5085.32007 电感耦合等离子体原子发射光谱法GB5085.32007 电感耦合等离子体原子发射光谱法GB5085.32007 电感耦合等离子体质谱法GB5085.32007 电感耦合等离子体原子发射光谱法GB5085.32007 电感耦合等离子体原子发射光谱法GB5085.32007 电感耦合等离子体原子发射光谱法GB5085.32007 电感耦合等离子体原子发射光谱法GB5085.32007 电感耦合等离子体原子发射光谱法GB5085.32007 电感耦合等离子体原子发射光谱法GB5085.32007 电感耦合等离子体原子发射光谱法GB5085.32007 硝酸盐滴定法GB74861987 GB5085.3 2007 - 100 5.0 5.0 0.1 100 5.0 100 1.0 100 0.02 5 5.0 GB8978 1996 6～9 10 0.5 0.5 0.05 0.5 1.0 2.0 0.1 -- 0.005 1.0 0.5 上限值 单位 无量纲 mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L 第33卷第06期Vol.33No.06塌陷区充填复垦与煤矿膏体充填开采的对比研究马娟，等 242 万t，若矸石用量按其30计算仍需矸石884.5万t， 该矿产生的矸石难以满足煤矿膏体充填开采的需 要。 而采用塌陷区充填复垦只需将矸石充填裂缝或 深坑，所需矸石量较少，在服务年限内产生的矸石 能够满足塌陷区充填复垦的需要。 此外，采用煤矿 膏体充填开采在服务年限内所需的成本约为250 605.5万元，而采用塌陷区充填复垦总投资仅约为9 427.24万元， 比煤矿膏体充填低241 178.26万元。 依据矸石用量及直接成本该矿应该选择塌陷区充 填复垦，但若要考虑间接成本，该矿应努力实施煤 矿膏体充填开采。 为促进煤矿膏体充填开采的全面实施，实现人 类与环境的可持续发展，提出以下建议①寻找来 源广、价格低的充填材料，深入研究条带、构造充填 开采技术；②添加外加剂提高煤矿充填膏体的早期 强度；③对实施膏体充填开采的煤矿政府给予经济 上的补贴；④根据煤矿的实际情况，将塌陷区充填 复垦与煤矿膏体充填开采相结合。 5结语 （1）该矿矸石为一般工业固体废物，可采取一 般处置方法，且监测项目浓度值均远远低于污水 综合排放标准，所以，该矿矸石可以作为塌陷区充 填复垦和煤矿膏体充填开采的原材料； （2）在服务年限内，塌陷区充填复垦所需成本 为9 427.24万元， 煤矿膏体充填开采所需成本为 250 605.5万元，远远高于塌陷区充填复垦，但其破 坏了原有的生态系统； （3）从矸石用量和2种方式所需成本来看，该 矿应选择塌陷区充填复垦，而从人与自然的可持续 发展考虑，应选择煤矿膏体充填开采； （4）选择来源广、价格低的充填材料，深入研究 条带、构造充填开采技术，添加外加剂提高煤矿充 填膏体早期强度，政府经济上的支持等措施，是煤 矿膏体充填开采技术全面实施的保障。 参考文献 ［1］五河.能源告急［J］.生命世界,20083 48-49. ［2］刘维国,张威速.浅析土地复垦工程技术非充填复垦技术［J］.民营 科技,20117130. ［3］周华强，侯朝炯，孙希奎，等.固体废物煤矿膏体充填不迁村采煤 ［J］.中国矿业大学学报，2004,332154-158. ［4］陈绍杰,郭惟嘉,周辉,等.条带煤柱煤矿膏体充填开采覆岩结构模 型及运动规律［J］.煤炭学报,2011,3671 081-1 086. ［5］陈龙乾,郭达志,张明,等.矿区地表采掘废弃地充填复垦材料及技 术研究［J］.中国矿业大学学报,2002,31160-64. ［6］王莹,董霁红.徐州矿区充填复垦地重金属污染的潜在生态风险 评价［J］.煤炭学报，2009,345650-655. 作者简介 马娟1986- ，女，河北沧州人，硕士研究生，电子信 箱 majuan_321. 责任编辑王凤英收稿日期2014－04－09 doi10.13301/ki.ct.2014.06.096 含湿度效应的煤层注热多物理场耦合模型 * 贾泉敏 1,2 1.瓦斯灾害监控应急技术国家重点实验室， 重庆400037；2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司， 重庆400037 摘要 煤层注热是近几年提出的一种新型的瓦斯强化抽采方法，在煤层注热过程中，水蒸气 湿度的增加会影响煤层瓦斯的抽采效果。 为了了解水蒸气的湿度效应对煤层注热过程的影响，在 前人研究成果的基础上，运用传热学、渗流力学、弹性力学等相关理论，加入了水蒸气湿度的影响 并建立了含湿度效应的煤层注热多物理场耦合模型。 模型的建立有助于今后进行数值分析及相关 实验室实验。 关键词 湿度； 注热； 多场耦合 中图分类号TD712文献标志码A 文章编号1008 － 8725（2014）06 － 0243 － 04 Coal Seam Heat Injection Multi-physics Coupling Model with Humidity Effects JIA Quan-min1,2 1. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China；2. Chongqing Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Chongqing 400037, China AbstractCoal seam heat injection is a new way of strengthening drainage gas. In the thermal process in the coal seam, the increase of steam humidity will affect the extraction of coal seam gas. In order to grasp the effect of humidity on the steam injection thermal process, on the basis of previous research and heat transfer, fluid mechanics, theory of elasticity, adding the effects of humidity, the thermal coal injection multi-physics coupling model with humidity effects is established. The model is helpful for future numerical analysis and related laboratory experiments. Key words humidity; heat injection; multi-physics coupling *中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目2013QN004；重庆市自 然科学基金资助项目（cstc2012jjA90002、cstc2012jjA90003） 煤炭技术 Coal Technology Vol.33No.06 Jun. 2014 第33卷第06期 2014年06月 0前言 243