充填采煤技術在解決煤礦中敏感環境問題的應用探討

劉江江

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司環境工程所，北京100120）

1 充填采煤技術應用現狀

充填采煤技術在采煤過程中利用礦井等固體廢棄物充填采空區，從而抑制地表沉陷［1］。充填采煤技術在我國已經有了較為廣泛的應用，山東魯泰煤業公司太平煤礦、山東能源淄博礦業集團岱莊煤礦、峰峰集團小屯礦等均已經有建成的工程實例。充填采煤技術的出現最早的初衷是解決煤炭資源枯竭問題。我國“三下（建筑物、水體、鐵路）”壓煤數量巨大，盡管條帶開采等技術能夠回收部分壓煤資源，但采出率僅有30%左右［2］。我國華北、東北地區煤炭資源相對緊張，不少企業面臨資源枯竭問題，為了最大限度地回收煤炭資源、維持后續生產，充填開采是最具潛力的采煤技術，而《產業結構調整指導目錄》（2011年本）也將礦井采空區矸石回填技術開發與應用，建筑物下、鐵路等基礎設施下、水體下采用煤矸石等物質充填采煤技術開發與應用類項目列為鼓勵類項目。

2 煤礦建設的環境制約因素和解決新思路

隨著國家對環境保護的重視程度增加，煤礦建設與環境保護的問題也日益突出，除了早期煤礦建設所關注的“三下”采煤問題之外，目前煤礦建設往往會涉及到淺層地下水、水源地、森林公園、自然保護區、文物、風景名勝區、城市城鎮村莊、高速公路、濕地、水庫、河流、基本農田（草原）等重要敏感環境保護目標。采煤會對這類敏感環境目標造成影響，這通常是由于采煤后引起地表塌陷、從而造成對地表物的破壞所引起，尤其在生態環境脆弱區、敏感目標集中區、淺層地下水豐富、多厚煤層區采煤，形成的破壞程度更加嚴重。以往在環境影響評價工作中或煤礦工程設計工作中對環保目標的保護措施通常為留設保護煤柱，這雖然能夠確保采煤不對煤柱留設區內的環保目標造成較大影響，但留設煤柱占用了大量煤炭資源，這對于開采稀缺煤種將造成較大浪費、同時對于敏感環境保護目標數量多或分布分散的情況下也無法實施。

充填采煤在建筑物下的研究相對較多，如利用膏體充填法在保護建筑物的同時進行建筑物下采煤［3］，而在平原區農田大面積分布地區利用充填法采煤來保護農田的方法也開始出現［4］，在水資源緊張的西北地區，為了保護寶貴水資源，充填保水采煤法也開始作為一類重要保護水資源的措施而提出［5］。充填采煤技術通過將充填料充填至采空區，在回收煤炭資源的同時也達到了減緩地表下沉，消耗大量煤矸石、粉煤灰等充填料的目的，同時減少了固廢對土地資源的占壓，具有極大的環境效益，而這給環境影響評價工作中解決敏感環境問題提供了新的思路。

3 充填采煤在煤礦環境影響評價中的應用

本文以內蒙古自治區呼倫貝爾市牙克石五九礦區為例，對充填開采解決礦區規劃實施中的環境制約問題進行介紹。

3.1 五九礦區概況

五九礦區地處大興安嶺林區腹地，礦區分為東、西兩區，各規劃礦井均為多煤層開采礦井，各區可采煤層都在10層以上。全區煤層都顯示為薄～中厚煤層，少數煤層達到了厚煤層。礦區西區規劃礦井3個，東區規劃礦井1個，規模各1.2Mt/年，礦區總規模為4.8Mt/年，面積234.17km2。

3.2 礦區存在的環境制約問題

五九礦區的東區位于山地區，西區有海拉爾河干流穿過。整個西區位于海拉爾河沖積平原區，地勢平緩。海拉爾河是區域的重要河流，流域上游分布有重要野生魚類繁殖地，下游分布有越冬場，礦區位于重要魚類的洄游通道內。此外，在河流兩側分布有濕地和基本農田。該區域地下水資源豐富，潛水含水層埋深1.56～4.1m之間?？傮w而言東區環境敏感程度較低、西區高。五九礦區各礦井為多煤層開采，累計開采深度均在10m以上，結合西區的環境條件，采煤塌陷后將形成較大的沉陷盆地，不僅會導致淺層地下水出露破壞基本農田、濕地，也會某種程度地引起水文情勢變化對重要魚類生境造成不確定影響。

由于礦區所在區域涉及基本農田數量較多，同時地勢平坦采煤易引起地下水出露，實施禁采措施將導致礦區規劃無法實施，因此在礦區環境影響評價工作中提出了充填開采的方法解決采煤導致的環境問題。

3.3 充填采煤方案效果對比

充填開采的技術方法較多，在五九礦區環評工作中推薦采用膏體、似膏體充填式開采方法，膏體充填多用于建筑物下采煤以避免村莊搬遷，該充填方法具有代表性和可靠性，下沉系數小。在五九礦區環境影響評價工作中分別設定不充填開采和充填開采兩種情況下對采煤后的地表下沉情況進行預測：充填前后下沉深度隨開采時間對比結果見圖1、出現積水對比情況見圖2，充填前后地面下沉深度、積水區面積及環境破壞程度分析對比情況見表1。

從圖1可以看出：在未實施充填開采時，礦區約在第23年時地表下沉深度將達到潛水水位埋深，此后采煤將形成積水區，采煤沉陷深度不斷增加，形成沉陷盆地的深度也將不斷增加，積水深度也將增加；在實施充填開采后約在第50年時地表下沉深度會達到潛水水位埋深，對比未充填情況，沉陷破壞程度顯著減緩。

圖1 充填前后開采50年對比結果

從圖2中可以對比出充填采煤前后采煤沉陷對地面的破壞情況：其中在未實施充填開采時積水區大面積出現，積水破壞了土地資源（包括農田、濕地、草地），也將形成沉陷盆地造成大面積水面，對海拉爾河的水文情勢造成一定影響；在實施充填開采后積水區僅在個別潛水水位埋深的區域出現，該影響可以通過工程措施進行治理，同時也不會對海拉爾河造成顯著影響，影響程度顯著降低。

圖2 充填前后積水區對比

表1列出了非充填和充填兩種情況下的分析指標的對比情況，除充填開采后沉陷程度顯著降低（由10.1m降低至1.9m）、年均下沉深度顯著降低（由202.7mm/年降低至38mm/年）外，對固體廢物的影響也由產出114.5萬t/年變為消耗224.5萬t/年，充填開采能夠消耗大量的矸石，進而減少矸石對地面土地資源的占用，形成積水區的面積由121km2減少為8.05km2，降低了93.3%的積水區面積。

綜合來看，在未實施充填開采時由于采煤沉陷出現大面積積水，將破壞大量基本農田，改變區域生態系統的功能，對生態影響程度較大，而在實施了充填開采后，該影響可顯著減緩，從而使礦區規劃實施環境可行。同時由于實施充填開采需要大量的充填原料，因此不但五九礦區的矸石可以完全消耗，還需要從西部的大雁礦區外調矸石來支持五九礦區充填采煤的實施，為其他礦區固體廢物的綜合利用提供了途徑。

表1 充填前后開采50年沉陷及環境影響分析

4 存在問題和展望

充填采煤技術對環境保護的效果十分顯著，但在某些特定條件下仍限制了該技術的推廣。實施充填采煤需要增加一定的成本，包括增加充填站等一次性的建設投資和運行成本。運營成本與采煤規模、充填工藝、地質條件等因素有關。根據充填采煤工藝的不同，固體充填成本相對較低，膏體充填法成本相對較高，增加成本在60～260元/t之間，這在某種程度上制約了該技術的普及。此外，在某些法律法規規定的區域，如自然保護區、風景名勝區等，盡管實施充填開采能夠保證不會對生態環境造成重大影響，但仍不能采煤。

綜合看來，在現階段情況下，充填采煤技術可主要用于解決法律法規允許范圍內，且煤炭資源受生態敏感問題制約較大無法實施禁采的情況。但隨著技術的進步、運營成本的降低和技術的推廣與普及，未來充填采煤將成為解決煤炭項目與環境保護的重要手段之一。

［1］郭惟嘉，張新國，史俊偉，等.煤礦充填法開采技術研究現狀及應用前景［J］.山東科技大學學報：自然科學版，2010，29（4）：24～29.

［2］董 濤，張道平，趙紅超.淺析我國煤矸石充填采煤法研究現狀及發展前景［J］.山東煤炭科技，2010（1）：65～66.

［3］張洪軍.建筑物下開采采空區膏體充填技術及應用［J］.煤炭技術，2010，29（6）：90～91.

［4］王 磊，郭廣禮，劉元旭.東部平原礦區矸石充填開采保護耕地研究［J］.煤礦安全，2012，43（6）：4～8.

［5］簡煊祥，李云飛，楊永均.煤礦保水開采技術現狀及發展［J］.煤田地質與勘探，2012，40（1）：47～50.