1、德国与波兰充填开采概况及相关研究,姜 岩 (博士、教授、博导、主任）国家煤炭工业矿山测量重点实验室 山东科技大学 （J） 电话：137 8987 0993,报告主要内容,1、德国煤炭开采与充填概况 2、波兰煤炭开采概况 3、工作面充填量的优化设计,1、德国煤炭开采概况,Mnster,Bremen,Essen,( Generalisierte Darstellung ),D e c k g e b i r g e,30m Gesamtmchtigkeit Kohle,2300 m,1850 m,1500 m,1000 m,derzeitige Bergbauzone,ca. 5000 m,45m
2、 Gesamtmchtigkeit,aller gewinnbaren Flze,f,l,z,f,h,r,e,n,d,e,S,c,h,i,c,h,t,e,n,2018年关闭所有煤矿,19世纪煤矿开采引起的破坏,19世纪煤矿塌陷区,鲁尔矿区,19世纪煤矿塌陷区,鲁尔区开采塌陷分布,废弃煤矿遗留的开采损害,塌陷区积水,Dortmond市下沉达26米，城市下沉导致地下水位相对上升，在城市低洼地区会形成积水区，为了保证城市的正常的运营，在鲁尔区采设置了大量的水泵，昼夜不停地抽取地下水，控制地下水位的升高，防止塌陷区积水。,鲁尔区抽水泵站分布,鲁尔矿区地貌,鲁尔矿区煤矿,建筑物群下开采,开采对地表影响预
3、测结果,德国煤炭开采过程中开采损害的成本,社会各界对煤炭开采的关注,煤炭开采受到德国民众的反对,德国充填开采概况风力充填案例,Friedrich Heinrich Bergwerk,矸石风力充填,在1988年到1993年之间，风力充填被应用在Friedrich Heinrich煤矿的Girondelle煤层的一些开采方案中，这部分地区人口分布密集。其中在长壁开采工作面531,532,533和534中使用了风力充填。,Friedrich Heinrich 1988-1993 长壁工作面充填开采地表移动观测站,Recorded and Calculated Subsidence Along Pro
4、file A A剖面的地表下沉曲线,充填工艺图,充实率图,充填体的压缩曲线,德国风力充填总结,1、1924年开始应用风力充填，其中一个目的是控制地表下沉，另外的目的是消灭矸石山； 2、从20世纪70年代到90年代的后半段时间里，德国矿山企业广泛使用机械化风力充填方法； 3、工作面平均充填率为57%；平均充实率45%； 4、冒落开采地表下沉系数0.9，充填开采地表下沉系数0.5，减沉率为44%； 5、风力充填的成本为20-30美元/吨 ； 6、常规的地表沉陷成本为6-8美元/吨 ； 7、风力充填开采一直应用到1997年。,充填开采经济效益评价方法,德国建筑物开采损害赔偿,1982年1月1日生效的
5、联邦矿业法（BBergG），为矿产资源保护、矿山企业的合法经营及对开采损害赔偿提供了法律依据。该法律的第3章（110-125）是专门关于开采损害问题的，区分了建筑物开采损害与非开采损害。当损害的建筑物具备下列三个条件才属于开采损害：位于地下开采影响范围内，建筑物受到地表下沉、水平拉伸或压缩变形以及地表裂缝的影响，建筑物的损害符合开采损害特征。,德国有“受到采动损害的土地和房产主联合会,专门的测绘公司及律师事务所，为采动损害赔偿提供技术和法律服务。当倾斜值小于15mm/m时，认为倾斜每增加2mm/m，价格降低1%，当倾斜值在16mm/m至25mm/m时，认为倾斜每增加2mm/m，价格降低3.5%
6、。,房屋价格降低比例曲线,德国劳齐褐煤露天矿开采村庄搬迁,废弃村庄,新建村庄-住宅,新建村庄-住宅,新建村庄-教堂,德国目前建筑物下开采方法,由于德国开采深度已经超过1000米，开采煤层厚度一般2.5-3.0米；深厚比300-400，对地表建筑物的 损害影响程度有限，全部采用冒落式开采。 一般在建筑物下开采前对建筑物抗变形能力评价和地表变形预计，当预计变形值超过建筑物的抗变形能力时，要对开采工作面进行减少开采损害的设计，重新设计开采工作面的几何尺寸，开采方向，最重要的要设计出与地面建筑物抗变形能力相适应的开采速度，通过控制开采速度来减少开采对地面建筑物的损害。 该理论在国内已经得到应用，取得了
7、很好的效果。,应用实例,从2007年开始山东与德国定期举办学术研讨，取得了很好的效果,2、波兰煤炭开采概况,（1）煤炭是波兰的主要矿产资源，也是国民经济的主要支柱。2010年煤炭产量55.5百万吨油当量，名列世界第9位，占全球产量的 1.5%； （2）波兰煤炭主要分布在上西里西亚，该区域是波兰最重要的工业区，工业产值占波兰全国的 1/4以上，工矿业城市林立，组成以卡托维兹为中心的城市集聚区。 （2）从1964年开始在城市中心区大规模开采，一般采用水砂充填开采； （3）1977年全国产量2亿吨，其中40%是从保护煤柱中开采的； （4）2009年产量77.5百万吨，其中30%是从保护煤柱中开采的；
8、,波兰上西里西亚煤田,2009年波兰煤炭开采数据,1、矿井数量：31 2、产量：77.5百万吨（30%是保护煤柱） 3、工作面数量：117 4、平均工作面长度：238米 5、平均开采深度：680米 6、平均开采厚度：3.2米 7、平均开采速度：3.3米/天 8、充填开采率：3.8%（约4个工作面）,波兰充填开采概况,在社会主义时代，政府鼓励开展建筑物（城市）下开采，波兰建筑物下开采不计成本，所需费用由国家承担； 从1989年波兰实施经济改革以来，煤炭产量逐年减少，由于生产成本提高和公众的反对，建筑物（城市）下开采举步维艰，只能保持最低限度的开采。 2012年仅在贝托姆（Bytom)城下开采一个
9、工作面。 工作面开采长度1000米，宽度140米，开采煤层厚度2.2米，开采深度约900-1000米，以电厂粉煤灰和细砂作为充填材料，采用管路充填，最大限度地充填采空区。,卡托维茨建筑物,卡托维茨街景,贝托姆（Bytom)建筑物,贝托姆（Bytom)建筑物加固,建筑物（城市）下开采发展趋势,从1989年波兰实施经济改革以来，由于经济和社会原因，开采城市和工业区保护煤柱的前景并不乐观，例如： （1） Katowice城市下限制最后的几个开采工作面； （2）Bytom城市下限制最后几个偏僻地点的工作面开采； （3）放弃了Jastrzebie城市保护煤柱的开采，尽管该保护煤柱储量很大； （4）完全放
10、弃了 Bobrek,Pokoj,Kosciuszko钢铁厂保护煤柱的开采；,（3）德国对煤炭行业整体进行补贴： 1990 年鲁尔矿区平均生产成本高达159美元，每吨煤政府 补贴70美元； 1998年每年补助从47亿欧元，到2005年削减到27亿欧元，降落了43%。 从2006年到2012年，德国硬煤煤矿将从国家得到的补贴总共约为160亿欧元，与1999年到2005年相比，几乎减少了100亿欧元。 煤炭补贴已是德国联邦政府的一大财政负担，每吨煤的开采成本已高达165欧元（国际市场上每吨煤价是60欧元 ） 。,德国、波兰充填开采总结,（1）波兰在50-60年代，政府鼓励开展建筑物（城市）下开采：在
11、政府的统一组织下，几个矿井联合规划、联合开采、各矿协调开采计划分为5年、10年和20年； （2）政府给予财政补贴：建筑物下开采不计成本，所需费用由国家承担；,（4）目前很少使用充填开采的原因： （4.1）开采深度超过1000米； （4.2）开采煤层厚度一般2.5-3.0米； （4.3）深厚比300-400，对地表建筑物的 损害影响程度有限； （4.4）生产成本提高； （4.5）公众反对煤矿开采引起的建筑物损害；,（5）煤炭行业进入后工业时代 5.1 德国2018年停止煤炭开采；波兰目前还没有此类计划； 5.2德国早已经开始研究矿区经济转型问题；波兰高度重视停采矿井的管理工作，提出了POST-I
12、NDUSTRIAL SITES 。 5.3德国地质专家也指出，25年后，煤将会重新成为世界范围内最重要的能源，因为到2030年石油产量将达到临界点，届时可供开采的天然气储量也比人们预想的要少很多。,3、工作面充填量优化设计,中国正处在需要充填开采的技术阶段，下面介绍关于工作面充填量优化设计的几个问题： （1）工作面的充填率决定着控制地表移动与变形的效果，从理论上讲，充填率越高减缓地表移动与变形的效果越好，但过度的充填会浪费充填材料和增加生产成本。 （2）应该根据地表变形的控制目标，使充填速度与开采速度向匹配，来优化确定工作面的充填率，实现技术可行、经济合理。,为什么要控制开采速度,在建筑物下开
13、采时已经不采用充填和条带开采，主要的开采措施是“Die bergschadenminderde Abbbauplannung”,即在开采前对建筑物抗变形能力和地表变形进行评价与预计，当预计变形值超过建筑物的抗变形能力时，要对开采工作面进行减少开采损害的设计，重新设计开采工作面的几何尺寸，开采方向，最重要的要设计出与地面建筑物抗变形能力相适应的开采速度，通过控制开采速度来减少开采对地面建筑物的损害。,经典岩层与地表动态变形规律,关于地表动态规律是波兰Knothe在50年前提出的，是对当时的技术条件下岩层与地表移动规律的总结。目前综采的工作面推进速度比炮采快几倍到几十倍，较快的开采推进速度对地表变
14、形的影响是加剧了还是减小了？这就需要对经典理论与方法进行补充研究。,工作面推进速度对地表动态变形有很大影响，国内大部分文献都是根据波兰的经验，认为地表动态变形与开采速度有以下关系：,由上式可以看出，工作面推进速度V越大，动态变形值越小。则认为在建筑物下开采时，应提高开采速度。 在我国把“提高开采速度”作为建筑物下开采时的一项技术措施写在作业规程和专业书籍中。,关于地表动态变形新观点,1994-1997年波兰国家科学院岩石力学研究所在5个矿区对1000多座建筑物进行了详细的观测研究，2003年Knothe教授在总结报告指出：在敏感建筑物下开采，限制开采速度是非常必要的。 控制开采速度能够减缓开采
15、损害强度！ 建筑物下开采时，开采速度不是越快越好，也不是越慢越好，而是要与建筑物的抗变形能力相适应！,（1）建筑物下开采 （2）大型管线下开采 （3） 控制地表裂缝和台阶状下沉 （4） 减缓矿震强度,应用实例,优化开采速度实现建筑物下安全开采,工作面的开采深度920 米，开采宽度330 米，开采长度2490 米，开采厚度1.75 米，开采速度6.0 米/天,优化开采速度实现管线下安全开采,一条平行A3高速公路的输油管线 DN 600 PN70，管内压力70 bar,开采长度：1300m；开采宽度：265m；平均采深：1098m；平均开采厚度：1.5m；开采速度：10m/d(5天工作制),优化开
16、采速度控制地表裂缝,优化开采速度减缓矿震强度,开采速度与矿震次数,每班开采进尺与每班发生矿震次数 （横轴单位：米；纵轴单位：次数）,国内应用,充填速度与开采速度相匹配,在建筑物下充填开采设计时，更应该考虑到开采速度问题，在顾及与建筑物抗变形能力相适应的开采速度同时，还要与工作面的充填能力相匹配，以确保工作面的充填效果。,3.工作面充填的充填量优化设计,（1）设定建筑物保护等级； （2）优化确定开采速度； （3）计算工作面的充填量；,根据建筑物的保护等级和地表移动规律，计算等价允许开采厚度,根据充填工艺计算等价允许开采厚度,工作面充填率优化计算结果,充填率优化算例,总结,通过上述分析可以看出： （1）建筑物下开采时，不是提高开采速度，而是要求开采速度与建筑物抗变形能力相适应，优化控制开采速度能够减缓开采损害强度。 （2）充填开采设计应该考虑到：建筑物的保护等级、充填速度与开采速度相匹配，根据工程需要确定合理的充填量，实现技术上可行，经济上合理！,Vielen Dank fr Ihre Aufmerksamkeit Glckauf! 谢谢！,
