绿色开采论文

1、中国煤炭资源减沉开采技术进程与现状摘要煤炭是我国主要的能源物质，在未来的发展中，煤炭在我国主体能源中地位不会发生改变。我国大部分的煤炭资源主要依靠井工开采的方式进行开采， 垮落式顶板菅理在促进经济发展的同时，也带来了严重的环境问题。煤矿开采过 程中造成了地下水流失和土地塌陷等问题，不仅污染了生态环境，而且也影响了 社会的和谐稳定。为了解决以上的问题，我国在煤炭的减沉开采方面取得了较好 的成效。减沉开采主要包括：条带开采、充填开采、部分充填开采。关键词：减沉开采条带开采充填开采部分充填开采1、减沉开采的必要性及意义地下能源开采、工程施工以及地下水的过分抽取等等都会对地下空间造成破 坏从而影响到地

2、层原有的应力平衡。应力平衡遭到破坏以后就会对地下岩体产生 一定程度一定方向的压力，压力过大时就会引起岩石破碎，这就造成了地层的变 形和移动。当岩层的变形断裂严重到一定程度时就会引起地面的塌陷，引起地面 塌陷的地层运动形式有很多，但是地下能源的开采所造成的影响是最大的。1）对土地生态环境及地表建筑物的影响：井工开采引起地表裂缝、台阶下沉、塌陷坑及滑坡破坏。地面沉陷对土地生 态环境的影响首先体现在对土地耕作条件以及土层完整性的破坏上，地表沉陷所 带来的地表裂缝不仅会对耕作产生影响还会加速土壤的侵蚀。另一方面，地表的 沉陷会破坏原有的地形地貌，以致毁坏其上的自然景观，使区域环境的整体性以 及美观都遭

3、受很严重的影响。若在村庄与铁路、道路下采煤引起地表沉陷，还会 对人们的生活和国民经济造成重大的影响。2）对水生态环境的影响：地表沉陷裂缝会在一定程度上影响到地表径流以及大气降水的情况，裂缝会 使地表径流的水资源渗人到地下，不仅会影响到地表的水循环状况，严重时还会 使河流湖泊干涸，这就对地表水资源的运用带来不利影响。再者裂缝和沉陷还会 沟通煤层上覆各含水层，这就会使地下水以及地表水资源进一步下渗，从而引起 干涸。3）对陆地生态系统的影响：地表沉陷还会破坏到地表植被，这主要表现在对植被的数量、密度、覆盖率 等等层面的破坏，这些情况严重时都会造成植物群落结构的不平衡，使其物种的 多样性遭到破坏进而使

4、生态形同变得更加脆弱。由此可见，减沉开采对矿区的经济发展和社会稳定会产生很大的影响，是现阶段 国内矿区所面临的的一个急需解决的重大问题。2、地表及岩层移动规律和机理1）地表移动和破坏的形势：地表移动盆地：当工作面推进长度达到一定值时，开采影响波及地表，使地表产 生移动和变形，在采空区上方的地表将逐渐形成一个比采空区面积大的沉陷区 域，这种地表沉陷区域成为地表移动盆地。裂缝与台阶：在地表移动盆地外边缘区，地表经常出现裂缝。塌陷坑：急倾斜煤层开采时，煤层露头处附近地表往往呈现出严重的非连续性破 坏，形成漏斗状塌陷坑。2)关键层理论：由于成岩时间及矿物成分不同，煤系地层形成了厚度不等、强度不同的多层

5、 岩层.总体上分为表土层与基岩两部分表土层段多为松散砂土质.与基岩段相 比具有不同的变形移动特性。基岩段是由厚度不等、强度不同的岩层相间组成。 实践表明，其中一层全数层厚硬岩层在岩层移动中起主要的控制作用 将对采场 上覆岩层局部或直至地表的全部岩体起控制作用的岩层称为关键层.前者称为亚 关键层.后者称为主关键层岩层控制关键层理论的提出为岩层移动与开采沉陷 的深入研究提供了理论平台，从关键层理论观点来看.地表下沉是覆岩主关键层 与表土层耦合的结果研究覆岩主关键层对地表沉陷影响规律和对开采沉陷的预 测和控制具有重要的实践和理论意义。3、减沉开采的各项技术现状条带开采：重要性：全国建筑物下压煤量就达

6、87. 6亿t，占“三下”压煤总量的63. 5% .居“三 下”压煤量之首。建筑物下压煤开采已成为矿区面临的主要问题。建筑物下采煤 问题的关键是控制地表沉陷，控制地表沉陷的方法主要有充填开采、条带开采、 离层注浆等。由于充填开采成本高等原因，目前在我国应用较少。离层注浆是近 年来发展起来的新方法，在国内应用也不广泛。所以主要还是采用条带开采来解 决建筑物下采煤的问题。概念：条带开采方法是将被开采的煤层划分成若干条带，采一条，留一条，使留下 的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，能够较好地控制或减小地表移动和变形。适用条件：地面为密集建筑群、结构复杂建筑物或纪念性建筑物下采煤：难以搬迁或无 处搬迁的

7、村庄压煤；铁路桥梁、隧道、或铁路干线下采煤：水体下采煤以及受岩 溶承压水威胁的煤层开采：地面排水困难；煤层埋藏深度在400500m以内，单 一煤层。厚度比较稳定，顶底板岩层和煤层较硬，断层少。机理：采用条带法开采时，由于开采条带尺寸比较小，在采空区上方形成的垮落和 断裂带范围和高度较小，由于有条带煤柱的隔离和支撑作用，各开采条带上方的 垮落、断裂带互不连通，不能形成整体的垮落、断裂带，因而采空区上方绝大部 分岩体仍处于整体状态，在条带采空区上方形成卸压区。但由于条带的采出，破 坏了上覆岩层的原始应力状态，条带采空区上方岩层的重力转移到两侧条带煤柱 上方，达到新的应力平衡，条带煤柱上方的应力相当

8、于原始应力加上开采后的附 加应力，因而使得条带煤柱上方一定范围的岩层处于增压区。原始自然状态下的 岩体内有节理、裂隙、层理等空隙和弱面，当岩体受到附加应力作用后，可使裂 隙减小或闭合。这种减小或闭台就使整体岩层体积减小，表现为压缩变形。各岩 层内节理、裂隙的减小或闭合值累加起来，即各岩层的压缩变形累加，构成了覆 岩的下沉。这种累积效应使得覆岩沉降量由下往上逐渐增加，全地表最大。（5）条带开采设计的一般原则：一般情况下，条带开采设计时应遵循以下原则：地表允许变形原则：即条带 采出后，地表能形成单一均匀的下沉盆地。地表产生的变形值要小于建筑物允许 的变形值。回采率原则：根据条带开采的经验，条带采宽

9、应不使地表出现波浪下 沉盆地而呈现单一平缓的下沉盆地，采出条带宽度一般为H/4H / 10（H为采深）。 在相同采出率的条件下，增大条带开采的宽度可提高条带开采的效率。据此提出 了允许地表非统一下沉盆地的宽条带设计理念。宽条带开采技术充分利用了盆地 范围使变形分散.实现在控制变形的条件下提高条带开采宽度的目的。在此基 础上，还提出了宽条带全柱开采技术。还有人提出了条带开采一注浆充填固结采 空区一剩余条带开采的三步法开采沉陷控制的新思路。（6）条带开采的应用：龙固煤矿建筑物下条带开采的应用：龙固煤矿东三采区西部焦化厂二期工程下8煤层进行条带开采，采用地表移动变 形预测模型对8煤层开采引起的地表移

10、动变形进行预计，并对开采方案进行优化。 以焦化厂焦炉的抗变形指标进行开采设计，提出三个方案，为了掌握地表沉陷现 状，采用开采沉陷预计的方法。本区的地表移动和变形预计采用概率积分法预测 模型。根据概率积分法预测模型预测龙固煤矿东三采区8煤层开采时对地面造成 的影响，为能够达到焦化厂焦炉的抗变形指标，对工作面开采时对地面造成的变 形最大值进行预计，在充分采动时，各项变形指标如下：地表最大下沉值W。 二mqcosa；最大倾斜值i。=W。/ r,最大曲率值K。=1. 52W/r ；最 大水平移动U。=8 W。； 最大水平变形值o=1. 52 bWo/r。2012年3月开始进行东三采区开采，严格按照设计

11、的工作面进行开采，同时在地 面布置观测站，依次开采了8110、8106、8108、8112、8116五个工作面，对地表 变形、地貌和建筑物进行长期观察，未发现地表、焦炉裂隙、裂缝，无明显下沉 变化。2）充填开采：（1）重要性：传统的开采不仅占用土地，有的还会产生有害气体，从而引发地下水的污染 和破坏，对矿区的环境造成了严重的污染。据统计，目前煤砰石的堆积经达到40 多亿吨，而且每年还在以三亿吨的速度增加，对土壤造成了严重的污染。由于我 国的人口众多，资源的消耗量比较大，我国地表的煤砰石已经接近了百亿吨，所 占土地的面积也特别的巨大，造成了土地的极大浪费。通过实施充填开采，不仅 可以使砰石不升井

12、，不上山，而且还可以减少地面砰石和建筑垃圾。这种方法能 够节约大量土地，并可以有效的减轻地层的变动，保护水资源，预防环境问题的 发生，实现矿区的可持续发展。传统的开采方式容易出现瓦斯大量涌出、采空区 起火的现象，从而引发煤矿事故。充填开采能够减少井下瓦斯的积聚空间，以此 来降低瓦斯爆炸和突发事故的发生概率。另外，充填开采也可以减小煤层顶板的 下沉量，以此来减少煤层顶板的下沉量，降低回采工作面的支撑压力。所以，充 填开采可以有效提高矿井的安全程度并预防安全事故的发生。充填开采可以有效 的利用我国的煤炭资源，并目也可以有效的进行煤炭的回收，以此来提高我国煤 炭的开发。（2）概念：充填开采就是利用外

13、来材料如砰石、砂子、粉煤灰等物料充填采空区，达到 控制岩层移动及地表沉陷的目的。机理：（1）采空区充填可以有效地缓解采煤引起的矿山压力显现采空区充填可以有效缓解采煤引起的矿山压力显现，将其所承受的采动压力的一 部分由周围的煤岩体转移到填充体上，有效分散采动影响压力，减小应力集中。 同时，充填开采也可以有效抑制顶板下沉和底板隆起。（2）采空区充填可以减少采动影响造成的顶板导水裂隙高度和底板的破坏深 度。全部垮落法管理顶板的采煤方式，其上覆岩层遭到破坏程度随采厚的增加而增 加。充填开采的采空区在充填及时、足量的情况下，可以做到不形成垮落带，导 水裂隙带的高度也大大减小。（3）采空区充填可以减少地表

14、移动和破坏根据开采沉陷规律可知，地表移动变形和开采厚度有直接关系，采厚越小，地表 下沉越小，反之，地表下沉越大。充填采空区后，相当于减小了开采煤层的厚度 ，故可以减小地表移动和破坏。（3）充填开采的主要方法及其优缺点：（1）固体充填开采法固体充填开采法是将固体充填材料经过相应的处理后，采用专门的系统运 送，最后进行充填的方法。其中固体充填材料一般为煤砰石、粉煤灰或者固体废 弃物。充填材料为破碎后的煤砰石或固体废料，或加煤灰、黄土等材料。根据充 填动力来划分，砰石充填方法目前主要包括人工充填、自溜充填、风力充填、机 械充填，充填材料以煤砰石为主。机械化砰石充填适应性强，应用较为广泛。目 前，砰石

15、充填开采可以实现采煤与充填的同步作业，且充填系统不影响采煤与运 煤布置，一般为了连续高效开采，须布置一个充填运输系统。一般，由专用的充 填刮板输送机和对应的液压支架组成充填主体装备。充填输送机中部溜槽内设置 溜砰孔。在溜砰帮上增设带插板的插槽，以控制砰石的充填顺序和范围。刮板 机上链运输砰石充填，下链推平砰石。进行充填时，每次打开两个溜砰孔，自 下而上地进行充填。采空区充填完毕后，随工作面采煤机割煤及支架推移进入下 一个循环。为了减少充填砰石的压缩量以实现更好的减沉效果，支架后部增设了 液压夯实装置。该技术将井下砰石充填于采空区，具有充填系统简单，机械化程度较高，装备投 资较少，回采率较高的优

16、点；其充填效果好，尤其对地面建筑物的保护效果非常 好；而且保护了环境，促进了资源的综合利用；还有效提高了安全开采程度。充 填开采工艺可以减轻采动影响，同时采空区已全部或部分充实，很大程度上减轻 了水患和顶板问题。充填材料填满采空区使得瓦斯等气体不能有效集聚。进而可 以杜绝采空区的自然发火。但砰石充填的密实度相对较低，控制效果不佳。膏体充填开采法膏体充填开采就是把煤砰石、粉煤灰等在地面加工制作成牙膏状浆体，通过 管道输送到井下，适时充填采空区的开采方法。其特点如下：充填与采煤在同一 个工作面；充填材料凝固时间较长；一般以煤砰石等材质较差的原料为充填体。 其系统一般由制料系统、输送系统、监控系统、

17、所需处充填系统组成。其中支架 采用ZC3800 / 15. 5 / 28. 5型专门的充填支架。似膏体充填系统则是由原料破碎 系统、输送系统、混合系统、检测控制系统、管路系统等组成。膏体充填由于料浆具有很好的流动性，膏体密实度高而利于充填、支护。故其对 上覆岩层移动与地表沉陷的控制效果较好。但其充填系统初期投资较高。充填材 料凝固时间太长会影响工作面的生产；时间太短则充填系统一旦发生故障，充填 料将堵塞管道，不易维修。该方法已经被峰峰矿区等地采用。并取得良好效果。高水充填开采法高水速凝固结材料(简称高水材料)是一种胶凝材料，由A、B两种材料以特定 比例混合配制成固水能力强、流动性强、凝固速度快

18、的浆液，这种浆液在短时间 内凝结成高含水固体。高水材料充填系统主要由上料搅拌系统、泵压管路输送系 统和混合系统组成。系统可以选用国内系列生产制浆系统NJ72-4D1200型浆体充 填生产线；充填泵选用TBW 一1200 / 7B型充填泵。使用时，A、B分别配制，然 后经过缓冲池之后，通过管路送至工作面混合，最终注入采空区。与其他充填技 术相比，该技术具有以下优点：充填介质中，固体材料用量少，可以有效减轻矿 山购买所需材料的压力；同时，充填系统简单；充填浆料具有较好的流动性，极 少发生堵管现象。但该技术的缺点整体稳定性较差，相比较其他充填介质抗风化 能力较差。垃圾充填开采法垃圾充填开采是一种新兴

19、充填开采法，该方法是将各类垃圾经过必要的处理 并通过相应的设备转化为充填材料，然后进行充填作业。城市垃圾有污染水体和 大气、占用和污染土地、传播疾病等危害。城市垃圾的处理方式：填埋处理、堆 肥处理、焚烧处理。垃圾充填的方法既能减少环境的破坏与污染，又能减少采 空区沉陷，综合利用资源，符合循环经济模式，具有较好的实际意义。部分充填开采法部分充填开采法，相较于全部充填开采定义的，该方法是充填部分采空区域， 同时借助上层覆岩结构和支撑煤柱来减缓地表沉降。部分充填与全部充填存在本 质不同，前者是通过上覆岩层结构、充填材料以及部分各类煤柱来实现支撑上覆 岩层；后者只是单一依靠充填体形成结构来支撑。其最突

20、出的特点是：充分利用 上覆岩层本身的力学构造来承载部分压力，一定程度上减少了充填量。部分充填 开采法的优势是降低成本，并且提高矿山效益。(1)概念：部分充填开采是相对于全部充填开采而言的，其充填量和充填范围仅是采出 煤量的一部分，它仅对采空区的局部或离层区和冒落区进行充填，靠覆岩结构、 充填体及部分煤柱共同支撑覆岩控制的开采沉陷。全部充填法充填的位置只是采 空区，而部分充填法的位置可以是采空区、离层区或冒落区。（2）矿井冒落区注浆充填技术（1）随冒随充工艺技术此工艺是把充填管道布置到采煤工作面冒落区底板，充填管随着工作面的推 进拖动前移，在顶板冒落砰石还没有压实前把非砰石空隙，以减少覆岩和地表

21、变 形七此工艺还能在相邻工作面巷道布置钻孔，在工作面后方冒落区注浆。在随冒 随充的充填工作面应在支架靠采空区的一侧构筑能滤水的柔性模板，起隔离的作 用，防止冒落区浆体流人采煤工作面。这种工艺方案的优点是：充填工作面不用 布置专用充填巷道和钻孔，施工量较少，工艺简单，冒落区充填容易，效果较佳。 这种工艺的缺点是：工作面采用仰采，充填与采煤干扰比较大，工作面脱水隔离 设施复杂。（2）条带开采冒落区封闭集中注浆充填工艺冒落条带集中充填方案的实施过程和顺序为：从低向高开采，先采相对低的 条带，再对较低条带实施封闭；利用较高的相邻条带机巷施工充填钻孔，向已开 采条带冒落区充填粉煤灰等料浆，接着采出第二条

22、带，利用第三条带机巷向第二 条带冒落区充填粉煤灰等；再采出最上部的条带，要在上方煤柱内部打一条巷道 向第一条带冒落区充填粉煤灰。采用条带开采充填法的冒落区与长壁开采垮落法 的冒落区被压实的情况，在冒落区内粉煤灰水力自流充填作业方便可行。（3）离层区注浆充填开采技术向离层空隙中高压注入灰浆是利用较软岩层中的黏土质成分遇水崩解膨胀 的特性，使岩层压裂充水后崩解，体积增加，充填离层空隙还利用灰浆中的固 结成分充填离层空隙限制或减少上覆岩层的弯曲，抑制地表的沉陷量、范围和速 度。离层带注浆减沉的主要作用机理是支撑、压实，减缓地表破坏程度。（4）覆岩离屡分区啊离注浆充填开采技术针对离层区注浆充填没有实现建筑物下采煤的问题，组合注浆充填与条带开 采技术，覆岩离层分区隔离注浆充填开采技术。按照关键层初次破断前允许的极 限跨距确定工作面的合理长度，通过留设一定宽度自身稳定的分区隔离煤柱隔离 各个工作面，使工作面上方的关键层保持稳定，使关键层下形成各个独立封闭的 离层空间，确保充填材料注满离层区，充填体对关键层起到有效的支撑作用。分