山东兖州充填置换煤柱开采：三下压煤资源盘活的经济模型

张洁贞 绿色矿山充填与矿业信息化顾问

适用读者： 煤业集团投资部经理、总经济师、矿井总工程师、地测防冲科科长

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持

一、行业痛点与背景

在传统的垮落法开采中，山东兖州等开采历史悠久、城市地表建构筑物密集的矿区，面临着严峻的“三下压煤”生存困境：

• 接续资源极度紧张：随着开采年限增加，常规采区资源面临枯竭，但工广煤柱、村庄压煤、铁路干线煤柱等“三下”压煤量高达数亿吨，导致矿井不得不提前关停。
• 沉陷补偿与环保处罚风险极高：若采用垮落法强行回采，将引发地表铁路变形、高等级公路开裂、村庄房屋沉降损毁，面临巨额的民事赔偿和环保督察停产处罚。
• 煤矸石地表消纳无路：地面矸石山属于二级环保督察的重点排查目标，扬尘和酸性渗滤液治理成本居高不下，急需在地下进行规模化、合规化消纳。

通过引进“充填置换煤柱开采”工艺，能在置换煤炭的同时，利用固体废弃物充填老塘，实现地表“微下沉、零污染”。而项目的成败，往往取决于能否通过科学的经济模型盘清账目。

二、核心概念与技术原理

1. 关键层理论与充填减沉力学机理

顶板下沉的根本原因在于覆岩内部“主关键层”（Main Key Strata）和“亚关键层”（Inferior Key Strata）的相继断裂与运动。设采空区上方第 i 层基岩为关键层，其抗弯刚度为 EI_i，在受到上覆载荷 q_i 作用下，其极限弯矩和下沉变形量可表示为：

若在采空区后方注入高弹性模量的胶结充填体，则充填体将对关键层提供抗力支承，使极限变形受阻，达到减沉防护效果。

2. 煤柱置换充填的力学协调性

充填体与残余煤柱的变形必须实现力学协调。在混合支撑体系下，围岩压力 P_0 由残余煤柱抗力 P_{coal} 和充填体抗力 P_{fill} 共同分担：

其中，η 为工作面面积充填率，σ_{coal} 与 σ_{fill} 分别为煤柱与充填体受压应力。设计中必须确保充填体在早期达到预定抗压强度，以防煤柱发生突发性脆性破坏（即冲击地压）。

三、工艺流程与技术参数设计

煤柱回收与充填置换工艺是一项高度协同的系统工程，其标准时序工艺流程如下：

充填工艺关键设计参数表

四、充填开采经济模型构建

为定量评估投资效益，我们构建了基于全生命周期成本（LCC）的折现现金流（DCF）经济核算模型。

1. 净现值（NPV）计算方程

项目的净现值（NPV）定义为：

其中：

• CAPEX 为固定资产建设总投资（含地面制浆站、研磨线、泵站及首期管路）。
• CF_t 为第 t 年的净现金流入量。
• R 为折现率（行业通常取 8\% \sim 10\%）。
• n 为服务年限（煤柱可采储量服务寿命）。

2. 净现金流 $CF_t$ 构成方程

每年净现金流由煤炭收益、税收补贴和减免损失组成：

变量定义与取值参考如下：

• Q_{coal}：年采出煤柱吨数（t/a）。
• P_{coal}：吨煤销售净价（元/t）。
• C_{mine}：常规吨煤开采成本（元/t，含掘进、辅运、洗选）。
• C_{fill\_OPEX}：吨煤充填运营OPEX（元/t，含矸石破碎费、水泥胶凝材料费、泵送动力费、人工费）。
• T_{tax}：企业所得税率（通常为 25\%）。
• H_{tax}：国家环保税免征额与绿色矿山专项补贴（元/a）。依据发改环资政策，消纳一吨固废矸石可获相应的资源税减免与固废税返还。
• C_{sub}：核减的地表下沉损害赔偿及搬迁安置费用（元/a）。

五、参数对账与敏感性分析

兖州矿区某典型煤柱工作面设计长度 120m，平均煤厚 4.5m，预计年回收煤柱量 50万吨。以下是基于不同煤价和水泥材料费波动的敏感性对账分析。

由敏感性模型测算，当煤价维持在 550 元/t 以上，且吨煤充填 OPEX（含胶结材料）控制在 120 元/t 以下时，项目 IRR 可达 21.5\%，投资回收期仅为 3.4 年，具备极佳的经济合规可行性。

六、主要工程风险与应急处置

煤柱回收开采极易造成覆岩应力向残留边界剧烈转移，必须制定标准的风险防控规程：

1. 采动应力集中导致煤柱失稳防冲 SOP

1. 在线监测：通过微震（Microseismic）监测与煤体应力传感器，每日 24 小时收集地应力能量释放频次及幅值变化。
2. 警报触发：当微震频次连续 3 小时超过 10^4\text{ J} 或孔口压力变送器数据突升 15\% 时，启动橙色防冲预警。
3. 紧急避险：立刻暂停工作面截割采煤，人员撤离至采区回风巷防冲安全区外。
4. 应力释放：由专业队实施煤壁大直径超深卸压爆破或大直径钻孔冲洗卸压。
5. 补充充填：加快后方空区的高水胶结材料漫灌，形成早期硬化带以重新分配应力。

2. 挡墙跑浆应急处置 SOP

1. 停止泵送：地表控制室与井下集控室报警联动，立刻切断高压泵电源，停止料浆输送。
2. 压力泄放：打开泵站回流泄压阀，将主管路内的压力泄放至集水池。
3. 现场抢险：抢险人员佩戴防冲击防护面罩，使用高强聚氨酯速凝材料对受损柔性膜袋或挡墙裂缝进行加压注浆封堵。
4. 二次浇筑：在受损挡墙外侧 1.5\text{ m} 处架设木板或钢板作为临时二道防线，浇筑早强微膨胀混凝土。

七、实践案例与技术验证

1. 项目概况

以山东兖州某矿区东翼工广煤柱回采项目（已脱敏）为例，该矿工广煤柱压煤量约 850 万吨，煤层平均厚度 5.2m，顶板为硬厚中砂岩（发育主关键层）。

2. 技术设计

• 工艺路线：综采回采 + 地面大容量湿法球磨制备 + 高位离层高压注浆。
• 主要参数：水固比 1:1.35，矸石颗粒最大粒径 2.5mm，注浆压力保持在 5.6 MPa，采空区接顶率实测均值达 94.6\%。

3. 运行经济账目对比表

八、前期准备与台账检查清单

在项目进入可行性研究报告（FS）编制及立项前，总工程师应协调各科室准备以下资料，并填报自查表：

• [ ] 地测科：最近5年矿区三维地震精细解译图、主采煤层顶底板岩石力学测试报告。
• [ ] 通防科：工作面瓦斯涌出量计算书、防灭火与防爆设计文件。
• [ ] 财务科：常规吨煤综采成本明细表、近3年地表损害赔偿支出明细。
• [ ] 环安科：原料煤矸石浸出毒性检测报告（需符合 GB 5085.3 浸出无害化要求）。
• [ ] 机电科：地面工广可用空地面积测绘图（制浆站占地面积需 ≥ 1200\text{ m}^2）。

九、常见问题 FAQ

Q：在煤柱回采工作面，如何保证充填挡墙不被支架移动挤坏跑浆？

A：设计采用“注采协同时间窗”控制。选用具有快凝特性的胶结材料（初凝时间控制在 15-30 分钟内），且在充填支架后部配置双通道刚性防护板，在支架移步前充填体已达到可自立的早期强度（≥ 0.3\text{ MPa}），从而杜绝撕裂挡墙跑浆。

Q：矸石浆体在高压泵送中磨损管道，如何保障长距离主管道 10 年不被磨穿？

A：主管道选用内衬高铬耐磨合金的双层复合无缝钢管（外层为 20# 碳钢，内层为厚度 ≥ 6\text{ mm} 的耐磨合金）。同时，在料浆中添加适量的高分子减阻润滑剂，使浆体在管道中呈低摩阻的“柱塞流”态流动，可有效将管道磨损寿命提升至 10 年以上。

Q：该经济模型中，如何合规申请国家的煤炭资源税减征补贴？

A：根据国家财税部门规定，对采用充填开采置换出来的煤炭，可申请减征 50\% 的资源税。矿方需在每年底整理充填开采设计方案、消纳矸石台账、接顶率三方检测报告，向主管税务机关及自然资源局进行联合申报核减。

参考依据

1. 团体标准 T/CCT xxx-202x《煤矸石覆岩隔离注浆充填技术规范（征求意见稿）》
2. 中安监管〔2017〕66号《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》
3. 国家发展和改革委员会《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》（发改环资〔2021〕381号）
4. 中国矿业大学岩体力学重点实验室《三下压煤绿色充填开采稳定性理论研究》

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