礦區(qū)綠色開采技術(shù)課件

1、礦區(qū)綠色開采技術(shù) 1、緒論 2、保水開采技術(shù) 3、土地與建筑物保護技術(shù) 4、煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù) 5、潔凈開采技術(shù) 6、煤層地下氣化技術(shù) 7、礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)技術(shù) 8、綠色開采的發(fā)展前景 礦區(qū)綠色開采技術(shù)1 緒 論1.1 善待地球從節(jié)約資源做起 2007年4月22日是第38個“世界地球日”，宣傳主題為：“善待地球從節(jié)約資源做起”。重點落實以人為本，全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展觀，樹立善待地球人人有責，從自身工作做起的全民意識，構(gòu)建社會主義和諧社會。努力實現(xiàn)人口、資源、環(huán)境相協(xié)調(diào)，促進經(jīng)濟又好又快發(fā)展。 我們需要保護的資源：保護土地資源、礦產(chǎn)資源、水資源、海洋資源、生物資源等自然資源。自然資源

2、是人類賴以生存的基本條件，是人類賴以生存和經(jīng)濟社會不斷發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。在上世紀70年代，“羅馬俱樂部”的報告就告戒世人，世界的資源將無法應(yīng)付人類的消耗。近30年人類就已經(jīng)消耗了地球上1/3的可用資源。1 緒 論對煤炭綠色開采與環(huán)境保護的認識 (1)環(huán)境是一種資源-自然環(huán)境是億萬年來自然力作用的結(jié)果.破壞后很長時間得不到恢復(fù)，因而具有不可逆性。礦產(chǎn)資源與土地、水、植被等環(huán)境要素緊密相關(guān)。大規(guī)模地采礦將直接構(gòu)成對億萬年來自然力作用形成環(huán)境的威脅和破壞。 (2)環(huán)境容量-環(huán)境通過各種各樣過程轉(zhuǎn)化人類生產(chǎn)和消費產(chǎn)生廢棄物的能力稱為環(huán)境的自凈能力。 (3)根據(jù)礦產(chǎn)資源開發(fā)的正負價值兩面性。應(yīng)遵循自然規(guī)律

3、，尊重自然意志，在人類向自然索取的同時，時刻不忘回饋自然和養(yǎng)護自然，從而在人類和自然之間建立起復(fù)合的生態(tài)平衡機制。 (4)開采后的巖體運動造成應(yīng)力的再分布和能量集中,導(dǎo)致環(huán)境破壞,因此研究開采后巖層運動規(guī)律是實現(xiàn)綠色開采和保護礦區(qū)環(huán)境的基礎(chǔ)。 (5)實現(xiàn)既能最大限度的采出煤炭而又保證安全和保護環(huán)境的開采技術(shù)-科學(xué)采礦。形成礦區(qū)環(huán)境容量和環(huán)境評價體系等計算方法。對煤炭綠色開采與環(huán)境保護的認識1.2 煤炭開采對環(huán)境的影響及其表現(xiàn)形式 煤炭開采過程中產(chǎn)生的有毒有害氣體對水資源、土地和空氣都造成了不同程度的污染破壞，其主要表現(xiàn)形式: 1）煤礦開采對水資源的破壞 對水資源的破壞主要表現(xiàn)在兩個方面。一方面

4、導(dǎo)致地下水位的大幅度下降，水源枯竭，地表植被干枯，自然景觀破壞，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降，嚴重時可引起地表土壤沙化。另一方面開采造成地表及地下水污染。圖為保德縣煤礦開采采空區(qū)沉陷引起的嚴重水土流失 。煤礦采空區(qū)沉陷引起的嚴重水土流失 1.2 煤炭開采對環(huán)境的影響及其表現(xiàn)形式 1）煤礦開采對水 2）煤礦開采造成土地資源的破壞 煤炭開采對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壓占為主。 露天礦采場 采空區(qū)沉陷引起土地破壞 2）煤礦開采造成土地資源的破壞露天礦采場 采 3）產(chǎn)生大量有毒有害氣體 地下礦層中賦存的大量有毒有害氣體，如CH4、CO、CO2、SO、SO

5、2、H2S等。由于開采，經(jīng)礦井通風風流并攜帶大量粉塵排至大氣。 3）產(chǎn)生大量有毒有害氣體露天礦采場治理后 露天礦采場 1.3 礦區(qū)生態(tài)治理與修復(fù) 礦山環(huán)境問題一直受到國際社會的廣泛關(guān)注和重視。礦區(qū)生態(tài)治理與修復(fù)是當今世界采礦業(yè)發(fā)展的必然要求，是世界各國環(huán)境與發(fā)展中必然涉及的重要課題。礦區(qū)生態(tài)治理與修復(fù)包括土地復(fù)墾、廢棄地治理與利用和植被修復(fù)等3個方面。目前我國復(fù)墾利用的土地還不到被破壞土地的1%。而歐洲、北美等發(fā)展中國家礦山土地復(fù)墾率已超過50%，蘇聯(lián)、美國、捷克土地復(fù)墾率高達75%以上。在國外，礦山復(fù)墾是采礦業(yè)的一部分，采礦結(jié)束，復(fù)墾完畢，才能閉坑。露天礦采場治理后 露天礦采場 1.3 礦區(qū)

6、生態(tài)治理與修復(fù)1.4 綠色開采重要意義和技術(shù)體系 “資源開采-環(huán)境保護-礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展”的平衡關(guān)系，是我國21世紀資源開發(fā)的全局性課題。其核心內(nèi)容之一就是要實現(xiàn)“綠色開采”?！熬G色開采”重大意義在于： （1）綠色開采要求開采技術(shù)水平提升。我國煤炭行業(yè)整體技術(shù)水平較低，長期走的是粗放型發(fā)展路子，生產(chǎn)集約化程度很低。綠色開采必然要求多層面、多角度的技術(shù)創(chuàng)新。 （2）綠色開采要求系統(tǒng)高效利用產(chǎn)品。綠色開采要求從廣義資源的角度看待礦區(qū)范圍內(nèi)的煤炭、地下水、煤層氣、土地、煤矸石以及在煤層附近的其他礦床等可用資源，在追求最佳經(jīng)濟效益和社會效益的同時，盡可能減少對環(huán)境的負面影響。 （3）綠色開采要求全面評價

7、企業(yè)效益，綜合考慮生態(tài)環(huán)境。綠色開采以生態(tài)大系統(tǒng)的觀念來看待、評價企業(yè)的經(jīng)濟活動，實現(xiàn)生態(tài)大系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。這自然要求企業(yè)在追求自身經(jīng)濟效益的同時，要全面考慮社會效益與環(huán)境效益。 綠色開采的技術(shù)體系如下圖所示1.4 綠色開采重要意義和技術(shù)體系 煤炭資源綠色開采技術(shù)體系煤炭資源綠色開采技術(shù)體系2 保水開采技術(shù) 1）科學(xué)問題 開采引起大范圍巖層移動所形成的裂隙場的形態(tài)及其對地下水系滲漏、流動和對水資源和環(huán)境、生態(tài)等帶來的影響。 我國水資源分布很不均衡,且水資源與煤炭資源成逆向分布。大概有70%的礦區(qū)缺水，大量使用地表水和地下水將對當?shù)厣鷳B(tài)產(chǎn)生嚴重影響。對于缺水地區(qū)，保護水資源將是煤炭開發(fā)與生產(chǎn)中

8、的關(guān)鍵問題。 我國平均開采1噸煤要破壞近1噸水，據(jù)報道，山西省每采1噸煤要破壞2.5噸水，我國最高可達近10噸。在一些地區(qū)可以進行河湖海下采煤，顯然這些地區(qū)開采對水文地質(zhì)影響不大；在一些地區(qū)（如我國東部）開采后地面形成水洼，說明上覆巖層隔水良好；在一些地區(qū)（如我國中西部）開采后地面形成塌陷，但并不積水。此時就有可能造成水文地質(zhì)的改變，甚至地下水的流失。而且影響植被和荒漠化。2 保水開采技術(shù) 保水開采技術(shù)和礦井水循環(huán)使用技術(shù) 2）保水開采技術(shù) （1）防治水 探、排、截、堵 保水開采方法，最有利的方法，截、堵。 * 減小導(dǎo)水裂隙帶高度的開采方法（充填、條帶） * 以底板加固為主導(dǎo)技術(shù)的保水開采技術(shù)

9、 中國礦業(yè)大學(xué)張東升等提出一種淺埋煤層長壁工作面保水開采方法，適用于淺埋煤層的安全生產(chǎn)和水資源保護；陜北榆陽區(qū)沙炭灣煤礦的保水采煤方案，通過分析其條帶開采方案技術(shù)參數(shù)的合理性，并應(yīng)用東北大學(xué)RFPA2D數(shù)值試驗程序模擬了不同采留比的條帶開采設(shè)計中，圍巖破壞的力學(xué)過程，提出了在淺部煤層實施條帶保水采煤的條帶開采技術(shù)參數(shù)。 保水開采技術(shù)和礦井水循環(huán)使用技術(shù) （2）礦井水的合理利用及循環(huán)使用技術(shù) 礦井水一般采用物理和化學(xué)方法進行處理。物理方法主要是過濾法和自然沉降法；化學(xué)處理方法主要是混凝法。礦井水經(jīng)處理后應(yīng)本著先生產(chǎn)后生活、先井下后井上的原則優(yōu)先供給井下。 神東礦區(qū)水循環(huán)模式：采用井下水采空區(qū)矸石

10、過濾專利技術(shù)，實現(xiàn)了井下水循環(huán)復(fù)用。 （2）礦井水的合理利用及循環(huán)使用技術(shù) 3 建筑物與土地保護技術(shù)3.1 煤礦開采對土地與建筑物的破壞分析1）煤礦開采引起地面下沉分析 地下煤層開采后，覆巖的原始平衡受到破壞，在應(yīng)力的作用下，巖層經(jīng)一系列的移動、變形與破壞，直至達到新的平衡，這一過程稱巖層移動。巖層移動穩(wěn)定后，一般可形成三個不同的開采影響帶，分別稱其為垮落帶、裂縫帶和彎曲帶。圖3-1 上覆巖層移動、破壞分帶示意圖1-垮落帶；2-裂縫帶；3-彎曲帶3 建筑物與土地保護技術(shù)1）煤礦開采引起地面下沉分析圖3- 當采煤工作面采完，地表移動穩(wěn)定后，在采空區(qū)上方地表形成沉陷的區(qū)域，稱為最終移動盆地或最終下

11、沉盆地。形成過程如圖3-2所示。 巖層移動發(fā)展到地表后，隨采空區(qū)面積增大，移動盆地的面積及地表最大下沉值也增大，地表的采動影響分為非充分采動、充分采動(此時的采空區(qū)面積稱臨界開采面積)和超充分采動。圖3-2 下沉盆地的形成過程圖1、2、3-非充分采動；4-充分采動；5-超充分采動 當采煤工作面采完，地表移動穩(wěn)定后，在采空區(qū)上2）由下沉引起建筑物的破壞 地表的均勻下沉，僅在超臨界面積開采時才可能出現(xiàn)。一般地說，在這種條件下對建筑物危害不大。處于地表移動穩(wěn)定后均勻下沉區(qū)的建筑物，在開采過程中，還將受到地表“動態(tài)”變形的影響，即建筑物先受地表拉伸(正曲率)變形影響(圖3-3中的1位置)，隨著工作面的

12、推進，建筑物受地表壓縮變形影響(圖3-3的2位置)。當工作面推離建筑物的距離大于0.6H(H是開采深度)時，建筑物又恢復(fù)原狀(圖3-3的3位置)，結(jié)果只是產(chǎn)生整體垂直位移。圖3-3 井下回采時地表移動和建筑物變形過程2）由下沉引起建筑物的破壞圖3-3 井下回采時地表移動和建3）由傾斜引起的建筑物破壞 地表的傾斜往往發(fā)生在移動盆地邊緣區(qū)，位于拐點處的地表傾斜最大，其位置大致在煤壁上方。地表傾斜能使排水系統(tǒng)改變坡度。傾斜對鐵路、公路來說也同樣有危害，尤其是對鐵路線。它有一定的限制坡度。 地表的傾斜對底面積小、高度大的建筑物或構(gòu)筑物，如煙囪、水塔、高壓輸電線鐵塔等影響較大。地表的傾斜能使這些高聳構(gòu)筑

13、物重心發(fā)生偏斜，引起應(yīng)力重新分配。傾斜大時，構(gòu)筑物的重心落在基礎(chǔ)底面積之外會使其發(fā)生折斷或傾倒。4）由曲率引起建筑物的破壞 地表曲率有正、負曲率之分。當建筑物受正或負曲率影響時，其破壞特征如圖3-4a、b所示。3）由傾斜引起的建筑物破壞5）由水平變形引起建筑物的破壞 地表的拉伸和壓縮稱為水平變形。它對建筑物的破壞作用很大，尤其是拉伸的影響，由于建筑物抵抗拉伸能力遠小于抵抗壓縮的能力，所以在較小的地表拉伸下就能使建筑物產(chǎn)生裂縫。一般在門窗洞口的薄弱部位易產(chǎn)生裂縫，磚砌體的結(jié)合縫亦易被拉開(圖3-4c)。 地表壓縮變形對建筑物的破壞主要是使門窗洞口擠成菱形，磚砌體墻產(chǎn)生水平裂縫(圖3-4d)，縱墻

14、或圍墻產(chǎn)生褶曲或屋頂鼓起(圖3-4e)。 建筑物的破壞程度與其結(jié)構(gòu)、材料、形狀和施工質(zhì)量等有關(guān)，建筑物的剛度和平面尺寸是主要因素。較大的破壞現(xiàn)象見圖3-5（破壞現(xiàn)象）5）由水平變形引起建筑物的破壞 地表壓縮變形對3.2 保護土地及建筑物的開采技術(shù)1）充填開采 地表下沉與開采厚度有十分密切的關(guān)系，開采厚度越大，地表的最大下沉值也越大。采用全部冒落法管理頂板時，地表的下沉可達采高60%-80%。而用水砂充填法管理頂板時，最大下沉值為采高的8%-20%。充填采煤法的地表沉陷控制效果取決于采空區(qū)的充填程度，地表下沉系數(shù)一般為0.02(密實水砂充填)到0.6(矸石風力充填)。圖3-6 系統(tǒng)充填示意圖 3

15、.2 保護土地及建筑物的開采技術(shù)1）充填開采圖3-6 圖3-7 充填采煤工作面布置示意圖1-運輸順槽；2-回風順槽；3-液壓支架；4-單體液壓支柱；5-柔模板；6-充填通；7-擬充填條帶；8-已充填條帶圖3-7 充填采煤工作面布置示意圖2）條帶開采 條帶開采是目前國內(nèi)建筑物下采煤地表沉陷控制的主要技術(shù)途徑，應(yīng)用最為廣泛。條帶開采的原理是把要開采的煤層劃分成比較正規(guī)的條帶進行開采，采一條，留一條，利用保留的條帶煤柱支撐上覆巖層，從而減少覆巖沉陷，控制地表的移動和變形，達到地面保護目的。圖3-8為某煤礦條帶開采平面圖。我國自撫順勝利礦1967年利用充填條帶法進行市區(qū)下采煤以來，已先后在撫順、阜新、

16、蛟河、峰峰、鶴壁、平頂山、徐州等多個礦區(qū)進行了條帶開采的試驗與實踐。圖3-8 條帶開采平面圖2）條帶開采陷，控制地表的移動和變形，達到地面保護目的。圖3國外條帶開采情況與國內(nèi)大體相當，波蘭在城市下采煤時大多采用水砂充填條帶，其它國家大多采用冒落條帶。條帶開采控制地表沉陷最大的缺點是煤炭永久損失率較高，這是制約條帶開采大規(guī)模用于地表沉陷控制的主要瓶頸。3）分層開采 對于緩斜及傾斜厚煤層，采用傾斜分層采煤法，分層分采方案，可以減少地表一次下沉對地面建筑物的影響，分層開采時要控制每一分層的開采厚度，使其在開采時所造成的地表變形不超過允許地表變形值。國外條帶開采情況與國內(nèi)大體相當，波蘭在城市下采煤時大

17、多采用水4）限厚開采 以不產(chǎn)生地表積水和滿足建筑物所要求的保護等級為依據(jù)，確定可開采的煤層厚度，僅回采這一厚度的煤，以實現(xiàn)減少下沉保護地面建筑物及土地的目的。5）“采-注-采”三步法和“采-注-跳采”三步法開采 “采-注-采”三步法開采(圖3-10)，即“小條帶開采-注漿充填采空區(qū)-剩余條帶開采”，布置條帶式工作面跳躍式開采，注漿充填和加固采空區(qū)破裂巖體恢復(fù)承載能力，利用覆巖結(jié)構(gòu)對上覆巖層移動的控制。 “采-注-跳采”三步法是在“采-注-采”三步法的基礎(chǔ)上提出的，其基本內(nèi)涵是將開采區(qū)布置成類似于條帶式的寬、窄條帶相間的工作面。6）覆巖離層注漿 覆巖離層注漿就是通過地面鉆孔向采空區(qū)上方覆巖中的離

18、層帶高壓注入液體充填材料，控制覆巖下沉，控制地表沉降。圖3-10 “三步法”開采地表沉陷控制過程4）限厚開采 “采-注-跳采”三步法是在“采4 煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù) 低透氣性瓦斯是吸附在煤炭上難于采集、資源密集度低的伴生資源。利用必然要進行的井下工程，先采瓦斯而后采煤以及利用巖層受采動形成的裂隙場采集釋放的瓦斯是最經(jīng)濟而有效的辦法。對瓦斯的認識過程如下：瓦斯是災(zāi)害煤礦重大災(zāi)難源是瓦斯，因此對瓦斯的定義是：礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體。瓦斯是能源1m3瓦斯的發(fā)熱量為35.6MJ，相當于1.2Kg標煤，可發(fā)電3-3.5Kwh.。在我國陸上煙煤和無煙煤田中，埋深在300-2000米范

19、圍內(nèi)的資源有31.46萬億m3，相當于天然氣儲量。 4 煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù)4.1 我國煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀 我國是世界上煤層瓦斯資源儲量巨大的國家之一。據(jù)2006年國土資源部油氣中心對全國煤層氣資源評價結(jié)果，我國煤層氣資源量居世界第三位，與我國陸上天然氣資源量相當，資源量36.81萬億m3，可采資源量10.86萬億m3。低透氣性瓦斯是吸附在煤炭上難于采集、資源密集度低的伴生能源-瓦斯不同于天然氣，大部分吸附于煤炭(80-90%)， 游離瓦斯僅占5-12%。大部分煤層透氣性低很難抽離。以瓦斯含量20m/t煤計，相當于1000Kg中含有24Kg標煤。4.1 我國煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀 我國是世界上4.

20、2 我國煤層氣賦存的特征1）滲透率問題 我國煤層滲透率較低，平均在0.00216.17毫達西。比美國的San Juan盆地和Black Warrior盆地低3-4個數(shù)量級。2）煤層瓦斯壓力問題 我國煤層瓦斯壓力梯度大小變化幅度很大，最低值為1.2kPa/m(撫順)，最大值為13.4kPa/m(天府)，但大部分屬于低壓瓦斯。煤層瓦斯壓力低影響煤層氣產(chǎn)率，不利于瓦斯抽采。但是，還是要進行這方面的開采，需要研究，解決這方面的問題。4.2 我國煤層氣賦存的特征4.3 煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù)1）瓦斯抽采技術(shù)體系 瓦斯抽采分為地面鉆井抽采和井下抽采兩大類，如圖4-8、4-9所示。按煤層氣開采方法、卸壓瓦斯的

21、來源及卸壓瓦斯抽采方法的不同，構(gòu)建了“煤與煤層氣共采”技術(shù)體系圖，如圖4-10所示。 圖4-8 地面煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采示意圖圖4-9 井下煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采示意圖4.3 煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù)圖4-8 地面煤與瓦斯協(xié)調(diào)開圖4-10 煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù)體系 提高瓦斯采出率；降低礦井瓦斯涌出量； 降低礦井通風成本；消除瓦斯事故 煤層氣綜合利用，消除大氣污染 卸壓瓦斯開采 地面鉆井抽采 井下鉆孔及巷道抽采 鄰近層 瓦斯卸壓 上覆遠距離煤層 瓦斯卸壓 廢棄采空區(qū)聚積 瓦斯卸壓 本煤層 瓦斯卸壓 圍巖抽 采 煤層氣 煤層開采 巖層移動 形 成采動裂隙 未采層抽采 采動卸壓抽采 地面鉆井抽采 煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采

22、技術(shù)體系 采空區(qū)抽采 圖4-10 煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù)體系 提高瓦斯采出率；降2）瓦斯抽采現(xiàn)狀 我國煤礦井下的瓦斯抽采始于20世紀50年代，其中撫順、陽泉是抽采量最大的礦區(qū)。2005年瓦斯抽采量23億 m3，平均利用率達40左右。2005年抽采量超過1億m3的礦區(qū)有陽泉、晉城、淮南、松藻、盤江、水城和撫順等7個礦區(qū)。 目前中國煤層氣產(chǎn)能 晉城煤業(yè)集團藍焰公司：1530萬m3 /d 中聯(lián)煤層氣有限責任公司：1015萬m3 /d 遼寧阜新礦業(yè)集團：3萬m3 /d3）井下瓦斯抽采技術(shù) 由于我國煤層氣低滲透率的特點，利用煤層開采引起巖層的移動破壞增大煤層滲透性，在采煤的同時高效抽采卸壓瓦斯，是我國煤層

23、氣開采的主要途徑。2）瓦斯抽采現(xiàn)狀4）地面鉆井瓦斯抽采技術(shù) 煤層氣地面開采技術(shù)主要包括鉆井、完井、采氣和地面集氣處理生產(chǎn)系統(tǒng)。有兩種開采情況，一是在沒有采煤作業(yè)的煤田內(nèi)開采煤層氣；二是在生產(chǎn)礦區(qū)內(nèi)開采煤層氣。圖4-11為晉城寺河礦井地面瓦斯抽采系統(tǒng) 。圖4-11 寺河礦井地面瓦斯抽采系統(tǒng) 地面瓦斯抽采鉆井現(xiàn)場 4）地面鉆井瓦斯抽采技術(shù)圖4-11 寺河礦井地面瓦斯抽采4.4 瓦斯綜合利用瓦斯主要的利用途徑煤層氣燃氣輪機煤層氣鍋爐煤層氣煤泥烘干回轉(zhuǎn)窯（1）民用燃氣 （2）燃氣鍋爐 （3）瓦斯發(fā)電（4）生產(chǎn)化工 產(chǎn)品4.4 瓦斯綜合利用煤層氣燃氣輪機煤層氣鍋爐煤層氣煤泥烘淮南礦業(yè)集團瓦斯發(fā)電廠App

24、in Colliery 瓦斯發(fā)電廠 澳大利亞Appin Colliery瓦斯發(fā)電廠，裝機容量為51MW，礦井回風流中的瓦斯平均濃度為0.7，占電廠瓦斯用量的7，其余瓦斯來自采空區(qū)瓦斯抽采?；茨系V業(yè)集團瓦斯發(fā)電廠Appin Colliery 瓦斯發(fā)電5 潔凈開采技術(shù) 潔凈開采技術(shù)是指在提高煤炭質(zhì)量的同時，盡量從源頭上避免污染物的產(chǎn)生或最大程度控制污染物的生成量及污染程度，使煤炭開采對環(huán)境的污染和破壞降低到最低限度的開采技術(shù)。為了杜絕或減少煤矸石造成的環(huán)境污染，可采取以下兩種控制煤矸石生成量的開采技術(shù)：一是采用減矸開采技術(shù)，包括開拓部署、巷道布置和采掘工藝等技術(shù)措施；二是采用矸石充填開采技術(shù)，包括

25、將掘進出矸充填在井下廢棄的巷道或硐室內(nèi)，或?qū)⒕蜻M出矸直接用于采空區(qū)充填。5 潔凈開采技術(shù)5.1 礦井開拓與巷道布置1）全煤巷開拓 全煤巷開拓是礦井實現(xiàn)潔凈開采的優(yōu)選方案，巷道都布置在煤層中。這不僅有利于煤的潔凈生產(chǎn)，而且建設(shè)周期短，投產(chǎn)快，在建設(shè)期間就可生產(chǎn)煤炭。美國、澳大利亞等國的各類大中小型礦井幾乎都采用多煤巷并行的開拓方法。我國的東勝、神府礦區(qū)和山東濟寧3號井等大型礦井的設(shè)計都是按全煤巷開拓考慮的。2）利用自然條件劃分采區(qū)邊界 開拓巷道也可沿斷層帶、變薄帶或火成巖侵入帶等掘進，采區(qū)內(nèi)盡量避免有這些地質(zhì)構(gòu)造，以利掘進和回采時少破巖石，減少矸石混入。3）煤層配采與取消巖石集中巷 用煤層集中巷

26、取代巖石集中巷來進行采區(qū)準備，這在技術(shù)經(jīng)濟上都取得了減少矸石的良好效益。4）沿空留巷 為更有利于煤的潔凈生產(chǎn)，煤礦應(yīng)大力推行無煤柱開采技術(shù)。5.1 礦井開拓與巷道布置5.2 采掘工藝1）采煤工藝 采煤工藝直接影響礦井生產(chǎn)的原煤質(zhì)量和地面環(huán)境。煤礦只有按煤層賦存自然條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，擇優(yōu)選擇采煤方法，再配合有效的煤質(zhì)管理措施，才能更好地進行煤的潔凈開采。（1）加大采高、煤層全厚開采（2）煤巖分采（3）留頂(底)煤開采2）掘進工藝 對煤巷和半煤巖巷而言，不論炮掘還是機掘，只要技術(shù)措施合理，完全可以做到煤巖分掘、分運，甚至矸石不出井；對全煤巷道，只要不挑頂破底，防止冒頂，對煤中矸石進行分揀，可保證

27、掘進煤質(zhì)量；對半煤巖巷道，可實施分掘、分運或?qū)捪锞蜻M，也能保證掘進煤質(zhì)量。（1）分掘分運（2）寬巷掘進、矸石充填5.2 采掘工藝5.3 井下矸石充填技術(shù)1）矸石充填開采的分類及特點 （1）矸石充填的種類與方法 矸石充填的種類 按矸石充填的位置不同分為：巷道充填、工作面充填 按充填量和充填范圍占采出煤層的比例不同分為：全部充填 、局部充填 矸石充填方法 全部充填的位置只能是采空區(qū)，而局部充填的位置可以是采空區(qū)、離層區(qū)或冒落區(qū)。當采空區(qū)傾角較大時或在傾角較大的下山，可以采用自溜和人工壘砌來完成充填；當采空區(qū)傾角較小或在傾角較小的下山和平巷進行矸石充填時是比較困難的，要采用一些設(shè)備進行處理。 5.3

28、 井下矸石充填技術(shù) （2）矸石充填開采技術(shù) 采空區(qū)條帶充填技術(shù) 采空區(qū)條帶充填就是在煤層采出后頂板冒落前，采用矸石材料對采空區(qū)的一部分空間進行充填，構(gòu)筑相間的充填條帶，靠充填條帶來支撐覆巖。只要保證未充填采空區(qū)的寬度小于覆巖關(guān)鍵層的初次破斷跨距，且充填條帶能保持長期穩(wěn)定，就可有效控制地表沉陷，如圖5-1所示。 圖5-1 采空區(qū)條帶充填示意圖 （2）矸石充填開采技術(shù)圖5-1 采空區(qū)條帶 條帶開采冒落區(qū)注漿充填技術(shù) 目前，我國主要采用條帶開采技術(shù)來實現(xiàn)建筑物下壓煤開采，其主要缺點是煤炭采出率偏低，一般僅為30%50%。 條帶開采冒落區(qū)注漿充填就是條帶開采情況下，通過地面或井下鉆孔向采出條帶已冒落采

29、空區(qū)的破碎矸石進行注漿充填。同時利用充填材料與冒落區(qū)內(nèi)矸石形成的共同承載體來縮短留設(shè)條帶的寬度，以達到提高資源回采率的目的。 條帶開采冒落區(qū)注漿充填技術(shù)6 煤炭地下氣化技術(shù)6.1 概 述 煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification，UCG)是指在煤層賦存地點直接獲得可燃氣體的過程，即在地下將固態(tài)礦物通過熱化學(xué)過程變?yōu)闅鈶B(tài)燃料，然后由鉆孔排到地面，供給用戶。 煤炭的地下氣化原理是由原蘇聯(lián)著名化學(xué)家門捷列夫在1888年提出的。英國在1914年至1959年共進行了62次小規(guī)模試驗，并建成一座小型的地下氣化發(fā)電站。蘇聯(lián)自1932年至1965年先后建立了12座地下氣化站，美

30、國自1946年至1963年也已試驗成功，后因經(jīng)濟效果差而停止，我國自1958年先后在鶴崗、大同、撫順、皖南等多個礦區(qū)進行了煤的地下氣化試驗，取得了熱值為3.49-5.53MJ/m3的煤氣，后因國民經(jīng)濟調(diào)整而相繼停止。1994年，余力教授又在徐州新河礦、唐山劉莊礦進行氣化試驗，取得熱值在13.69MJ/m3以上的煤氣。今后煤層的地下氣化研究方向，是向埋深為800m以下的煤層發(fā)展。6 煤炭地下氣化技術(shù)6.2 煤炭地下氣化原理及工藝1）氣化原理 煤炭地下氣化是將含碳元素為主的高分子煤，在地下燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿拥娜細?，直接輸送到地面的化學(xué)采煤方法。地下氣化與地面氣化的原理相同，產(chǎn)品也相同。它是將煤氣發(fā)生

31、爐與焦化爐產(chǎn)氣原理融為一體。 圖6-1 煤炭地下氣化原理 煤炭地下氣化過程中可燃氣體的產(chǎn)生，是在氣化通道中三個反應(yīng)區(qū)里實現(xiàn)的，即氧化區(qū)、還原區(qū)和干餾干燥區(qū)，如圖6-1、6 -2所示。6.2 煤炭地下氣化原理及工藝圖6-1 煤炭地下氣化原理圖6-2 煤炭地下氣化原理圖圖6-2 煤炭地下氣化原理圖2）煤炭地下氣化工藝 由氣化原理可知，必須首先建造地下煤氣發(fā)生爐，即生產(chǎn)車間。為此有兩種準備方法：礦井式和無井式氣化方法。 礦井式是從地面向煤層鑿出井筒后，用煤層平巷連通，點燃煤層，生產(chǎn)煤氣。缺點是避免不了井下作業(yè)；密閉井巷工作復(fù)雜，漏氣性大；氣化過程不易控制。 無井式氣化方法就是用鉆孔代替井筒，然后貫通

32、兩個鉆孔，并點火形成火道，進行燃燒。燃燒工作就是煤的真正氣化過程，這種氣化工藝系統(tǒng)如圖6-3所示。圖6-4為重慶中梁山煤炭井工氣化潔凈能源生產(chǎn)系統(tǒng)圖。圖6-3 無井式氣化生產(chǎn)工藝系統(tǒng)1排氣鉆孔；2鼓風鉆孔；3燃燒(氣化)工作面2）煤炭地下氣化工藝 無井式氣化方法就是用鉆孔礦區(qū)綠色開采技術(shù)課件6.3 技術(shù)經(jīng)濟評價1）經(jīng)濟效益 煤炭地下氣化的成本，比地面氣化成本（0.40-0.50元/m3）降低50%以上，從科學(xué)采礦觀點看，其完全成本最低，煤炭地下氣化是經(jīng)濟效益是非常良好的。2）環(huán)境效益 煤炭在開采、運輸、裝儲和加工利用過程中，給人類生存環(huán)境造成了多項污染，影響人們身體健康和生活環(huán)境。煤炭地下氣化

33、過程中，燃燒過的灰碴、其他有害物及放射性物質(zhì)留在地下，減少了地面沉陷及上述各過程中的環(huán)境污染。煤氣能集中凈化，分離后可得到潔凈的能源氫，因此，地下氣化技術(shù)的環(huán)境效益也是十分明顯的。3）社會效益 煤炭地下氣化的過程，始終沒有離開煤礦企業(yè)，這就為報廢煤礦以及將報廢煤礦轉(zhuǎn)產(chǎn)提供機會，安排閑散勞力，是新型煤礦聯(lián)合企業(yè)的雛型，是我國老礦井及煤炭行業(yè)改革的必由之路。最好的社會效益就是實現(xiàn)了完全安全生產(chǎn)。6.3 技術(shù)經(jīng)濟評價6.4 適用條件及其發(fā)展方向1）煤炭地下氣化適用條件 煤炭地下氣化不僅可以回收老礦井遺棄的煤炭資源，而且可以用于開采井工難以開采的或開采經(jīng)濟性、安全性差的薄煤層、急傾斜薄煤層、深部煤層和

34、“三下”壓煤，以及高硫、高灰、高瓦斯煤層等。 一般來說，多孔而松軟的褐煤及煙煤厚煤層比較容易氣化，而薄煤層，含水分多的煤層和無煙煤較難氣化。穩(wěn)定而連續(xù)的煤層，頂?shù)装宓耐笟庑孕∮诿簩拥耐笟庑砸约皟A角超過35的中厚煤層對氣化更為有利。利用氣化去回收報廢礦井的煤柱、邊角煤也是國內(nèi)外氣化的一個方向。 2）煤炭地下氣化發(fā)展動態(tài)煤炭地下氣化作為一種開發(fā)地下煤炭資源的新技術(shù)，將環(huán)境保護的重點放在源頭，而非末端治理，是一項符合可持續(xù)發(fā)展需要的綠色開采技術(shù)，并且具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，必將成為我國潔凈開采技術(shù)研究的重要領(lǐng)域。6.4 適用條件及其發(fā)展方向7 礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)技術(shù)7.1 礦區(qū)廢棄地環(huán)境影響要

35、素分析 礦區(qū)廢棄地是指因采礦活動所破壞的，不經(jīng)過治理而無法使用的土地。就煤礦而言，礦區(qū)廢棄地可分為3種主要類型。 排土場：伴隨著露天煤炭開采，由剝離的表土和分選出的各種固體廢棄物堆積形成的廢棄地(圖7-1)；圖7-1 阜新海州露天礦排土場7 礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)技術(shù) 礦區(qū)廢棄地是指因 采煤沉陷地：井工煤炭開采后，由采空區(qū)域塌陷形成的地表廢棄地(圖7-2)； 矸石山：由井工開采伴隨著煤炭排出的煤矸石固體廢棄物并在地表堆積形成的廢棄地(圖7-3)。 圖7-2 新疆煤田火區(qū)燃燒后引起地面塌陷圖7-3 平煤集團四礦矸石山 采煤沉陷地：井工煤炭開采后，由采空區(qū)域塌陷7.2 礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)的技術(shù)體系1）

36、土地復(fù)墾技術(shù) 排土場復(fù)墾：排土場排棄物料中巖石居多，土壤較少，在巖石層上進行農(nóng)業(yè)復(fù)墾有一點難度，因而排土場主要適用于林業(yè)復(fù)墾，少量用于農(nóng)業(yè)復(fù)墾或其他用途。2）露天礦采場復(fù)墾 露天礦采場的復(fù)墾主要取決于礦床賦存與地形條件，其次與圍巖、表土及當?shù)貙嶋H需要有關(guān)。3）煤礦塌陷地復(fù)墾 對礦區(qū)塌陷地可以實行梯次動態(tài)復(fù)墾，根據(jù)采區(qū)內(nèi)煤層賦存情況，合理布置回采工作面，厚薄煤層交替配采，使地表塌陷呈梯次動態(tài)變化。煤礦塌陷地復(fù)墾技術(shù)可分為充填復(fù)墾與非充填復(fù)墾。4）植被修復(fù)技術(shù) 植物修復(fù)是礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)的一項新興的有潛力的綠色植物技術(shù)。植被恢復(fù)是礦區(qū)復(fù)墾生態(tài)工程最重要的環(huán)節(jié)，主要包括立地評價、整地措施、植物選擇

37、、播種栽植、施肥管理等方面。5）綜合利用與管理技術(shù) 包括農(nóng)業(yè)開發(fā)、林業(yè)開發(fā)、牧業(yè)開發(fā)、漁業(yè)開發(fā)、建筑與休閑娛樂開發(fā)五個方面。7.2 礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)的技術(shù)體系8 發(fā)展前景與工作展望8.1 綠色開采發(fā)展前景1）能源結(jié)構(gòu)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 我國能源工業(yè)經(jīng)過50多年的發(fā)展，已基本形成了以煤炭為主、多種能源互補的能源生產(chǎn)體系。但我國煤炭在一次能源的生產(chǎn)和消費的比重一直占據(jù)第一的位置，分別為75和68左右。 中國的現(xiàn)代化建設(shè)面臨能源問題的嚴重挑戰(zhàn)。由于中國人口、資源、環(huán)境以及經(jīng)濟、科技等因素的制約，能源供應(yīng)長期以來不能滿足經(jīng)濟迅速增長的需要，要解決中國現(xiàn)代化建設(shè)所面臨的能源問題，必須改變依靠大量消費資源

38、、增加能源供應(yīng)來維持經(jīng)濟增長的狀況，采取一條新的非傳統(tǒng)的發(fā)展模式和發(fā)展戰(zhàn)略，即保證持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略。這一新的發(fā)展戰(zhàn)略與發(fā)達國家迥然不同，也有別于其它發(fā)展中國家，其基本思路和主要內(nèi)容如下：8 發(fā)展前景與工作展望 （1）節(jié)能優(yōu)先 靠增加能源供應(yīng)保證經(jīng)濟增長的發(fā)展模式，受資金、資源、環(huán)境等因素的嚴重制約，已經(jīng)越來越行不通了。而消費使用必將加劇能源短缺，削弱資源基礎(chǔ)，延緩現(xiàn)代化進程。此外，中國節(jié)能潛力巨大，實施這一戰(zhàn)略是中國經(jīng)濟持續(xù)、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，也是減少大氣污染和CO2排放的最經(jīng)濟途徑。 （2）改善能源結(jié)構(gòu) 當前中國能源結(jié)構(gòu)存在的主要問題是：煤炭比重過大，水電和天然氣與其潛在的資源量極

39、不相稱；一次能源轉(zhuǎn)換成電能比例和電力占終端能源消費比例太低；工業(yè)用能比例偏高，交通運輸和民用能源比例過低；農(nóng)村生活用能 70依靠生物質(zhì)能源；煤、電、運發(fā)展不協(xié)調(diào)；能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，能源供需的地區(qū)分布極不平衡。 （3）環(huán)境保護與能源同步發(fā)展 目前，燃煤引起的環(huán)境問題已經(jīng)成為嚴重制約中國社會經(jīng)濟發(fā)展的一個因素，在一些重點城市和使用高硫煤的地區(qū)尤為突出。對于中國這樣一個燃煤大國來說，唯一可行的就是大力發(fā)展綠色開采技術(shù)。 （1）節(jié)能優(yōu)先2）煤層氣發(fā)展前景 （1）技術(shù)方面 針對我國煤層滲透性低特點，研究切合實際的開發(fā)技術(shù)。存在的技術(shù)難題是，空氣鉆井技術(shù)、設(shè)備，無繩隨鉆測量技術(shù)沒有突破，長距離定向水平井

40、和羽狀水平井鉆井完井技術(shù)在我國不成熟、鉆井設(shè)備性能較差，煤層氣濃縮分離技術(shù)、低濃度煤層氣利用技術(shù)不成熟。 研究煤層氣井的氮氣泡沫壓裂、CO2泡沫壓裂以及大規(guī)模壓裂技術(shù)，研究支撐劑類型和固砂能力。需要創(chuàng)造出符合我國地質(zhì)和儲層條件的勘探開發(fā)技術(shù)。 （2）社會、環(huán)境、經(jīng)濟效益方面 煤層氣引起的溫室效應(yīng)是CO2的21倍。近年來從煤礦散發(fā)的大量煤層氣造成的大氣污染，在世界范圍內(nèi)已日漸引起重視。據(jù)美國對全球2000m以內(nèi)淺煤層氣資源進行的評估，全球資源量大約為240萬億m3，是常規(guī)天然氣的2倍以上。因此，開發(fā)利用煤層氣資源可以化害為利、變廢為寶，對改善我國能源結(jié)構(gòu)，減少煤礦瓦斯災(zāi)害并提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益

41、，以及保護大氣環(huán)境都具有現(xiàn)實而深遠的意義。 2）煤層氣發(fā)展前景3）潔凈煤開采的發(fā)展前景 潔凈煤技術(shù)是指在煤炭從開發(fā)到利用全過程中，旨在減少污染排放與提高利用效率的加工、燃燒、轉(zhuǎn)化和污染控制等新技術(shù)的總稱。其包括兩個方面的內(nèi)容：煤的潔凈開采和煤的潔凈利用技術(shù)。 （1）技術(shù)方面 潔凈煤技術(shù)的發(fā)展方向包含：減少環(huán)境污染的開采技術(shù)；提高煤炭利用效率的技術(shù)；脫硫、脫氮技術(shù)；煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)；粉煤灰的有效利用技術(shù)等。 （2）社會、環(huán)境、經(jīng)濟效益方面 煤炭的清潔開采技術(shù)是潔凈煤技術(shù)的延伸與擴展，其內(nèi)涵是在生產(chǎn)高質(zhì)量煤炭的同時，采取綜合措施，使煤炭生產(chǎn)過程中伴生的廢棄物對環(huán)境的污染減輕到最低限度。3）潔凈煤開采的

42、發(fā)展前景4）煤炭氣化發(fā)展前景 （1）技術(shù)方面 主要解決氣化過程的控制問題，冒頂問題，地下水進入氣化帶等問題。研究適于煤炭地下氣化的先進燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)；煤炭地下氣化環(huán)境監(jiān)測和防治技術(shù)等。目前應(yīng)集中研究氣化基礎(chǔ)和氣化過程的數(shù)學(xué)模擬，并開發(fā)自動控制軟件包、研究液態(tài)排渣理論、氣化過程污染物如硫化物、氮化物及堿金屬等氣化過程遷移規(guī)律等，研究煤氣高溫除塵脫硫技術(shù)等。 （2）社會、環(huán)境、經(jīng)濟效益方面 煤炭地下氣化是潔凈、高效利用煤炭的先導(dǎo)技術(shù)和主要途徑之一，是燃料電池、煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)等許多能源高新技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和重要環(huán)節(jié)。 我國煤炭地下氣化具有很大的資源潛力，目前1500m以內(nèi)適合地下氣化的煤炭資源量達6244.6億t。美國專家指出，煤炭地下氣化與地面氣化生產(chǎn)同下游產(chǎn)品相比，生產(chǎn)合成氣成本可下降43，生產(chǎn)天然氣代用品成本可下降101