中國的煤礦綠色開采技術

二○○八年十月二十三日中國礦業(yè)大學

繆協(xié)興中國煤礦綠色開采技術主要內容一、煤炭資源環(huán)境與安全問題二、綠色開采技術的基本框架三、煤與瓦斯共采技術四、保水采煤技術五、矸石充填采煤技術一、煤炭資源環(huán)境與安全問題2007年全國煤炭產量煤礦瓦斯災害與瓦斯排放煤礦突水災害與水資源破壞煤矸石的露天排放問題“三下”壓煤問題1.2007年全國煤炭產量2007年全國煤炭產量25.5億噸其中95％以上為井工開采一、煤炭資源環(huán)境與安全問題2.煤礦瓦斯災害與瓦斯排放一、煤炭資源環(huán)境與安全問題中國在地下2000m范圍內具有30~35萬億m3煤層氣資源,每年排放煤礦瓦斯70~190億m3。煤礦瓦斯災害嚴重，2004年底至2005年初，大平煤礦、陳家山煤礦、孫家灣煤礦接連發(fā)生3起一次死亡百人以上特大瓦斯事故。高瓦斯及煤與瓦斯突出低瓦斯

3.煤礦突水災害與水資源破壞我國60%的礦區(qū)為石碳二疊系含煤地層,其中80%受到嚴重的突水危險?，F(xiàn)在，我國每年排出礦井水60億m3左右，只利用25%左右，造成礦區(qū)水源枯竭、水與生態(tài)環(huán)境的破壞。一、煤炭資源環(huán)境與安全問題一、煤炭資源環(huán)境與安全問題

4.煤矸石的露天排放問題我國現(xiàn)有矸石山1600余座，堆積量超過45億t，占地超過15000hm2。目前每年產矸量超過3.5億t。矸石山除了占用大量的土地資源外，還會嚴重污染空氣和地下水，甚至存在爆炸危險。

5.“三下”壓煤問題我國的煤炭資源回收率僅為40%左右，“三下”（村莊下、道路下、水體下）壓煤是其重要根源。新汶礦區(qū)“三下”壓煤高達2.67億噸，占可采儲量的70%多。一、煤炭資源環(huán)境與安全問題二、綠色開采技術的基本框架煤礦綠色開采采動巖體結構運動理論采動裂隙巖體滲流理論煤與瓦斯共采保水采煤矸石充填采煤綠色開采技術框架三、煤與瓦斯共采技術1.瓦斯抽采方法分類2.采動卸壓瓦斯抽采3.煤與瓦斯共采效果采后抽采采前抽采（預抽）采中抽采（邊采邊抽）煤礦瓦斯抽采方法1.瓦斯抽采方法分類三、煤與瓦斯共采技術采前抽采(預抽)鄰近層抽采本煤層抽采地面鉆井抽采穿層鉆孔抽采順層鉆孔抽采交叉鉆孔抽采煤層巷道抽采地面鉆井抽采穿層鉆孔抽采走向巷道抽采傾向巷道抽采水平長鉆孔抽采三、煤與瓦斯共采技術采中抽采(邊采邊抽)掘進工作面抽采回采工作面抽采地面鉆井抽采穿層鉆孔抽采順層鉆孔抽采煤層巷道抽采采空區(qū)埋管抽采巷幫鉆孔抽采迎頭鉆孔抽采相鄰巷道抽采三、煤與瓦斯共采技術采后抽采

采空區(qū)抽采地面鉆井抽采密閉插管抽采密閉鉆孔抽采以上各種方法的組合構成了煤礦瓦斯的綜合抽采三、煤與瓦斯共采技術2.采動卸壓瓦斯抽采三、煤與瓦斯共采技術三、煤與瓦斯共采技術走向高抽巷三、煤與瓦斯共采技術傾向高抽巷三、煤與瓦斯共采技術傾向穿層孔三、煤與瓦斯共采技術頂板走向孔三、煤與瓦斯共采技術地面鉆井三、煤與瓦斯共采技術底板巷穿層鉆孔三、煤與瓦斯共采技術底板巷穿層鉆孔三、煤與瓦斯共采技術中國煤礦瓦斯抽采量的增長情況19652007199519851506004400328陽泉、淮南、水城、盤江、松藻、晉城、撫順、淮北等10個礦業(yè)集團年抽采量超過1億立方米山西、遼寧、安徽、重慶等5個省市年抽采量超過2億立方米3.煤與瓦斯共采效果三、煤與瓦斯共采技術1977年以來全國煤炭產量與死亡人數(shù)三、煤與瓦斯共采技術四、保水采煤技術全礦區(qū)保水采煤分區(qū)與保水對策控制隔水關鍵層結構與滲流穩(wěn)定水資源轉移存儲與綜合利用主要技術特點——以神東礦區(qū)為例1.全礦區(qū)保水采煤分區(qū)與保水對策水文地質結構系統(tǒng)分析與保水分區(qū)圖1礦區(qū)水文地質結構類型分區(qū)四、保水采煤技術5種隔水層結構Ⅰ多層隔水層結構Ⅱ高位隔水層結構Ⅲ低位隔水層結構Ⅳ隔水層側切結構圖2隔水層結構示意圖四、保水采煤技術神東礦區(qū)保水采煤對策表1神東礦區(qū)水資源賦存及保護對策水資源類型賦存條件富水性保水方法和關鍵技術地表水和水源地河谷及其附近第四系含水層強保護區(qū)范圍內限采燒變巖孔洞水燒變巖帶孔洞含水層強側向保水煤柱第四系潛水薩拉烏蘇組含水層弱-強保護隔水關鍵層、轉移存貯等基巖裂隙水直羅組砂巖延安組砂巖裂隙含水層弱常規(guī)開采四、保水采煤技術隔水關鍵層結構與滲流穩(wěn)定性結構穩(wěn)定判據(jù)＜剛度：強度：l1＜ln+1

滲流穩(wěn)定判據(jù)圖34層巖層組成的關鍵層力學模型

2.控制隔水關鍵層結構與滲流穩(wěn)定＜1四、保水采煤技術隔水關鍵層判別流程圖4隔水關鍵層判斷流程圖四、保水采煤技術采動覆巖裂隙演化與滲流規(guī)律

(a)采場推進40m(b)采場推進60m

(a)采場推進40m(b)采場推進60m圖5采動覆巖滲流矢量分布圖圖6采空區(qū)上方垂直滲流速度分布圖四、保水采煤技術(電法、鉆孔法、淺層地震法)表2采動覆巖導水裂隙通道高度工作面編號采高(m)基巖厚度(m)導水裂隙通道高度(m)126104.840～4540～45124043.431～3731～37122014.040～5040～49314015.3120～190105～154采動覆巖導水裂隙通道發(fā)育高度四、保水采煤技術控制隔水關鍵層結構穩(wěn)定(a)第1次視電阻率斷面成像圖(b)第4次視電阻率斷面成像圖圖7高位隔水關鍵層保水開采電測效果（大柳塔12610工作面）四、保水采煤技術控制采動導水裂隙通道閉合圖8導水通道閉合及水位恢復實測曲線（補連塔31401工作面）四、保水采煤技術局部區(qū)域充填支撐技術措施局部充填開采局部降低開采高度技術實施范圍穿越地表水體穿越沖刷溝谷導水裂隙異常發(fā)育四、保水采煤技術發(fā)明頂板水轉移并利用采空區(qū)矸石吸附過濾凈化方法，水質指標達到工業(yè)和農業(yè)用水標準，實現(xiàn)年廢水復用1700萬m3。3.水資源轉移存儲與綜合利用利用采空區(qū)轉移存儲頂板水四、保水采煤技術潔凈水AAA—A礦井水向下伏儲水層轉移頂板水(a)回灌孔(b)觀測孔圖9石圪臺礦回灌孔與觀測孔設計圖四、保水采煤技術（1）提出了神東礦區(qū)水文地質結構的五種類型，即：弱含水區(qū)、泉城水源區(qū)、燒變巖富水區(qū)、無隔水層區(qū)和有隔水層區(qū)五種，并給出了相應的保水采煤技術對策。（2）系統(tǒng)研究給出了神東礦區(qū)開采地質條件下隔水關鍵層的結構與滲流穩(wěn)定性判據(jù)，揭示了覆巖導水裂隙貫通高度與滲流規(guī)律，依此開發(fā)了控制隔水關鍵層結構穩(wěn)定保水采煤、控制采動導水裂隙通道閉合保水采煤和局部區(qū)域充填支撐方式保水采煤等技術。（3）在無覆巖隔水層條件下，開發(fā)了利用采空區(qū)轉移存儲頂板水技術和利用上下含水層壓力差向下伏儲水層轉移頂板水技術。4.主要技術特點四、保水采煤技術五、矸石充填采煤技術1.解決相關問題的思路2.總體技術框架主要技術研究內容主要技術特點1.解決相關問題的思路解決問題的總體思路技術措施矸石直接充填置換“三下”壓煤循環(huán)利用礦區(qū)廢棄物保護礦區(qū)土地與環(huán)境回收“三下”壓煤資源實施目標存在問題傳統(tǒng)辦法實際效果煤矸石的排放露天排放占用土地、污染環(huán)境、爆炸制磚等用量少、產品質量、環(huán)保等問題“三下”壓煤遷村開采噸煤增加成本50元左右，歷史與文化問題條帶開采采出率50%傳統(tǒng)充填開采沒有實現(xiàn)規(guī)模化推廣應用五、矸石充填采煤技術2.總體技術框架矸石直接充填置換“三下”壓煤總體技術框架五、矸石充填采煤技術

項目研究的難點之一

——建立矸石充填開采巖層控制理論巖層移動控制目標充填技術控制目標絕對不移動充入與開采等量的矸石控制移動量建筑物損傷破壞：搬遷建筑物局部損傷：修補建筑物微小損傷：無需修補1.不同矸石充填量對應的地表變形值2.同一矸石充填量對應的地表最大變形值理論上需解決的問題3.主要技術研究內容五、矸石充填采煤技術充填開采頂板下沉等價采高頂板下沉充填開采矸石充填開采等價采高的概念矸石充填開采巖層移動控制穩(wěn)定性判據(jù)Hmax——建筑物變形能承受的最大允許采高。等價采高五、矸石充填采煤技術

矸石的松散與壓實性能自制實驗系統(tǒng)矸石碎脹系數(shù)與壓應力矸石孔隙率與壓應力五、矸石充填采煤技術

矸石充填開采支架工作載荷計算公式pz——充填開采支架載荷；

p——全高開采支架載荷。相似材料模擬系統(tǒng)五、矸石充填采煤技術

矸石充填開采等價采高Hz的理論計算公式H——實際采高；

hz——充填體空頂距（充實率控制參數(shù)）；k——初始壓實系數(shù)（壓實率控制參數(shù)）；

——殘余壓實系數(shù)。矸石充填開采的技術控制指標充實率hz壓實率k五、矸石充填采煤技術技術障礙傳統(tǒng)辦法開采工作面不斷移動采空區(qū)頂板隨采隨垮開采面與采空區(qū)隔離水砂充填——水流為動力風力充填——風流為動力膏體充填——流體為動力1.拆除開采工作面與采空區(qū)之間的隔離屏障2.用同一支護系統(tǒng)掩護采煤與充填并行作業(yè)3.用矸石重力為充填主要動力，加輔助壓實力創(chuàng)新與發(fā)明

項目研究的難點之二

——矸石充入采空區(qū)的空間、通道與動力五、矸石充填采煤技術

綜采矸石充填技術工作面采空區(qū)傳統(tǒng)綜采液壓支架掩護斜梁工作面采空區(qū)綜采矸石充填液壓支架水平短梁五、矸石充填采煤技術

綜采矸石充填原理矸石充填運輸機充填工藝五、矸石充填采煤技術

綜采矸石充填壓實原理綜采矸石充填壓實系統(tǒng)工作原理五、矸石充填采煤技術

綜采矸石充填工作面井下工況前部采煤后部充填五、矸石充填采煤技術普采與充填支護系統(tǒng)

普采矸石充填技術普采與充填工作面布置普采與充填支護系統(tǒng)充填系統(tǒng)普采與充填工作面布置普采矸石充填高速動力拋矸機充填面開采面五、矸石充填采煤技術應用效果實例一比較項目全高開采預計采高2.1m綜采充填預計等價采高0.6m綜采充填實測最大下沉量/mm1580420380最大水平變形/mm/m3.20.80.5建筑物破壞等級ⅡⅠⅠ新汶翟鎮(zhèn)礦村鎮(zhèn)下綜采充填地表移動預計與實測平均采深500m實際采高2.1m等價采高0.6m采出率85%綜采矸石充填地表下沉曲線對比圖

全高開采預計采高2.1m15803.2Ⅱ綜采充填預計等價采高0.6m4200.8Ⅰ綜采充填實測3800.5Ⅰ五、矸石充填采煤技術應用效果實例二比較項目全高開采預計采高1.8m普采充填預計等價采高0.4m普采充填實測最大下沉量/mm1365280257最大水平變形/mm/m3.00.60.3建筑物破壞等級ⅡⅠⅠ普采矸石充填地表下沉曲線對比圖

新汶盛泉礦工廣下普采充填地表移動預計與實測平均采深450m

采高1.8m

等價采高0.