“三下”压煤开采方案技术经济评价

张宏伟

(山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045400)

0 引言

山西阳泉地区的无烟煤是世界稀缺煤种，新元矿属阳煤集团六大主力矿井之一，井田内含煤地层为石炭系上统太原组和二迭系下统山西组，可采煤层有3、4号六层(均为山西组)，其中3号煤是山西组的主要可采煤层。井田上方散点分布着大量村庄和多条公路，这些村庄和公路下压煤量极高。企业在设计开采方案时，既要保证采出率，也要实现经济效益的最大化，故需对该矿进行技术经济分析。

试采区域为新元矿井田北部的南燕竹村和太旧高速公路压煤块段。地面南燕竹村为镇政府所在地，有常驻人口约3200人，建筑物既有近年来所建的2～5层砖混结构楼房，也有建筑年代较久远的窑洞和窑洞式平房，建筑面积约60000m2。砖混结构新房抗变形能力较强，而大部分旧窑洞和窑洞式平房年久失修、自然损坏严重，抗变形能力极差；太旧高速公路长度约3.0km，从试采区域正上方穿过；白马河、省道榆-盂公路(216)基本平行于太旧高速公路，途径南燕竹村，也从试采区域正上方穿过，过境约3.2km。可采煤层3号煤层厚度2.5m，可采储量约为825万t。

1 方案比较

常见的几种主要的三下压煤开采方案有：覆岩离层注浆开采、充填开采、协调开采、条带开采、搬迁开采。

结合新元矿的实际情况，从理论方面对几种常用开采方案进行分析，具体见表1。

表1 新元矿三下压煤开采方案比较

根据表1分析可以看出，覆岩离层注浆开采、协调开采这2种开采方案对技术的要求非常高，实际操作起来难度较大；条带开采采出率太低，安全性差，不宜采用。目前采出的“三下”压煤大约75%是靠搬迁实现的，不仅成本高还导致了大量塌陷区，造成严重的生态与环境破坏，而且相当一部分建筑物具有特殊的历史或象征意义也难以搬迁。如果充填开采可达到地表沉陷率要求，带来的经济社会效益相当可观。因此选择对充填开采做进一步的可行性分析。

2 矸石充填开采可行性研究

根据充填开采工作面设计原则，结合充填开采区域的地质条件及矿井原有系统布置方式，在尽量利用原有巷道及正在掘进巷道的基础上，设计了三个矸石充填开采区域采煤工作面布置方案，三个方案中的工作面长度分别为80m、100m和120m。根据岩层移动关键层理论和随机介质理论，并结合模拟研究，确定采用矸石密实充填开采基于等价采高的概率积分法预测模型[1]进行地表沉陷预计。该方法已经在平顶山、新汶、济宁等矿区进行了实证分析，实测结果表明，该方法进行充填采煤引起的地表沉陷预计结果是可靠的。根据《建筑物、水体、铁路及主要井行煤柱留设与压煤开采规程》第27条砖混结构建筑物损坏等级的规定，考虑到本区地面建筑物具体情况，确定本区地下开采后地表变形的控制指标为：水平变形：1.0mm/m；倾斜变形：2.0mm/m。另外，根据当地的地质条件以及气象条件，该区域的潜水位较深，年降水量较少，确定本区地表下沉限值为：500mm。确定公路安全设防指标值：水平变形值ε≤±2.0(mm/m)；倾斜值i≤±3.0(mm/m)；曲率k≤±0.2(mm/m2)。三种方案沉陷预计各参数的最大值比较详见表2所示。

图1 井上下对照图

表2 三种方案沉陷预计参数最大值比较

三种方案中，方案一与方案二的倾斜变形值、水平变形值和曲率变形值均处于建筑物Ⅰ级损坏等级内，而方案三中的最大倾斜变形值达到了4.93mm/mm，已经处于建筑物Ⅲ级损坏等级，同时水平变形值为1.32mm/m，也比较大，最大下沉值为338.14mm，明显大于方案一和方案二。

通过对三个方案的沉陷预计结果进行分析可以发现，当工作面长度达到120m时，会产生较为严重的地表移动变形，而方案一与方案二相比，充填工作面长度从80m增加到100m时，地表变形各参数值变化不大，所以考虑不可预计的实际因素，充填开采区域工作面的长度设计为80-100m，能够较好地控制地表变形。

3 经济社会效益分析

矸石充填开采技术分析与研究设计充填开采区域为南燕竹及太旧高速公路的预留保护煤柱，采用机械化固体矸石充填开采技术之后，首采工作面CT101充填开采开采工作面可采出煤量为75.3万t，吨煤利润按95元计算，可创利润7154万元，整个充填开采区域3煤层开采完毕可采出煤炭约677.7万t，可创造利润6.4亿元，直接经济效益巨大。

如果该区域采用搬迁开采的方式，按照《寿阳公司所辖各矿村庄搬迁安置补偿方案》中建房成本价补偿标准1200元/m2，外加住房配套和新址宅基地使用费200元/m2，按照1400元/m2补偿，预计约8400万元；目前南燕竹村常住人口约3200人，按户均4口人计算，约800户，按和寿阳县政府达成的初步协议，户均补偿费用30万元，则居民搬迁补偿费用约2.4亿元，考虑镇政府、机关部门及少量新建厂房，搬迁补偿费用总计3.5亿元。同时，地面太旧高速公路、榆-盂公路等损坏或者改道补偿费用巨大基本不可实现搬迁开采。而采用矸石充填开采技术之后，不需要进行村庄的搬迁，只需要少量的建筑物损坏补偿费用，并且不会影响高速公路的正常使用，可以节省大量的搬迁补偿费用。

采用矸石充填开采技术开采完毕整个充填采区，可处理矸石等固体废弃物约1000万t，按照处理1t矸石15元计算，可以节省费用1.5亿元；采用矸石充填开采技术之后，可以实现井下矸石不升井直接充填利用，减少了矸石运输提升费用；同时，应用该技术可以控制地表沉陷、减少矸石对环境的危害，保护矿区土地、水等自然资源，维护矿区生态环境，经济效益显著。

阳煤集团大量的煤炭资源压在村庄、公路等建(构)筑下成为呆滞资源，严重影响集团公司的可持续发展；同时，集团下属矿井生产所产生的矸石没有相应技术进行处理，污染矿区环境，威胁人民健康。因此，如何解放压滞的煤炭资源并处理矿区矸石已经成为亟待解决的问题。矸石充填开采技术的成功实施将为集团公司带来以下社会效益：提高煤炭资源的采出率，延长矿井的服务年限；消除了传统的“三下”开采造成的严重的生态与人文环境破坏；解决矸石等废弃物的排放带来的危害；为解决其他矿区“三下”压煤问题提供技术借鉴。

4 主要结论

矸石充填开采技术是近年来发展起来的一种绿色、环保、节能、减排的煤炭开采技术，是我国发展煤炭资源绿色开采的重要方向。结合新元矿充填开采区域的采矿地质特征，充填工作面长度为80-100m时，上方建筑物受采动损害影响均在I级范围以内，且煤炭采出率较高。通过对新元矿采用矸石充填开采方案的技术经济评价分析，计算得出该方案的实施可采出煤炭约677.7万t，可创造利润6.4亿元，相比搬迁开采可以节省大量的搬迁补偿费用，同时可消除地面矸石山，解决矸石等废弃物的排放带来的危害。从而得到最终结论：矸石充填开采方案具有可行性和可观的经济社会效益。