中國(guó)的煤礦綠色開采技術(shù)

二○○八年十月二十三日中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

繆協(xié)興中國(guó)煤礦綠色開采技術(shù)主要內(nèi)容一、煤炭資源環(huán)境與安全問題二、綠色開采技術(shù)的基本框架三、煤與瓦斯共采技術(shù)四、保水采煤技術(shù)五、矸石充填采煤技術(shù)一、煤炭資源環(huán)境與安全問題2007年全國(guó)煤炭產(chǎn)量煤礦瓦斯災(zāi)害與瓦斯排放煤礦突水災(zāi)害與水資源破壞煤矸石的露天排放問題“三下”壓煤?jiǎn)栴}1.2007年全國(guó)煤炭產(chǎn)量2007年全國(guó)煤炭產(chǎn)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(zāi)害與瓦斯排放一、煤炭資源環(huán)境與安全問題中國(guó)在地下2000m范圍內(nèi)具有30~35萬(wàn)億m3煤層氣資源,每年排放煤礦瓦斯70~190億m3。煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)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(zāi)害與水資源破壞我國(guó)60%的礦區(qū)為石碳二疊系含煤地層,其中80%受到嚴(yán)重的突水危險(xiǎn)?，F(xiàn)在，我國(guó)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(guó)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(chǎn)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(huì)嚴(yán)重污染空氣和地下水，甚至存在爆炸危險(xiǎn)。

5.“三下”壓煤?jiǎn)栴}我國(guó)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(dá)2.67億噸，占可采儲(chǔ)量的70%多。一、煤炭資源環(huán)境與安全問題二、綠色開采技術(shù)的基本框架煤礦綠色開采采動(dòng)巖體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)理論采動(dòng)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(shù)框架三、煤與瓦斯共采技術(shù)1.瓦斯抽采方法分類2.采動(dòng)卸壓瓦斯抽采3.煤與瓦斯共采效果采后抽采采前抽采（預(yù)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(shù)采前抽采(預(yù)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(zhǎng)鉆孔抽采三、煤與瓦斯共采技術(shù)采中抽采(邊采邊抽)掘進(jìn)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(shù)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(gòu)成了煤礦瓦斯的綜合抽采三、煤與瓦斯共采技術(shù)2.采動(dòng)卸壓瓦斯抽采三、煤與瓦斯共采技術(shù)三、煤與瓦斯共采技術(shù)走向高抽巷三、煤與瓦斯共采技術(shù)傾向高抽巷三、煤與瓦斯共采技術(shù)傾向穿層孔三、煤與瓦斯共采技術(shù)頂板走向孔三、煤與瓦斯共采技術(shù)地面鉆井三、煤與瓦斯共采技術(shù)底板巷穿層鉆孔三、煤與瓦斯共采技術(shù)底板巷穿層鉆孔三、煤與瓦斯共采技術(shù)中國(guó)煤礦瓦斯抽采量的增長(zhǎng)情況19652007199519851506004400328陽(yáng)泉、淮南、水城、盤江、松藻、晉城、撫順、淮北等10個(gè)礦業(yè)集團(tuán)年抽采量超過1億立方米山西、遼寧、安徽、重慶等5個(gè)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(shù)1977年以來全國(guó)煤炭產(chǎn)量與死亡人數(shù)三、煤與瓦斯共采技術(shù)四、保水采煤技術(shù)全礦區(qū)保水采煤分區(qū)與保水對(duì)策控制隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)與滲流穩(wěn)定水資源轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)與綜合利用主要技術(shù)特點(diǎn)——以神東礦區(qū)為例1.全礦區(qū)保水采煤分區(qū)與保水對(duì)策水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析與保水分區(qū)圖1礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型分區(qū)四、保水采煤技術(shù)5種隔水層結(jié)構(gòu)Ⅰ多層隔水層結(jié)構(gòu)Ⅱ高位隔水層結(jié)構(gòu)Ⅲ低位隔水層結(jié)構(gòu)Ⅳ隔水層側(cè)切結(jié)構(gòu)圖2隔水層結(jié)構(gòu)示意圖四、保水采煤技術(shù)神東礦區(qū)保水采煤對(duì)策表1神東礦區(qū)水資源賦存及保護(hù)對(duì)策水資源類型賦存條件富水性保水方法和關(guān)鍵技術(shù)地表水和水源地河谷及其附近第四系含水層強(qiáng)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)限采燒變巖孔洞水燒變巖帶孔洞含水層強(qiáng)側(cè)向保水煤柱第四系潛水薩拉烏蘇組含水層弱-強(qiáng)保護(hù)隔水關(guān)鍵層、轉(zhuǎn)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(shù)隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)與滲流穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定判據(jù)＜剛度：強(qiáng)度：l1＜ln+1

滲流穩(wěn)定判據(jù)圖34層巖層組成的關(guān)鍵層力學(xué)模型

2.控制隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)與滲流穩(wěn)定＜1四、保水采煤技術(shù)隔水關(guān)鍵層判別流程圖4隔水關(guān)鍵層判斷流程圖四、保水采煤技術(shù)采動(dòng)覆巖裂隙演化與滲流規(guī)律

(a)采場(chǎng)推進(jìn)40m(b)采場(chǎng)推進(jìn)60m

(a)采場(chǎng)推進(jìn)40m(b)采場(chǎng)推進(jìn)60m圖5采動(dòng)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(shù)(電法、鉆孔法、淺層地震法)表2采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙通道高度工作面編號(hào)采高(m)基巖厚度(m)導(dǎo)水裂隙通道高度(m)126104.840～4540～45124043.431～3731～37122014.040～5040～49314015.3120～190105～154采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙通道發(fā)育高度四、保水采煤技術(shù)控制隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)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(guān)鍵層保水開采電測(cè)效果（大柳塔12610工作面）四、保水采煤技術(shù)控制采動(dòng)導(dǎo)水裂隙通道閉合圖8導(dǎo)水通道閉合及水位恢復(fù)實(shí)測(cè)曲線（補(bǔ)連塔31401工作面）四、保水采煤技術(shù)局部區(qū)域充填支撐技術(shù)措施局部充填開采局部降低開采高度技術(shù)實(shí)施范圍穿越地表水體穿越?jīng)_刷溝谷導(dǎo)水裂隙異常發(fā)育四、保水采煤技術(shù)發(fā)明頂板水轉(zhuǎn)移并利用采空區(qū)矸石吸附過濾凈化方法，水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)年廢水復(fù)用1700萬(wàn)m3。3.水資源轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)與綜合利用利用采空區(qū)轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)頂板水四、保水采煤技術(shù)潔凈水AAA—A礦井水向下伏儲(chǔ)水層轉(zhuǎn)移頂板水(a)回灌孔(b)觀測(cè)孔圖9石圪臺(tái)礦回灌孔與觀測(cè)孔設(shè)計(jì)圖四、保水采煤技術(shù)（1）提出了神東礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(yīng)的保水采煤技術(shù)對(duì)策。（2）系統(tǒng)研究給出了神東礦區(qū)開采地質(zhì)條件下隔水關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)與滲流穩(wěn)定性判據(jù)，揭示了覆巖導(dǎo)水裂隙貫通高度與滲流規(guī)律，依此開發(fā)了控制隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定保水采煤、控制采動(dòng)導(dǎo)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(shù)。（3）在無覆巖隔水層條件下，開發(fā)了利用采空區(qū)轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)頂板水技術(shù)和利用上下含水層壓力差向下伏儲(chǔ)水層轉(zhuǎn)移頂板水技術(shù)。4.主要技術(shù)特點(diǎn)四、保水采煤技術(shù)五、矸石充填采煤技術(shù)1.解決相關(guān)問題的思路2.總體技術(shù)框架主要技術(shù)研究?jī)?nèi)容主要技術(shù)特點(diǎn)1.解決相關(guān)問題的思路解決問題的總體思路技術(shù)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(hù)礦區(qū)土地與環(huán)境回收“三下”壓煤資源實(shí)施目標(biāo)存在問題傳統(tǒng)辦法實(shí)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(chǎn)品質(zhì)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(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V應(yīng)用五、矸石充填采煤技術(shù)2.總體技術(shù)框架矸石直接充填置換“三下”壓煤總體技術(shù)框架五、矸石充填采煤技術(shù)

項(xiàng)目研究的難點(diǎn)之一

——建立矸石充填開采巖層控制理論巖層移動(dòng)控制目標(biāo)充填技術(shù)控制目標(biāo)絕對(duì)不移動(dòng)充入與開采等量的矸石控制移動(dòng)量建筑物損傷破壞：搬遷建筑物局部損傷：修補(bǔ)建筑物微小損傷：無需修補(bǔ)1.不同矸石充填量對(duì)應(yīng)的地表變形值2.同一矸石充填量對(duì)應(yīng)的地表最大變形值理論上需解決的問題3.主要技術(shù)研究?jī)?nèi)容五、矸石充填采煤技術(shù)充填開采頂板下沉等價(jià)采高頂板下沉充填開采矸石充填開采等價(jià)采高的概念矸石充填開采巖層移動(dòng)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(jià)采高五、矸石充填采煤技術(shù)

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

矸石充填開采支架工作載荷計(jì)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(shù)

矸石充填開采等價(jià)采高Hz的理論計(jì)算公式H——實(shí)際采高；

hz——充填體空頂距（充實(shí)率控制參數(shù)）；k——初始?jí)簩?shí)系數(shù)（壓實(shí)率控制參數(shù)）；

——?dú)堄鄩簩?shí)系數(shù)。矸石充填開采的技術(shù)控制指標(biāo)充實(shí)率hz壓實(shí)率k五、矸石充填采煤技術(shù)技術(shù)障礙傳統(tǒng)辦法開采工作面不斷移動(dòng)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(dòng)力風(fēng)力充填——風(fēng)流為動(dòng)力膏體充填——流體為動(dòng)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(hù)系統(tǒng)掩護(hù)采煤與充填并行作業(yè)3.用矸石重力為充填主要?jiǎng)恿?，加輔助壓實(shí)力創(chuàng)新與發(fā)明

項(xiàng)目研究的難點(diǎn)之二

——矸石充入采空區(qū)的空間、通道與動(dòng)力五、矸石充填采煤技術(shù)

綜采矸石充填技術(shù)工作面采空區(qū)傳統(tǒng)綜采液壓支架掩護(hù)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(shù)

綜采矸石充填原理矸石充填運(yùn)輸機(jī)充填工藝五、矸石充填采煤技術(shù)

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

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(shù)普采與充填支護(hù)系統(tǒng)

普采矸石充填技術(shù)普采與充填工作面布置普采與充填支護(hù)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(dòng)力拋矸機(jī)充填面開采面五、矸石充填采煤技術(shù)應(yīng)用效果實(shí)例一比較項(xiàng)目全高開采預(yù)計(jì)采高2.1m綜采充填預(yù)計(jì)等價(jià)采高0.6m綜采充填實(shí)測(cè)最大下沉量/mm1580420380最大水平變形/mm/m3.20.80.5建筑物破壞等級(jí)ⅡⅠⅠ新汶翟鎮(zhèn)礦村鎮(zhèn)下綜采充填地表移動(dòng)預(yù)計(jì)與實(shí)測(cè)平均采深500m實(shí)際采高2.1m等價(jià)采高0.6m采出率85%綜采矸石充填地表下沉曲線對(duì)比圖

全高開采預(yù)計(jì)采高2.1m15803.2Ⅱ綜采充填預(yù)計(jì)等價(jià)采高0.6m4200.8Ⅰ綜采充填實(shí)測(cè)3800.5Ⅰ五、矸石充填采煤技術(shù)應(yīng)用效果實(shí)例二比較項(xiàng)目全高開采預(yù)計(jì)采高1.8m普采充填預(yù)計(jì)等價(jià)采高0.4m普采充填實(shí)測(cè)最大下沉量/mm1365280257最大水平變形/mm/m3.00.60.3建筑物破壞等級(jí)ⅡⅠⅠ普采矸石充填地表下沉曲線對(duì)比圖

新汶盛泉礦工廣下普采充填地表移動(dòng)預(yù)計(jì)與實(shí)測(cè)平均采深450m

采高1.8m

等價(jià)采高0.