| 充填是追求梦想的过程——访中国矿业大学教授、综合机械化固体废弃物充填采煤技术带头人缪协兴 | |||
| 煤炭资讯网 | 2012-5-23 2:29:17 头条 | ||
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提要 缪协兴说，把煤炭采出后的空间填实是采煤人长久以来的一个梦想。中国当前大规模煤炭开采带来的安全、资源和环境问题，迫切需要有一项安全高效的充填采煤技术。他和他的团队，在多年的教学和科研中，不断积累思索，并与许多煤炭企业合作，终于发明了综合机械化固体废弃物充填采煤技术。这项技术完全符合他“安全高效的采煤技术+安全高效的充填技术+比煤廉价的充填物+区域环境治理+保护控制对象”的设想，已在全国10多个矿区推广，取得了良好的经济效益和社会效益，同时得到了国际同行的赞誉。 这项技术是由缪协兴课题组研发的，2009年开始在花园煤矿整体推广应用。花园煤矿在济宁市金乡县城及周边地区采煤，地面建筑群密集，原设计全部采用条带开采，采出率在30%左右，全部采用综合机械化固体废弃物充填采煤技术后，采出率提高至85%，矿井服务年限由原来不足40年延长到100多年。
“德国专家看了我们的充填开采技术后，对中国充填开采技术已如此先进感到有点难以置信。”缪协兴说。
对充填梦想的执着
“对于采煤人来讲，把煤炭采出后的空间填实是长久以来的一个梦想。谁都知道，把煤采空了，这个地方就要塌陷，多采多塌，少采少塌。怎么才能让它不塌？那就再把采空区填实。”缪协兴说，充填采煤技术研究已有100多年的历史。
“由于煤矿采煤工作面快速移动，采空区顶板岩层随采随垮等原因，煤矿采空区充填技术研发难以取得实质性突破。”缪协兴说，“充填开采并非简单地把固体废弃物充填进去就可以了，还需要掌握岩层运动理论及规律，要在基础理论研究上进行创新。”
另外，严峻的现实又迫使当代采煤人必须加快这方面创新的步伐。
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”（建筑物下、道路下、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%。尤其在我国东部矿区，“三下”压煤量已普遍超出可采储量的50%。此外，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。
“大规模煤炭开采中存在严重的问题，如安全问题，资源浪费和环境破坏问题。东部大量稀缺煤种因压煤无法采出，西部生态脆弱区大规模采煤造成严重的水资源和环境问题，这些迫切需要我们发明一项利用矿区固体废弃物直接高效充填采空区的技术，在保护环境和保障安全的基础上，满足能源需求。”原始的梦想和现实的需求，让缪协兴课题组专注于充填采煤技术研究。
现在矿井普遍实现了现代化开采，对充填采煤技术提出了很高的要求，既要安全高效，又要严格控制岩层移动，并能取得显著的经济效益、社会效益和环境效益。缪协兴将其总结为“安全高效的采煤技术+安全高效的充填技术+比煤廉价的充填物+区域环境治理+保护控制对象”。
“这项技术不是一个专业能够完成的。”缪协兴说，综合机械化固体废弃物充填采煤技术涉及煤矿开采、矿区资源与环境保护及矿山机械等学科，属于交叉学科领域。其中的很多理论和想法，是缪协兴课题组在多年教学和科研工作中日积月累而成的。
“真要从头说起，准备了20年都不止，在2004年的时候，我们认为可以研发出一项整体的技术了。”缪协兴说。
一项完整的创新发明
综合机械化固体废弃物充填采煤技术与其说是一项技术，不如说是一种能将机械化采煤工作面和机械化固体充填作业面合二为一的采、充一体化方法、系统与工艺。
缪协兴课题组为充填开采专门发明了一种特殊的支架——双顶梁正四连杆六柱支撑液压支架。这种支架有前后两个顶梁，前顶梁掩护采煤作业，后顶梁掩护充填作业，与支架后部连为一体的夯实机构能将固体充填物高效密实夯入采空区。
这种工作面的布置方式与传统综采工作面布置方式基本相同，其巧妙之处是在采煤工作面的后部，即在采空区一侧布置充填作业面，再在工作面进风巷内布置一条固体充填物料的运输皮带，将固体充填物料输送至刮板式充填输送机上。这样即可实现充填与采煤在同一工作面并行作业。
山东能源新矿集团翟镇矿充填开采工作面采用的也是缪协兴课题组研发的技术，充填密实度能达到90%，工作面单产达4.8万吨。
缪协兴课题组还发明设计出了固体废弃物井上下输送系统、装备与工艺。
记者在翟镇矿看到了国内同类钻孔中最深的地面矸石下井回填系统，矸石经过破碎与电厂粉煤灰拌料混合，通过562米深的钻孔垂直输送到井下，再运往充填工作面，每小时输送能力350吨。充填物料全部采用自动控制、电子计量、定量配比。
根据不同矿井开采地质条件和服务年限的需要，缪协兴课题组发明了两种不同的输送系统，一种是单井筒的，一种是双井筒的，可供应用单位自由选择。据了解，相比建造一个500米以上深度的井筒，这种固体充填输送系统经济得多，仅需投入不到1000万元。
除此以外，作为一项完整的技术，基于对充填物压实力学性能和压实过程中的流变性能试验研究，他们还发明了对采空区充填体压力情况进行实时监测的方法。
据了解，目前这项技术达到的指标是，采空区充实率90%，“三下”压煤采出率85%，单面年生产能力超过100万吨。这与条带开采相比较，采出率能提高50%左右。发明设计的机械装备都实现了批量生产。
充填开采的成本问题一直备受关注。与常规综采相比较，综合机械化固体废弃物充填采煤技术直接生产成本每吨煤仅增加30元左右，远低于国内其他充填工艺的成本。
2011年，综合机械化固体废弃物充填采煤技术获得教育部“高等学校科学研究优秀成果技术发明一等奖”。
德国人眼中最好的充填采煤技术
从2008年起，这项整体技术已先后推广到河南平顶山，山东济宁、兖州，安徽淮北，河北开滦，内蒙古乌海等10多个矿区。
以马丁·荣克为首的德国代表团此次调研考察的花园煤矿，自2010年初第一个充填采煤工作面投产以来，至2011年年底，充填采煤工作面共采出煤炭56万吨，处理矸石等固体废弃物78万吨，新增产值6.72亿元，新增利润约3.54亿元。
根据地表沉陷观测结果，花园煤矿一采区开采完毕后，地表移动观测线最大下沉值为12毫米，固体充填开采对地表建筑物的破坏等级在I级极轻微范围内，无需对地面建筑进行加固或维修。
2011年8月，国家能源局副局长吴吟专门就该项目实施情况到花园煤矿调研，对该项技术给予了高度评价。
据缪协兴介绍，这项技术在其他矿区同样产生了良好的经济效益和社会效益。
中国平煤神马集团十二矿于2008年整体推广实施该项技术，该矿原先可供常规开采的煤炭资源接近枯竭，在无法搬迁的村庄下压有1200多万吨优质稀缺煤种，采用该项技术后预计可全部回收，可延长矿井服务年限10年左右。 安徽皖北煤电集团五沟煤矿在第四纪含水层下采煤，留设防水煤柱2900多万吨，煤层离含水层最近处只有15米，现已采用该项技术回收其煤柱。
内蒙古乌海市太原煤矿，地处西部生态脆弱区域，受到“三下”压煤和环境等严重制约，专为采用该项技术设计建设了一个生产矿井。
“每到一个煤矿推广这项技术，都有一个大的进步，现在总体上已经到了可以全面推广的地步。”缪协兴说。
德国是世界上最早开始充填采煤的国家之一，1924年即开始采用风力充填。20世纪70年代到90年代后期，德国煤炭企业广泛使用机械化风力充填方法。在听取济宁能源发展集团有限公司总工程师张学生的技术介绍后，马丁·荣克说：“缪教授课题组成功研发的这项煤矿充填技术，是我至今所知道和看到的最好的充填采煤技术。它攻克了我们研发风力充填技术时无法解决的许多难题，特别是充填密实度问题，这样在城市和大型建筑物下就可以规模化高回收率地开采煤炭了。”
马丁·荣克同时表示，这是一项十分有意义的采煤技术发明，能解决中国大规模煤炭开发中的许多问题。如果缪协兴同意，他们德国鲁尔集团想加入他的课题组。“德国在矿山机械装备与自动化控制方面具有技术研发的优势，也可以代理该项技术在国际上推广应用的授权，我们对这项技术在国际上推广使用充满信心。”马丁·荣克说。
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