煤礦綠色開采的內涵與技術體系(圖文)

1、煤礦綠色開采的內涵與技術體系(圖文)    錢鳴高1，許家林1，繆協(xié)興2(1.中國礦業(yè)大學 能源科學與工程學院，江蘇 徐州221008; 2.中國礦業(yè)大學 理學院，江蘇 徐州221008)摘要:提出了煤礦綠色開采的概念，闡述了它的內涵和技術體系.綠色開采的理論基礎為:開采后巖層中的關鍵層運動形成的節(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.綠色開采技術的主要內容包括: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、煤巷支護與部分殲石的井下處理、煤炭地下氣化等.關鍵詞:綠色開采;關鍵層理論;巖層移動;綠色開采技術體系中圖分

2、類號:TD 82文獻標識碼:A1煤礦綠色開采的提出黨的十六大報告明確提出“走出一條科技含量高，經濟效益好，資源消耗低，環(huán)境污染少，人力資源優(yōu)勢得到充分發(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短缺，環(huán)境比較脆弱的基本特點，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)經濟(recycling economy)是指遵循自然生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動規(guī)律重構經濟系統(tǒng)1，將經濟活動高效有序地組織成一個“資源利用-綠色工業(yè)-資源再生”的封閉型物質能量循環(huán)的反饋式流程，保持經濟生產的低消耗、高質量、低廢棄，從而將經濟活動對自然環(huán)境的影響破壞減少到最低程度.它

3、不同于傳統(tǒng)經濟的“高開采、低利用、高排放”，而是達到“低開采、高利用、低排放”的可持續(xù)發(fā)展目標.顯然，此處的“綠色工業(yè)”是廣義的概念，應由各個工業(yè)部門去實現(xiàn).對礦業(yè)來說就是要實現(xiàn)“綠色礦業(yè)”.“綠色礦業(yè)”的核心內容之一就是要實現(xiàn)“綠色開采”煤炭開采形成的環(huán)境問題主要為:1)對土地資源的破壞和占用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.2)對水資源的破壞和污染煤炭開采過程中，進行的人為疏干排水和采動形成的導水裂隙對煤系含水層的自然疏干，破壞了地下水資源.同時開采還可能污染地下水資源.3)對大氣環(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還嚴重的溫室氣體，也是導致煤礦重大安全事故的根源.據初步估計，我國2 000 m淺范圍內具有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達2 356人，為煤礦總死亡人數的40%.煤礦每年排放瓦斯70-190億m³.同時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”已迫在眉睫.2綠色開采的內涵與技術體系從廣義資源的角度論，在礦區(qū)范圍內的煤炭、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，都應該是經營這個礦區(qū)的開發(fā)對象而加以利用.而原來對礦井瓦斯的定義是:“礦井中主要由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體”.而在礦井水文地質類型劃分中認為:“根據礦井水文地質條件、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待是不合適的.煤礦綠色開采以及相應的綠色開采技術，在基本概念上是從廣義資源的角度上來認識和對待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各種資源;基本出發(fā)點是防止或盡可能減輕開采煤炭對環(huán)境和其他資源的不良影響;目標是取得最佳的經濟效益和社會效益.根據煤礦中土地、地下水、瓦斯以及

6、矸石排放等，綠色開采技術主要包括以下內容:1)水資源保護-形成“保水開采”技術;2)土地與建筑物保護-形成離層注漿、充填與條帶開采技術;3)瓦斯抽放-形成“煤與瓦斯共采”技術;4)煤層巷道支護技術與減少殲石排放技術;5)地下氣化技術.這些內容構成的綠色開采技術體系簡要表達如圖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動有關(巖體不破壞上述問題都不會發(fā)生)，因此，綠色開采的重大基礎理論為:1)采礦后巖層內的“節(jié)理裂隙場”分布以及離層規(guī)律;2)開采對巖層與地表移動的影響規(guī)律;3)水與瓦斯在裂隙巖體中的滲流規(guī)律;4)巖體應力場分布規(guī)律及巖層控制技術.3巖層控制的關鍵層理論采場老頂

7、巖層“砌體梁”結構模型是針對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鍵層理論2-4.關鍵層理論提出的目的是為了研究覆巖中厚硬巖層對層狀礦體開采中節(jié)理裂隙的分布及其對瓦斯抽放與突水防治以及對開采沉陷控制等的影響.3.1相鄰硬巖層間相互作用的復合效應關鍵層復合破斷研究表明，一定條件下相鄰兩層關鍵層會同步破斷.如假設相鄰兩關鍵層巖性相同，厚度分別為h1，h2，各自承擔的巖層組厚度分別為h2,h3，則按梁的破斷距計算公式可導出h1與h2同時垮落應滿足的條件為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將同時垮落.此時，雖然h2遠大于h1，但上部關鍵層將不會產生離層.3. 2關鍵層初次破斷前的離層與采動裂隙“O”形圈1)沿工作面推進方向，關鍵層下離層動態(tài)分布呈現(xiàn)兩階段發(fā)展規(guī)律:即關鍵層初次破斷前，隨著工作面推進，離層量不斷增大，最大離層位于采空區(qū)中部.關鍵層初次破斷后，關鍵層在采空區(qū)中部離層趨于壓實，而在采空區(qū)兩側仍各自保持一個離層區(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)，稱之為采動裂

9、隙“O”形圈. 2)沿頂板高度方向，隨工作面推進離層呈跳躍式由下往上發(fā)展.首先，第1層亞關鍵層下出現(xiàn)離層，當其破斷后其下離層呈“O”形圈分布;此時，上部第2層亞關鍵層下出現(xiàn)離層，當其破斷后其下離層呈“O”形圈分布，如此發(fā)展直至主關鍵層.3)貫通的豎向裂隙是水與瓦斯涌人工作面的通道，對“導氣”裂隙發(fā)育動態(tài)過程的研究表明，在開采初期，下位關鍵層的破斷運動對“導氣”裂隙從下往上發(fā)展的動態(tài)過程起控制作用，導氣裂隙高度由下往上發(fā)展是非均速的，隨關鍵層的破斷而突變.當采空區(qū)面積達一定值后，“導氣”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.上述成果對對“

10、注漿減沉”及“卸壓瓦斯抽放”的鉆孔布置起指導作用.3.3關鍵層對地表移動的影響4綠色開采技術的主要內容4.1開采對地下水分布的影響煤層開采后，隨著關鍵層的破斷，在該區(qū)域內地下水將形成下降漏斗.地下水位能否恢復，則決定于隨著工作面的推進，上覆巖層中是否有軟弱巖層(事實上它是研究地下水滲漏的“關鍵層”)經重新壓實導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給，下降漏斗也將隨之消失.它對地面生態(tài)的影響則決定于漏斗形成與消失的時間間隔.淮北礦區(qū)沖積層中的第四含水層(簡稱四含)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40 km&

11、#178;，造成了四含水資源的永久破壞.以臨渙礦西風井85-02四含水文觀測孔為例，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.實際觀測表明，含水層的水位下降與開采形成的導水裂隙通道緊密相關.圖4為淮北朱仙莊礦84-15四含水文觀測孔水位變化曲線，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，導致了鉆孔水位的急劇下降.黃縣煤礦在進行含水砂層下采煤試驗中，在1201面沿走向布置一組觀測鉆孔，在回采前后及整個回采過程中進行了為期一年的水位觀測，結果如圖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.由圖5可見，孔1水位短暫變化后水位恢復原狀，而孔2，孔3，孔4，孔5的水位下降后有所恢復，但在觀測期未能恢復原狀，而孔6則完全漏失了.因此，為了保護地下水資源，形成的保水開采技術應能使地下水位僅發(fā)生孔1所示的變化.  4.2建筑物下采煤與減沉技術1)基于關鍵層理論的建筑物下采煤設計新原則基于巖層控制的關鍵層理論提出，可將保證覆巖主關鍵層不破斷失穩(wěn)作為建筑物下采煤設計的基本原則.為了保證建筑物下采煤既具有較好的經濟效益，同時又確保地面建筑物不受到損害，關鍵在于根據具體條件下覆巖結構與關鍵層特征來研究確定合理的減沉開采技術及參數.2)離層注漿減沉技術確定覆巖中的關

13、鍵層位置，掌握其離層與破斷特征參數，是注漿減沉技術應用可行性分析、鉆孔布置與注漿工藝設計及減沉效果評價的基礎7.關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;而一旦關鍵層初次破斷后，關鍵層下離層量明顯變小，僅為關鍵層初次破斷前的1/3-1/4(參見圖2)，注漿難度增加.因此，離層注漿必須在關鍵層臨初次破斷前進行.鉆孔布置及最佳的注漿減沉效果應保證關鍵層始終不發(fā)生初次破斷.4.3采空區(qū)充填開采技術采空區(qū)充填開采技術是綠色開采技術的重要組成部分，尤其在經濟發(fā)達地區(qū)解決建筑物下開采更應受到重視.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偏高，限制了該

14、項技術在煤礦的試驗與應用.4.4煤與瓦斯共采我國煤層普遍具有變質程度高、滲透率低和含氣飽和度低的特點，70%以上煤層的滲透率小于1× 10-3m²，這對我國開展煤層瓦斯采前預抽是極為不利的.正因為如此，我國已鉆的200多口采前地面煤層氣井中，穩(wěn)產高產井很少，單井產量超3000 m³/d的也只有約30口8.實踐表明，一旦煤層開采引起巖層移動，即使是滲透率很低的煤層，其滲透率也將增大數十倍至數百倍，為瓦斯運移和抽放創(chuàng)造了條件.因此若在開采時形成采煤和采瓦斯兩個完整的系統(tǒng)，即形成“煤與瓦斯共采”技術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

15、，利用巖層運動的特點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”技術方面，巖層運動中的關鍵層理論所得出的節(jié)理裂隙場分布、離層規(guī)律將對上鄰近層瓦斯動態(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有重要參考作用9.4.5煤巷支護技術與減少矸石排放矸石不上井涉及到煤巷維護問題，而且隨著采深的增加，巖石巷的開掘將不可避免.因此矸石不上井就存在一個研石井下處理系統(tǒng)，結果是成本如何?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單得多.應該說，在經濟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懇一樣是環(huán)

16、境治理問題，不屬于綠色開采技術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.它是將地下煤炭通過熱化學反應在原位將煤炭轉化為可燃氣體的技術，是對傳統(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環(huán)境的污染和煤炭燃燒對生態(tài)環(huán)境的不利影響和危害.5結語綠色采礦首先要將巖層運動對工作面的影響轉為研究開采后巖層運動對巖體內形成空隙的影響，以及瓦斯、地下水的滲流規(guī)律.另外，幾個重要標志是:1)將瓦斯作為資源，變害為利，在采煤的同時形成地面或井下瓦斯共同開采系統(tǒng);2)根據巖層的組成，確定保水采煤的地層判別以及相宜的開采方法;3)根據具體條件，形成充填、條帶開采、離層區(qū)

17、注漿等保護建筑物及地表的技術;對東部發(fā)達地區(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是科學研究的方向;4)形成在煤層內維護巷道的技術，減少矸石排放量;5)形成煤炭地下氣化技術，并研究其對地下水環(huán)境的影響.參考文獻:1中國科學院可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略組.中國現(xiàn)代化進程戰(zhàn)略構想M.北京:科學出版社，2002.2錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制中的關鍵層理論研究J煤炭學報，1996,21(3):225-230.3許家林.巖層移動與控制的關鍵層理論及其應用 D.徐州:中國礦業(yè)大學，1999.4錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關鍵層理論 M.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2000.5許家林，錢鳴高.關鍵層運動對覆巖及地表移動影響