中国的煤矿绿色开采技术

二○○八年十月二十三日中国矿业大学

缪协兴中国煤矿绿色开采技术主要内容一、煤炭资源环境与安全问题二、绿色开采技术的基本框架三、煤与瓦斯共采技术四、保水采煤技术五、矸石充填采煤技术一、煤炭资源环境与安全问题2007年全国煤炭产量煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放煤矿突水灾害与水资源破坏煤矸石的露天排放问题“三下”压煤问题1.2007年全国煤炭产量2007年全国煤炭产量25.5亿吨其中95％以上为井工开采一、煤炭资源环境与安全问题2.煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放一、煤炭资源环境与安全问题中国在地下2000m范围内具有30~35万亿m3煤层气资源,每年排放煤矿瓦斯70~190亿m3。煤矿瓦斯灾害严重，2004年底至2005年初，大平煤矿、陈家山煤矿、孙家湾煤矿接连发生3起一次死亡百人以上特大瓦斯事故。高瓦斯及煤与瓦斯突出低瓦斯

3.煤矿突水灾害与水资源破坏我国60%的矿区为石碳二叠系含煤地层,其中80%受到严重的突水危险。现在，我国每年排出矿井水60亿m3左右，只利用25%左右，造成矿区水源枯竭、水与生态环境的破坏。一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题

4.煤矸石的露天排放问题我国现有矸石山1600余座，堆积量超过45亿t，占地超过15000hm2。目前每年产矸量超过3.5亿t。矸石山除了占用大量的土地资源外，还会严重污染空气和地下水，甚至存在爆炸危险。

5.“三下”压煤问题我国的煤炭资源回收率仅为40%左右，“三下”（村庄下、道路下、水体下）压煤是其重要根源。新汶矿区“三下”压煤高达2.67亿吨，占可采储量的70%多。一、煤炭资源环境与安全问题二、绿色开采技术的基本框架煤矿绿色开采采动岩体结构运动理论采动裂隙岩体渗流理论煤与瓦斯共采保水采煤矸石充填采煤绿色开采技术框架三、煤与瓦斯共采技术1.瓦斯抽采方法分类2.采动卸压瓦斯抽采3.煤与瓦斯共采效果采后抽采采前抽采（预抽）采中抽采（边采边抽）煤矿瓦斯抽采方法1.瓦斯抽采方法分类三、煤与瓦斯共采技术采前抽采(预抽)邻近层抽采本煤层抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采顺层钻孔抽采交叉钻孔抽采煤层巷道抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采走向巷道抽采倾向巷道抽采水平长钻孔抽采三、煤与瓦斯共采技术采中抽采(边采边抽)掘进工作面抽采回采工作面抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采顺层钻孔抽采煤层巷道抽采采空区埋管抽采巷帮钻孔抽采迎头钻孔抽采相邻巷道抽采三、煤与瓦斯共采技术采后抽采

采空区抽采地面钻井抽采密闭插管抽采密闭钻孔抽采以上各种方法的组合构成了煤矿瓦斯的综合抽采三、煤与瓦斯共采技术2.采动卸压瓦斯抽采三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术走向高抽巷三、煤与瓦斯共采技术倾向高抽巷三、煤与瓦斯共采技术倾向穿层孔三、煤与瓦斯共采技术顶板走向孔三、煤与瓦斯共采技术地面钻井三、煤与瓦斯共采技术底板巷穿层钻孔三、煤与瓦斯共采技术底板巷穿层钻孔三、煤与瓦斯共采技术中国煤矿瓦斯抽采量的增长情况19652007199519851506004400328阳泉、淮南、水城、盘江、松藻、晋城、抚顺、淮北等10个矿业集团年抽采量超过1亿立方米山西、辽宁、安徽、重庆等5个省市年抽采量超过2亿立方米3.煤与瓦斯共采效果三、煤与瓦斯共采技术1977年以来全国煤炭产量与死亡人数三、煤与瓦斯共采技术四、保水采煤技术全矿区保水采煤分区与保水对策控制隔水关键层结构与渗流稳定水资源转移存储与综合利用主要技术特点——以神东矿区为例1.全矿区保水采煤分区与保水对策水文地质结构系统分析与保水分区图1矿区水文地质结构类型分区四、保水采煤技术5种隔水层结构Ⅰ多层隔水层结构Ⅱ高位隔水层结构Ⅲ低位隔水层结构Ⅳ隔水层侧切结构图2隔水层结构示意图四、保水采煤技术神东矿区保水采煤对策表1神东矿区水资源赋存及保护对策水资源类型赋存条件富水性保水方法和关键技术地表水和水源地河谷及其附近第四系含水层强保护区范围内限采烧变岩孔洞水烧变岩带孔洞含水层强侧向保水煤柱第四系潜水萨拉乌苏组含水层弱-强保护隔水关键层、转移存贮等基岩裂隙水直罗组砂岩延安组砂岩裂隙含水层弱常规开采四、保水采煤技术隔水关键层结构与渗流稳定性结构稳定判据＜刚度：强度：l1＜ln+1

渗流稳定判据图34层岩层组成的关键层力学模型

2.控制隔水关键层结构与渗流稳定＜1四、保水采煤技术隔水关键层判别流程图4隔水关键层判断流程图四、保水采煤技术采动覆岩裂隙演化与渗流规律

(a)采场推进40m(b)采场推进60m

(a)采场推进40m(b)采场推进60m图5采动覆岩渗流矢量分布图图6采空区上方垂直渗流速度分布图四、保水采煤技术(电法、钻孔法、浅层地震法)表2采动覆岩导水裂隙通道高度工作面编号采高(m)基岩厚度(m)导水裂隙通道高度(m)126104.840～4540～45124043.431～3731～37122014.040～5040～49314015.3120～190105～154采动覆岩导水裂隙通道发育高度四、保水采煤技术控制隔水关键层结构稳定(a)第1次视电阻率断面成像图(b)第4次视电阻率断面成像图图7高位隔水关键层保水开采电测效果（大柳塔12610工作面）四、保水采煤技术控制采动导水裂隙通道闭合图8导水通道闭合及水位恢复实测曲线（补连塔31401工作面）四、保水采煤技术局部区域充填支撑技术措施局部充填开采局部降低开采高度技术实施范围穿越地表水体穿越冲刷沟谷导水裂隙异常发育四、保水采煤技术发明顶板水转移并利用采空区矸石吸附过滤净化方法，水质指标达到工业和农业用水标准，实现年废水复用1700万m3。3.水资源转移存储与综合利用利用采空区转移存储顶板水四、保水采煤技术洁净水AAA—A矿井水向下伏储水层转移顶板水(a)回灌孔(b)观测孔图9石圪台矿回灌孔与观测孔设计图四、保水采煤技术（1）提出了神东矿区水文地质结构的五种类型，即：弱含水区、泉城水源区、烧变岩富水区、无隔水层区和有隔水层区五种，并给出了相应的保水采煤技术对策。（2）系统研究给出了神东矿区开采地质条件下隔水关键层的结构与渗流稳定性判据，揭示了覆岩导水裂隙贯通高度与渗流规律，依此开发了控制隔水关键层结构稳定保水采煤、控制采动导水裂隙通道闭合保水采煤和局部区域充填支撑方式保水采煤等技术。（3）在无覆岩隔水层条件下，开发了利用采空区转移存储顶板水技术和利用上下含水层压力差向下伏储水层转移顶板水技术。4.主要技术特点四、保水采煤技术五、矸石充填采煤技术1.解决相关问题的思路2.总体技术框架主要技术研究内容主要技术特点1.解决相关问题的思路解决问题的总体思路技术措施矸石直接充填置换“三下”压煤循环利用矿区废弃物保护矿区土地与环境回收“三下”压煤资源实施目标存在问题传统办法实际效果煤矸石的排放露天排放占用土地、污染环境、爆炸制砖等用量少、产品质量、环保等问题“三下”压煤迁村开采吨煤增加成本50元左右，历史与文化问题条带开采采出率50%传统充填开采没有实现规模化推广应用五、矸石充填采煤技术2.总体技术框架矸石直接充填置换“三下”压煤总体技术框架五、矸石充填采煤技术

项目研究的难点之一

——建立矸石充填开采岩层控制理论岩层移动控制目标充填技术控制目标绝对不移动充入与开采等量的矸石控制移动量建筑物损伤破坏：搬迁建筑物局部损伤：修补建筑物微小损伤：无需修补1.不同矸石充填量对应的地表变形值2.同一矸石充填量对应的地表最大变形值理论上需解决的问题3.主要技术研究内容五、矸石充填采煤技术充填开采顶板下沉等价采高顶板下沉充填开采矸石充填开采等价采高的概念矸石充填开采岩层移动控制稳定性判据Hmax——建筑物变形能承受的最大允许采高。等价采高五、矸石充填采煤技术

矸石的松散与压实性能自制实验系统矸石碎胀系数与压应力矸石孔隙率与压应力五、矸石充填采煤技术

矸石充填开采支架工作载荷计算公式pz——充填开采支架载荷；

p——全高开采支架载荷。相似材料模拟系统五、矸石充填采煤技术

矸石充填开采等价采高Hz的理论计算公式H——实际采高；

hz——充填体空顶距（充实率控制参数）；k——初始压实系数（压实率控制参数）；

——残余压实系数。矸石充填开采的技术控制指标充实率hz压实率k五、矸石充填采煤技术技术障碍传统办法开采工作面不断移动采空区顶板随采随垮开采面与采空区隔离水砂充填——水流为动力风力充填——风流为动力膏体充填——流体为动力1.拆除开采工作面与采空区之间的隔离屏障2.用同一支护系统掩护采煤与充填并行作业3.用矸石重力为充填主要动力，加辅助压实力创新与发明

项目研究的难点之二

——矸石充入采空区的空间、通道与动力五、矸石充填采煤技术

综采矸石充填技术工作面采空区传统综采液压支架掩护斜梁工作面采空区综采矸石充填液压支架水平短梁五、矸石充填采煤技术

综采矸石充填原理矸石充填运输机充填工艺五、矸石充填采煤技术

综采矸石充填压实原理综采矸石充填压实系统工作原理五、矸石充填采煤技术

综采矸石充填工作面井下工况前部采煤后部充填五、矸石充填采煤技术普采与充填支护系统

普采矸石充填技术普采与充填工作面布置普采与充填支护系统充填系统普采与充填工作面布置普采矸石充填高速动力抛矸机充填面开采面五、矸石充填采煤技术应用效果实例一比较项目全高开采预计采高2.1m综采充填预计等价采高0.6m综采充填实测最大下沉量/mm1580420380最大水平变形/mm/m3.20.80.5建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ新汶翟镇矿村镇下综采充填地表移动预计与实测平均采深500m实际采高2.1m等价采高0.6m采出率85%综采矸石充填地表下沉曲线对比图

全高开采预计采高2.1m15803.2Ⅱ综采充填预计等价采高0.6m4200.8Ⅰ综采充填实测3800.5Ⅰ五、矸石充填采煤技术应用效果实例二比较项目全高开采预计采高1.8m普采充填预计等价采高0.4m普采充填实测最大下沉量/mm1365280257最大水平变形/mm/m3.00.60.3建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ普采矸石充填地表下沉曲线对比图

新汶盛泉矿工广下普采充填地表移动预计与实测平均采深450m

采高1.8m

等价采高0.