煤礦綠色開采的內(nèi)涵與技術(shù)體系(圖文)

1、煤礦綠色開采的內(nèi)涵與技術(shù)體系(圖文)    錢鳴高1，許家林1，繆協(xié)興2(1.中國礦業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 徐州221008; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 徐州221008)摘要:提出了煤礦綠色開采的概念，闡述了它的內(nèi)涵和技術(shù)體系.綠色開采的理論基礎(chǔ)為:開采后巖層中的關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)形成的節(jié)理裂隙與離層規(guī)律以及瓦斯與地下水在破斷巖層中的滲流規(guī)律.綠色開采技術(shù)的主要內(nèi)容包括:保水開采、建筑物下采煤與離層注漿減沉、條帶與充填開采、煤與瓦斯共采、煤巷支護(hù)與部分殲石的井下處理、煤炭地下氣化等.關(guān)鍵詞:綠色開采;關(guān)鍵層理論;巖層移動(dòng);綠色開采技術(shù)體系中圖分

2、類號(hào):TD 82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1煤礦綠色開采的提出黨的十六大報(bào)告明確提出“走出一條科技含量高，經(jīng)濟(jì)效益好，資源消耗低，環(huán)境污染少，人力資源優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子.”因此，我們必須充分考慮我國資源相對(duì)短缺，環(huán)境比較脆弱的基本特點(diǎn)，建立起適合我國國情的資源節(jié)約、環(huán)境友好的新型工業(yè)化發(fā)展道路.近期提出的循環(huán)經(jīng)濟(jì)(recycling economy)是指遵循自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)規(guī)律重構(gòu)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)1，將經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高效有序地組織成一個(gè)“資源利用-綠色工業(yè)-資源再生”的封閉型物質(zhì)能量循環(huán)的反饋式流程，保持經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的低消耗、高質(zhì)量、低廢棄，從而將經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響破壞減少到最低程度.它

3、不同于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的“高開采、低利用、高排放”，而是達(dá)到“低開采、高利用、低排放”的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo).顯然，此處的“綠色工業(yè)”是廣義的概念，應(yīng)由各個(gè)工業(yè)部門去實(shí)現(xiàn).對(duì)礦業(yè)來說就是要實(shí)現(xiàn)“綠色礦業(yè)”.“綠色礦業(yè)”的核心內(nèi)容之一就是要實(shí)現(xiàn)“綠色開采”煤炭開采形成的環(huán)境問題主要為:1)對(duì)土地資源的破壞和占用煤炭開采對(duì)土地資源的破壞損害，井工開采以地表塌陷和矸石山壓占為主，而露天開采則以直接挖損和外排土場(chǎng)壓占為主.2)對(duì)水資源的破壞和污染煤炭開采過程中，進(jìn)行的人為疏干排水和采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙對(duì)煤系含水層的自然疏干，破壞了地下水資源.同時(shí)開采還可能污染地下水資源.3)對(duì)大氣環(huán)境的污染主要來自礦井排出的煤層瓦斯

4、和煤礦研石山的自燃.礦井瓦斯即煤層氣，它是比CO2還嚴(yán)重的溫室氣體，也是導(dǎo)致煤礦重大安全事故的根源.據(jù)初步估計(jì)，我國2 000 m淺范圍內(nèi)具有30-35萬億m³煤層氣資源，居世界前列.但由于我國煤層透氣性小，難以在開采前抽出.建國以來，我國煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故1 500余次，僅2001年由于瓦斯事故的死亡人數(shù)達(dá)2 356人，為煤礦總死亡人數(shù)的40%.煤礦每年排放瓦斯70-190億m³.同時(shí)瓦斯又是最好的清潔能源，因此必須加以利用，變害為寶.由此可見，提出并盡快形成煤礦的“綠色開采技術(shù)”已迫在眉睫.2綠色開采的內(nèi)涵與技術(shù)體系從廣義資源的角度論，在礦區(qū)范圍內(nèi)的煤炭、地下水、

5、煤層氣(瓦斯)、土地以至于煤矸石以及在煤層附近的其他礦床，都應(yīng)該是經(jīng)營這個(gè)礦區(qū)的開發(fā)對(duì)象而加以利用.而原來對(duì)礦井瓦斯的定義是:“礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體”.而在礦井水文地質(zhì)類型劃分中認(rèn)為:“根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件、涌水量、水害情況和防治水難易程度，劃為類型”.顯然，上述概念將原本為礦區(qū)資源的瓦斯和水單純作為有害物來對(duì)待是不合適的.煤礦綠色開采以及相應(yīng)的綠色開采技術(shù)，在基本概念上是從廣義資源的角度上來認(rèn)識(shí)和對(duì)待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各種資源;基本出發(fā)點(diǎn)是防止或盡可能減輕開采煤炭對(duì)環(huán)境和其他資源的不良影響;目標(biāo)是取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.根據(jù)煤礦中土地、地下水、瓦斯以及

6、矸石排放等，綠色開采技術(shù)主要包括以下內(nèi)容:1)水資源保護(hù)-形成“保水開采”技術(shù);2)土地與建筑物保護(hù)-形成離層注漿、充填與條帶開采技術(shù);3)瓦斯抽放-形成“煤與瓦斯共采”技術(shù);4)煤層巷道支護(hù)技術(shù)與減少殲石排放技術(shù);5)地下氣化技術(shù).這些內(nèi)容構(gòu)成的綠色開采技術(shù)體系簡(jiǎn)要表達(dá)如圖1所示。開采引起環(huán)境與主要安全問題的發(fā)生都與開采后造成的巖層運(yùn)動(dòng)有關(guān)(巖體不破壞上述問題都不會(huì)發(fā)生)，因此，綠色開采的重大基礎(chǔ)理論為:1)采礦后巖層內(nèi)的“節(jié)理裂隙場(chǎng)”分布以及離層規(guī)律;2)開采對(duì)巖層與地表移動(dòng)的影響規(guī)律;3)水與瓦斯在裂隙巖體中的滲流規(guī)律;4)巖體應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及巖層控制技術(shù).3巖層控制的關(guān)鍵層理論采場(chǎng)老頂

7、巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型是針對(duì)開采過程中的礦山壓力控制而提出來的.近年來，為了解決巖層控制中更為廣泛的問題，提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論2-4.關(guān)鍵層理論提出的目的是為了研究覆巖中厚硬巖層對(duì)層狀礦體開采中節(jié)理裂隙的分布及其對(duì)瓦斯抽放與突水防治以及對(duì)開采沉陷控制等的影響.3.1相鄰硬巖層間相互作用的復(fù)合效應(yīng)關(guān)鍵層復(fù)合破斷研究表明，一定條件下相鄰兩層關(guān)鍵層會(huì)同步破斷.如假設(shè)相鄰兩關(guān)鍵層巖性相同，厚度分別為h1，h2，各自承擔(dān)的巖層組厚度分別為h2,h3，則按梁的破斷距計(jì)算公式可導(dǎo)出h1與h2同時(shí)垮落應(yīng)滿足的條件為h3+h2=(h2+h1)(h2/h1)² (1)例如:h2是h1的2倍，則h3

8、 + h2只要等于或大于h2 + h1的4倍，h2和h1將同時(shí)垮落.此時(shí)，雖然h2遠(yuǎn)大于h1，但上部關(guān)鍵層將不會(huì)產(chǎn)生離層.3. 2關(guān)鍵層初次破斷前的離層與采動(dòng)裂隙“O”形圈1)沿工作面推進(jìn)方向，關(guān)鍵層下離層動(dòng)態(tài)分布呈現(xiàn)兩階段發(fā)展規(guī)律:即關(guān)鍵層初次破斷前，隨著工作面推進(jìn)，離層量不斷增大，最大離層位于采空區(qū)中部.關(guān)鍵層初次破斷后，關(guān)鍵層在采空區(qū)中部離層趨于壓實(shí)，而在采空區(qū)兩側(cè)仍各自保持一個(gè)離層區(qū).工作面?zhèn)鹊碾x層區(qū)是隨著工作面開采而不斷前移的，工作面?zhèn)入x層區(qū)最大高度僅為關(guān)鍵層初次破斷前最大離層量的1/3一1/4(參見圖2).從平面看，在采空區(qū)四周存在圖3所示一沿層面橫向連通的離層發(fā)育區(qū)，稱之為采動(dòng)裂

9、隙“O”形圈. 2)沿頂板高度方向，隨工作面推進(jìn)離層呈跳躍式由下往上發(fā)展.首先，第1層亞關(guān)鍵層下出現(xiàn)離層，當(dāng)其破斷后其下離層呈“O”形圈分布;此時(shí)，上部第2層亞關(guān)鍵層下出現(xiàn)離層，當(dāng)其破斷后其下離層呈“O”形圈分布，如此發(fā)展直至主關(guān)鍵層.3)貫通的豎向裂隙是水與瓦斯涌人工作面的通道，對(duì)“導(dǎo)氣”裂隙發(fā)育動(dòng)態(tài)過程的研究表明，在開采初期，下位關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動(dòng)對(duì)“導(dǎo)氣”裂隙從下往上發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程起控制作用，導(dǎo)氣裂隙高度由下往上發(fā)展是非均速的，隨關(guān)鍵層的破斷而突變.當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)一定值后，“導(dǎo)氣”裂隙的分布也同樣呈“O”形圈特征，它是正?；夭善陂g鄰近層卸壓瓦斯流向采空區(qū)的主要通道.上述成果對(duì)對(duì)“

10、注漿減沉”及“卸壓瓦斯抽放”的鉆孔布置起指導(dǎo)作用.3.3關(guān)鍵層對(duì)地表移動(dòng)的影響4綠色開采技術(shù)的主要內(nèi)容4.1開采對(duì)地下水分布的影響煤層開采后，隨著關(guān)鍵層的破斷，在該區(qū)域內(nèi)地下水將形成下降漏斗.地下水位能否恢復(fù)，則決定于隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層中是否有軟弱巖層(事實(shí)上它是研究地下水滲漏的“關(guān)鍵層”)經(jīng)重新壓實(shí)導(dǎo)致裂隙閉合而形成隔水帶.若有隔水帶，則隨著雨水的再次補(bǔ)給，下降漏斗也將隨之消失.它對(duì)地面生態(tài)的影響則決定于漏斗形成與消失的時(shí)間間隔.淮北礦區(qū)沖積層中的第四含水層(簡(jiǎn)稱四含)與煤系地層相連，煤層開采后四含水位持續(xù)下降，形成了多個(gè)水位降落漏斗.目前淮北臨渙礦區(qū)四含水位下降范圍已達(dá)40 km&

11、#178;，造成了四含水資源的永久破壞.以臨渙礦西風(fēng)井85-02四含水文觀測(cè)孔為例，1985年水位是97. 2 m, 2001年水位降至205.8 m,16年間水位下降了108. 6 m.實(shí)際觀測(cè)表明，含水層的水位下降與開采形成的導(dǎo)水裂隙通道緊密相關(guān).圖4為淮北朱仙莊礦84-15四含水文觀測(cè)孔水位變化曲線，2000年3月以前水位緩慢下降，200。年3月開始84-15鉆孔鄰近的84采區(qū)開采，導(dǎo)致了鉆孔水位的急劇下降.黃縣煤礦在進(jìn)行含水砂層下采煤試驗(yàn)中，在1201面沿走向布置一組觀測(cè)鉆孔，在回采前后及整個(gè)回采過程中進(jìn)行了為期一年的水位觀測(cè)，結(jié)果如圖5及表1所示6.由表1可見，水位降與鉆孔孔底到開采

12、煤層距離有關(guān).由圖5可見，孔1水位短暫變化后水位恢復(fù)原狀，而孔2，孔3，孔4，孔5的水位下降后有所恢復(fù)，但在觀測(cè)期未能恢復(fù)原狀，而孔6則完全漏失了.因此，為了保護(hù)地下水資源，形成的保水開采技術(shù)應(yīng)能使地下水位僅發(fā)生孔1所示的變化.  4.2建筑物下采煤與減沉技術(shù)1)基于關(guān)鍵層理論的建筑物下采煤設(shè)計(jì)新原則基于巖層控制的關(guān)鍵層理論提出，可將保證覆巖主關(guān)鍵層不破斷失穩(wěn)作為建筑物下采煤設(shè)計(jì)的基本原則.為了保證建筑物下采煤既具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又確保地面建筑物不受到損害，關(guān)鍵在于根據(jù)具體條件下覆巖結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵層特征來研究確定合理的減沉開采技術(shù)及參數(shù).2)離層注漿減沉技術(shù)確定覆巖中的關(guān)

13、鍵層位置，掌握其離層與破斷特征參數(shù)，是注漿減沉技術(shù)應(yīng)用可行性分析、鉆孔布置與注漿工藝設(shè)計(jì)及減沉效果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)7.關(guān)鍵層初次破斷前的離層區(qū)發(fā)育、離層量大，易于注漿充填;而一旦關(guān)鍵層初次破斷后，關(guān)鍵層下離層量明顯變小，僅為關(guān)鍵層初次破斷前的1/3-1/4(參見圖2)，注漿難度增加.因此，離層注漿必須在關(guān)鍵層臨初次破斷前進(jìn)行.鉆孔布置及最佳的注漿減沉效果應(yīng)保證關(guān)鍵層始終不發(fā)生初次破斷.4.3采空區(qū)充填開采技術(shù)采空區(qū)充填開采技術(shù)是綠色開采技術(shù)的重要組成部分，尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)解決建筑物下開采更應(yīng)受到重視.從理論上來說，充填采礦是解決煤礦開采環(huán)境問題的理想途徑，但由于目前充填采礦的成本相對(duì)偏高，限制了該

14、項(xiàng)技術(shù)在煤礦的試驗(yàn)與應(yīng)用.4.4煤與瓦斯共采我國煤層普遍具有變質(zhì)程度高、滲透率低和含氣飽和度低的特點(diǎn)，70%以上煤層的滲透率小于1× 10-3m²，這對(duì)我國開展煤層瓦斯采前預(yù)抽是極為不利的.正因?yàn)槿绱?，我國已鉆的200多口采前地面煤層氣井中，穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)井很少，單井產(chǎn)量超3000 m³/d的也只有約30口8.實(shí)踐表明，一旦煤層開采引起巖層移動(dòng)，即使是滲透率很低的煤層，其滲透率也將增大數(shù)十倍至數(shù)百倍，為瓦斯運(yùn)移和抽放創(chuàng)造了條件.因此若在開采時(shí)形成采煤和采瓦斯兩個(gè)完整的系統(tǒng)，即形成“煤與瓦斯共采”技術(shù)則不僅有益礦井的安全，而且采出的還是潔凈能源.因此在開采高瓦斯煤層的同時(shí)

15、，利用巖層運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)將煤層氣開采出來將是我國煤層氣開發(fā)的一條重要途徑.在“煤與瓦斯共采”技術(shù)方面，巖層運(yùn)動(dòng)中的關(guān)鍵層理論所得出的節(jié)理裂隙場(chǎng)分布、離層規(guī)律將對(duì)上鄰近層瓦斯動(dòng)態(tài)涌出與下解放層開采最大卸壓高度的影響等瓦斯抽出技術(shù)有重要參考作用9.4.5煤巷支護(hù)技術(shù)與減少矸石排放矸石不上井涉及到煤巷維護(hù)問題，而且隨著采深的增加，巖石巷的開掘?qū)⒉豢杀苊?因此矸石不上井就存在一個(gè)研石井下處理系統(tǒng)，結(jié)果是成本如何?另一種考慮能否將研石在地面處理，變廢為寶，如變?yōu)榻ㄖ牧?，充填材料等，終究矸石的地面處理要比井下處理簡(jiǎn)單得多.應(yīng)該說，在經(jīng)濟(jì)原則下矸石的井下處理是綠色采礦問題.而矸石的井上處理就像地面復(fù)懇一樣是環(huán)

16、境治理問題，不屬于綠色開采技術(shù)4.6煤炭地下氣化煤炭地下氣化是一種整體綠色開采技術(shù).它是將地下煤炭通過熱化學(xué)反應(yīng)在原位將煤炭轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w的技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)采煤方式的根本性變革.不僅極大地減少了井下工程及艱苦作業(yè)，而且消除了煤炭開采對(duì)環(huán)境的污染和煤炭燃燒對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響和危害.5結(jié)語綠色采礦首先要將巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)工作面的影響轉(zhuǎn)為研究開采后巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)巖體內(nèi)形成空隙的影響，以及瓦斯、地下水的滲流規(guī)律.另外，幾個(gè)重要標(biāo)志是:1)將瓦斯作為資源，變害為利，在采煤的同時(shí)形成地面或井下瓦斯共同開采系統(tǒng);2)根據(jù)巖層的組成，確定保水采煤的地層判別以及相宜的開采方法;3)根據(jù)具體條件，形成充填、條帶開采、離層區(qū)

17、注漿等保護(hù)建筑物及地表的技術(shù);對(duì)東部發(fā)達(dá)地區(qū)城鎮(zhèn)下采煤，充填與條帶開采是必然的選擇，因而如何降低充填成本與提高充填技術(shù)是科學(xué)研究的方向;4)形成在煤層內(nèi)維護(hù)巷道的技術(shù)，減少矸石排放量;5)形成煤炭地下氣化技術(shù)，并研究其對(duì)地下水環(huán)境的影響.參考文獻(xiàn):1中國科學(xué)院可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略組.中國現(xiàn)代化進(jìn)程戰(zhàn)略構(gòu)想M.北京:科學(xué)出版社，2002.2錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制中的關(guān)鍵層理論研究J煤炭學(xué)報(bào)，1996,21(3):225-230.3許家林.巖層移動(dòng)與控制的關(guān)鍵層理論及其應(yīng)用 D.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，1999.4錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論 M.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.5許家林，錢鳴高.關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)覆巖及地表移動(dòng)影響