矿区绿色开采技术课件

礦區綠色開採

技術

綠色開採是一種遵循迴圈經濟綠色工業的原則，形成開採與環境協調一致，實現“低開採、高效率、低排放”的開採技術。0緒論

1保水開採技術

2土地與建築物保護技術

3煤與瓦斯協調開採技術

4潔淨開採技術

5煤層地下氣化技術

6礦區廢棄地生態修復技術

7煤炭工業的發展前景1善待地球2我國煤炭資源及其開採歷史3煤炭開採對環境的影響4礦區生態治理與修復5綠色開採的重要意義和技術體系O緒論一、善待地球

2007年4月22日是第38個“世界地球日”，其宣傳主題為：“善待地球——從節約資源做起”。重點落實以人為本，全面、協調、可持續的科學發展觀，樹立善待地球人人有責，節約資源可以從身邊做起、從自身工作做起的全民意識，構建社會主義和諧社會。

需要保護的資源：土地資源、礦產資源、水資源、海洋資源、生物資源等自然資源。自然資源是地球母親給予人類的寶貴財產，資源和環境，是人類賴以生存的基本條件，是人類賴以生存和經濟社會不斷發展的物質基礎。地球是人類的共同家園。它的資源並不是取之不盡、用之不竭的。在過去30年裏，全球環境狀況持續惡化。人類在最大限度地從自然界獲得各種資源的同時，也以前所未有的速度破壞著全球生態環境，全球氣候和環境因此急劇變化。統計表明：1860年以來，全球年平均溫度升高0.6℃，最暖的13個年份均出現在1983年以後；世界上約有40﹪的人口嚴重缺水；全球12﹪的鳥類和1/4的浦乳動物瀕臨滅絕。

羅馬俱樂部是關於“未來學”研究的國際性民間學術團體，也是一個研討全球問題的全球智囊組織。該組織成立於1968年4月，總部設在義大利羅馬。宗旨是通過對人口、糧食、工業化、污染、資源、貧困、教育等全球性問題的系統研究，提高公眾的全球意識，敦促國際組織和各國有關部門改革社會和政治制度，並採取必要的社會和政治行動，以改善全球管理，使人類擺脫所面臨的困境。最近，世界保護自然基金會稱，按照目前的資源消耗情況，2050年的地球人只能遷居到兩顆與地球相仿的星球上，因為近30年人類就已經消耗了地球上三分之一的可用資源，而對資源的消耗每年還以1.5%的速度增長著。從1950年到2003年，全球用水量提高了3倍、燃料提高4倍、肉類提高4.5倍、二氧化碳增加4倍；1961年到2002年的紙張消耗增加了4.23倍。

美國的人口占世界6%，消耗資源占35%，一個美國孩子的消耗量等於125個印度孩子。因此，隨著經濟發展水準的提高，資源消耗將會加速。

世界自然基金會目前發表的年度“生命地球報告”指出：在過去20年的時間裏，人類消耗自然資源的速度，已經超過了大自然再造資源的速度。這意味著，人類已經不是依靠自然資源產生的“利息”生存，而是在消耗大自然的“本金”。報告預測，如果這種狀態不發生改變，整個地球的生態系統就面臨著在本世紀中葉發生大規模崩潰的危險。

（1）消耗速度比再生速度快研究人員用一種被稱作“人類生態腳印”的參數，來表示為了提供人類生活所需要的自然資源，地球上平均每個人所需要的陸地和海洋面積。據計算，到2003年，平均每個人的“生態腳印”是2.2萬m2，而大自然只能再生相當於1.8萬m2的人類生存資源。這意味著人類消耗資源的速度，比大自然再生資源的速度快了25％。

（2）物種數量大幅減少

在科學家追蹤研究的1313種脊椎動物中，有30％

的物種在過去30多年的時間裏，數量發生了大幅度的減少。熱帶動物，它們的數量平均減少了55％。海洋動物數量減少約為25％。

（3）人類必須改變生活習慣科學家指出，人類把自然資源變成廢物的速度，遠遠超過了自然界將這些廢物重新轉化成資源的速度。這是因為人類的生活習慣發生了變化，變得越來越浪費。要防止情況繼續惡化，人類必須從改變生活習慣做起。二、我國煤炭資源及其開採歷史

1、煤炭資源情況我國煤炭資源豐富，品種齊全，尤其是適用於動力用煤的煤種，比如氣煤、長焰煤、不粘煤、褐煤、無煙煤等儲量較大。我國煤炭資源不同聚煤期分佈比例

我國各級含硫煤資源儲量分佈比例

另外，包括3317億t基礎儲量和6872億t資源量，共計約1萬億t的資源，可以留給後人勘探開發。2000年全球探明可采儲量分佈如上圖。2000年全球煤炭探明可采儲量分佈

截至2002年年底，中國探明可直接利用的煤炭儲量1886億t，地下深度1000m以內的儲量已超過1100億t，列於美、俄之後居世界第三位，可以開採上百年。我國煤資源儲量分佈圖

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，在我國的能源生產和消費結構中，煤炭一直佔有主導地位，煤炭產量約占全國一次能源生產總量的70％。世界各國各種能源消耗占能源總消耗的比例（1997）表

2、煤炭開採歷史

我國煤炭生產已有七千年曆史，是世界上發現、利用煤炭較早的國家之一。天工開物中最早的採煤記載現代化的採煤礦井——神東大柳塔礦

（1）發現和早期利用階段新石器時代-春秋戰國時期（或秦），煤已經是重要產品，稱石涅。

（2）初步發展時期

兩漢、魏晉南北朝時期，已發現了一定規模的煤井和相應的技術，煤已經用於冶鐵和煉銅。稱石墨。

（3）發展時期

唐-明明末宋應星《天工開物》煤炭卷中，記載了古代煤炭的生產技術——開掘立井、安設木絞車提升煤炭，用竹竿引出地下的有害氣體，在煤層中掘進巷道，在頂底板和井筒四周用木材支撐等。

（4）近代史

隨著一些機械設備在煤礦中的應用，促進了採煤技術的發展。如，綜采工作面最高年產899.3萬t，神東榆家梁礦；綜放工作面最高年產642萬t，兗礦東灘礦；掘進工作面最高月進尺3004.5m，神東連續採煤機。全國煤炭產量由1949年的3740萬t，提高到2008年的27.16億t，居世界第一位。

按照國家發改委《煤炭工業“十一五”發展規劃》，2010年中國煤炭產量將控制在26億t。現有生產、在建的小煤礦產能，要由2005年的10.8億t壓減到2010年的7億t以內。“十一五”期間，全國新開工大中型煤礦主要分佈在13個大型煤炭基地內；大型煤炭基地產量將達到22.4億t，占規劃中全國煤炭產量的86％。三、煤炭開採對環境的影響及其表現形式煤炭開採過程中產生的有毒有害氣體對水資源、土地和空氣都造成了不同程度的污染破壞，其主要表現形式有以下三個方面。

1、煤礦開採對水資源的破壞對水資源的破壞主要表現在兩個方面：一是導致地下水位的大幅度下降，水源枯竭，地表植被乾枯，自然景觀破壞，農業產量下降，嚴重時可引起地表土壤沙化；二是開採造成地表及地下水污染。圖為山西保德縣煤礦開採采空區沉陷引起的嚴重水土流失。

采空區沉陷引起的水土流失

2、煤礦開採造成土地資源的破壞煤炭開採對土地資源的破壞損害，井工開採以地表塌陷和矸石山壓占為主，而露天開採則以直接挖損和外排土場壓占為主。安家嶺露天礦采場采空區沉陷引起土地破壞

3、產生大量有毒有害氣體地下礦層中賦存的大量有毒有害氣體，如CH4、CO、CO2、SO、SO2、H2S等。由於開採，經礦井通風風流並攜帶大量粉塵及有害氣體排至大氣。煤炭開採對空氣造成的污染

4、傳統採煤方法所造成的環境破壞問題

（1）煤炭開採造成岩層移動破壞，引起岩層中水與瓦斯的流動，導致煤礦瓦斯事故與井下突水事故。同時，瓦斯排放到大氣中會引起環境污染。煤炭開採又直接影響到地下水的流失，甚至引起土地沙漠化。據測算，煤炭開採全國平均噸煤水代價是2t，華北地區10t，最高達47t，煤礦排水量已占北方地區岩溶水資源的19%，利用率僅有30%。

（2）煤炭開採引起岩層移動，進而造成地表沉陷，導致農田、建築設施的損壞。據統計資料，全國因煤炭開採引起的破壞和占壓土地43萬hm2，平均每采萬噸煤塌陷土地0.2hm2，每年新增塌陷地約2萬hm2。

（3）煤炭開採形成的大量堆積在地面的矸石，既佔用良田，又造成環境污染。現已積存矸石30億t，且每年仍以1.5～2億t的數量在增加。全國1500座矸石山中有140座在自燃，對大氣、土地和環境造成嚴重污染。

（4）隨著我國礦井開採深度的不斷增加，礦山壓力顯現及衝擊地壓等動力災害發生的頻次增加，強度增大，危及礦井的安全生產。

上述問題若得不到有效解決，在未來幾十年內，隨著能源總需求和煤炭產量的不斷增長，煤炭資源開採所帶來的礦區安全和生態環境問題將更為嚴重，人類的生存和社會發展環境將受到嚴重威脅。安家嶺露天礦采場治理後

安家嶺露天礦采場

土地複墾技術：:細菌快速生物複墾法、無覆土生物複墾法、抗侵蝕被法和基於城市污泥的水力播灑法等。植被修復技術是一項新興的、有潛力的綠色植物技術，植物修復環境技術經過近10年的研究，有些研究成果即將進入市場。四、礦區生態治理與修復礦區生態治理與修復包括土地複墾、廢棄地治理與利用和植被修復等三個方面。五、綠色開採的重要意義和技術體系

1、國內外綠色開採簡介

国外一些发达的采煤国家非常注重煤炭开采与开采区环境的保护问题。近百年来，为了控制地表沉陷并实现在建筑物下采煤，逐渐发展形成了包括充填開採、聯合開採、協調開採、條帶開採、房柱式開採和離層區注漿等多種開採方法。充填開採法在波蘭、德國應用較多，主要採用水力和風力充填方式，將河砂、煤矸石和電廠粉煤灰等充填材料進行采空區充填，充填後地表下沉係數為0.1～0.2。以房柱式開採法控制地表沉陷主要應用在美國、澳大利亞等國家，其煤炭采出率一般50～60%，地表下沉係數為0.35～0.68。膏體充填技術是20世紀70年代末在德國金屬礦山發展起來的，90年代初應用在煤礦進行工作面采空區的充填，由於德國礦井相繼關閉等原因，該項技術並沒有得到深入研究和應用。但該項技術所具有的技術優勢和良好效果在加拿大、美國、南非等國家的金屬礦山得到推廣應用，現已成為21世紀金屬礦山充填技術的重要發展方向。

我國自20世紀60年代初首先在撫順勝利礦通過水砂充填法進行控制地表沉陷的研究，成功地進行了車輛修理廠和大型石油煉油廠下的煤炭開採。此後，在新汶礦區的孫村、良莊、協莊礦進行了水砂充填試驗。條帶開採法在我國撫順、阜新、蛟河、峰峰、平頂山、徐州等礦區得到了推廣應用，煤炭采出率一般在40～68%，但在煤層厚度較厚、采深較深的條件下，其采出率卻較低。20世紀80年代後期，我國在多個礦區進行了離層區注漿減沉試驗，但由於其減沉效果的局限性，推廣應用受到了限制。儘管我國在煤炭開採中的地表控制方面進行了廣泛深入地研究，並取得了一定的成效，但與美國、德國、波蘭等發達採煤國家相比還存在一定差距。在煤礦開採的矸石處理技術、采空區充填技術、短壁開採技術等方面還需要開展大量的工作。近年來，中國礦業大學在低成本膏體充填材料的開發和充填工藝的研究方面取得了突破性的進展。圍繞高效與綠色開採方面，與兗州礦區、淄博礦區和淮北礦區等共同合作進行了相關內容的企業重大合作專案的研究。

2、綠色開採的重要意義和技術體系

20世紀80年代初聯合國呼籲：“必須研究自然的、社會的、生態的、經濟的以及利用自然資源過程中的基本關係，確保全球持續發展。”至此，“可持續發展”的概念在全球引起各界人士的廣泛關注與認同。近期提出的迴圈經濟是指遵循自然生態系統的物質迴圈和能量流動規律，重構經濟系統，將經濟活動高效有序地組成一個“資源利用——綠色工業——資源再生”的封閉型物質能量迴圈的回饋式流程，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境的影響破壞降低到最低程度。塔山工程迴圈經濟的定位：“資源—產品—廢棄物—再生資源”的回饋式迴圈經濟；3.5km長的現代化全封閉輸煤棧橋，把礦井和洗煤廠緊緊相連；原煤全部入洗，精煤就地裝入萬噸專列或儲煤罐外運，煤泥等副產品由專用通道送往電廠和高嶺岩廠，電廠排出的粉煤灰作水泥廠的原料，水泥廠排放的廢渣又供砌體建材廠使用。如按傳統方法開採，塔山每年將排出450萬t矸石。現在矸石進了電廠，還可通過電廠尾氣取代周邊56座燃煤鍋爐，供熱550萬m2，創效上億元。大同塔山工業園

“資源開採-環境保護-礦區可持續發展”的平衡關係，是我國21世紀資源開發的全局性課題，即煤炭“綠色開採”，符合這一平衡關係的礦區開發模式，稱之為可持續發展的“綠色礦區”模式。其核心內容之一就是要實現“綠色開採”。“綠色開採”重大意義在於：

（1）綠色開採要求開採技術水準提升。我國煤炭行業整體技術水準較低，長期走的是粗放型發展路子，生產集約化程度很低。綠色開採必然要求多層面、多角度的技術創新。

（2）綠色開採要求系統高效利用產品。綠色開採要求從廣義資源的角度看待礦區範圍內的煤炭、地下水、煤層氣、土地、煤矸石以及在煤層附近的其他礦床等可用資源，在追求最佳經濟效益和社會效益的同時，盡可能減少對環境的負面影響。

（3）綠色開採要求全面評價企業效益，綜合考慮生態環境。綠色開採以生態大系統的觀念來看待、評價企業的經濟活動，實現生態大系統的可持續發展。這自然要求企業在追求自身經濟效益的同時，要全面考慮社會效益與環境效益。一、開採對地下水分佈的影響

1、地下水的來源與分類（1）地下水的來源絕大部分的地下水來自於降水，降水滲入地下後，因重力作用而向下滲透。當水分下滲達到某一深度，遇到不透水的地層如黏土、葉岩等時就貯存起來，逐漸往上充填於土壤或岩石的間隙中形成飽和狀態（圖2-1），其頂部即為地下水面。地下水面之上稱不飽和帶；相對地，地下水面之下的土壤或岩石孔隙是充滿水的成為飽和帶（圖2-2）。圖2-1飽和狀態示意圖

圖2-2地下水飽和帶與不飽和帶示意圖

（2）地下水的分類

①按含水空隙的類型，地下水被分為孔隙水、裂隙水和岩溶水。

孔隙水指賦存於鬆散沉積物顆粒間孔隙中的地下水（圖2-3），裂隙水指賦存於岩體裂隙中的地下水（圖2-4），岩溶水又稱喀斯特水，指存在於可溶岩石（如石灰岩、白雲岩等）的洞隙中的地下水。貴州喀斯特在特定的自然條件下，形成豐富多彩的喀斯特地貌，如峰叢、溶洞、岩溶潭等。圖2-3洪積扇水文地質剖面示意圖1-基岩；2-礫岩；3-砂；4-粘性土；5-潛水水位；6-承壓水水位；7-地下水及地表水流向；8-降水補給；9-蒸發排泄；10-下降泉；11-井，塗黑部分有水圖2-4裂隙含水系統1-不含水張開裂隙；2-含水張開裂隙；3-包氣帶水流向；4-飽水帶水流向；5-地下水水位；6-水井；7-自流井；8-無水幹井；9-季節性泉；10-常年性泉

②根據地下埋藏條件的不同，地下水可分為包氣帶水、上層滯水、潛水、自流水和承壓水五大類。

2、開採對地下水的影響（1）對淺、中層地下水的影響：煤系地層的水快速向下滲透，形成區域性地下水降落漏斗，淺、中層地下水逐年被疏幹,造成煤礦周圍村民吃水困難；(2)對深層地下水的影響：導致對深層地下水位逐年下降；（3）礦井疏排地下水的影響：對地下水水位水量的影響；對地下水水質的影響（圖2-5）。

圖2-5煤礦地下水環境影響模型

二、保水開採技術的主要影響因素

1、開採與地下水分佈

開採後，隨著地表的沉陷將改變地表水的流向；同時隨著上覆岩層移動破壞和地下水滲漏，在該區域內地下水將形成下降漏斗。地下水能否恢復，則決定於上覆岩層中是否有軟弱岩層。隨著工作面的推進，經重新壓實並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。採煤不可能不造成一定的地下水滲漏，但保水開採到底保到什麼程度，才算是保了水？一般認為，保水程度至少應考核以下兩個指標：首先是對地下水的影響不大，最起碼應該不使地下水乾涸而最終導致河流的大面積斷流；其次是植被的生長狀態問題。地下水位埋深增大時，部分植被不適合生長，一些植被出現病態，甚至枯萎，尤其是對喬木的影響最大。

2、主要影響因素（1）地質構造地質構造對地下水、地面水起著重要的控制與導水作用，局部也起著阻溢作用，地質構造愈複雜，斷裂愈多，開採煤層離斷層愈近，補給充分，則排水量就愈大。（2）水文地質條件主要是含水層的厚度、富水性、節理、裂隙、岩溶發育程度和補給來源。（3）煤礦開採階段煤礦開採初期，揭露的含水層相對多，各含水層處於自然飽和狀態，含水性強，隨著開採面積的增大，就會逐步發生頂板冒落，勾通裂隙導水帶，煤系頂部含水層中地下水就會直接滲入礦坑，造成保水開採難度的加大。

礦井開採中期，由於一般不會大面積揭露新的含水層，隨著開採時間的增長，含水層水位不斷降低，以礦井為中心的降落漏斗趨於穩定，部分含水層由承壓轉為無壓，礦井排水量靠入滲量補給，處於補、徑、排平衡狀態。礦井開採後期，由於含水層部分被疏幹，導水裂隙帶和節理裂隙逐步被充填，地表入滲補給量逐步減少，則礦井滲水量逐步衰減。礦井開採末期（停采），在其影響範圍內，礦坑滲水變小或不排水。但由於煤系底部有隔水層存在，采空區逐步積水成為“地下水庫”。在這種情況下，實施保水開採是必要的。影響保水開採技術的因素還包括：採煤方法、覆岩結構、覆岩厚度及其力學性質等。三、保水開採技術和礦井水迴圈使用技術

1、保水開採技術保水開採的目標是在防治采場突水的同時，對水資源進行有意識的保護，使煤炭開採對礦區水文環境的擾動量小於區域水文環境容量。研究在開採後上覆岩層的破斷規律和地下水漏斗的形成機理，從採礦方法、地面注漿等方面採取措施，實現礦井水資源的保護和綜合利用。實現保水開採的主要途徑有：（1）合理選擇開採區域

對不同的地質環境條件應該區別對待，並分為以下幾種類型：（1）對於不存在含水層或煤層埋藏適中、有含水層、同時其底部有厚度較大的隔水層的地區。該區域煤層開採的冒裂帶和導水裂隙帶發育不到含水層底部，不至於破壞含水層結構，可以實現保水開採。

（2）有隔水層分佈，但隔水層的厚度有限，煤層開採後，需要採取一定的措施，才可以保護地下水不受破壞的地區。（3）對於煤層埋藏淺、又富含水，煤層開採會造成地下水全部滲漏地區。一旦開採，礦井突水可以通過提前疏降水工程保證，但不能保證地下水含水結構、生態環境不受破壞，在沒有徹底解決地下水滲漏問題之前，暫緩開發。（2）防水（砂）煤（岩）柱留設

目前在鬆散含水層等水體下採煤，一般是根據開採區域岩煤地質及水文地質條件、煤（岩）柱兩側的開採狀況及採礦技術條件等因素，採取留設防水（砂）煤（岩）柱的方法進行開採。首先研究確定導水裂隙帶高度，其次，厚鬆散層下近風化帶保水開採的GIS研究，可用於保水條件下的安全煤柱留設設計。（3）保水開採方法

①減小導水裂隙帶高度的開採方法減小裂隙帶高度和減小地表下沉的開採方法是一致的；②以底板加固為主導技術的保水開採技術。中國礦業大學提出一種淺埋煤層長壁工作面保水開採方法。工作面長度≥200m；液壓支架的工作阻力≥8000kN；工作面日推進速度≥15m；在開切眼區域附近10～50m範圍和老頂初次來壓區域附近10～50m範圍內局部充填或局部降低采高，以減少采動覆岩貫通裂縫，使基岩不發生整體錯動式破壞，而形成較為穩定的砌體梁結構，增強采動覆岩阻水作用。該方法水資源保護效果好，能實現安全生產、減少浪費、環保、煤炭資源回收率高。條帶採煤法是目前實現保水採煤的一種行之有效的方法，關鍵技術是根據具體的水文地質條件，科學設計所採煤層的采留比。需要進行“圍岩-煤柱群”整體力學模型計算，只有煤柱群的長時穩定，才能保證水體(含水層)不受破壞,以達到保水採煤的目的。2、礦井水的合理利用及迴圈使用技術（1）礦井水合理利用的意義

礦井水的主要來源是地下水。由於煤層及其圍岩中硫鐵礦的氧化作用，使礦井水呈現酸性或和高鐵性。目前我國按照對環境影響以及作為生活飲用水的可行性，將礦井水分為潔淨礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含有毒有害元素或放射性元素五類。長期以來，由於技術所限和認識不足，礦井水被當作水害排掉而未加以綜合利用和保護。隨著科學技術的發展和人們環境保護意識的提高，開始將礦井水作為一種水資源加以處理利用，即礦井水資源化。據估計，如果目前礦區水資源利用率達到40％～50％，煤礦自用水就基本上得到解決，而且還能為社會提供用水。這對我國西部礦區具有更重要的意義。

（2）礦井水迴圈使用處理工藝礦井水一般採用物理和化學方法進行處理。物理方法主要是過濾法和自然沉降法；化學處理方法主要是混凝法。礦井水經處理後應本著先生產後生活、先井下後井上的原則優先供給。

神東礦區水迴圈模式：發明了井下水采空區矸石過濾專利技術，實現了井下水迴圈利用。神東礦區水迴圈模式

一般礦井水採用城市給水淨化工藝（見圖2-18）。其中a、b兩種工藝適用水量大處理的，c種適用處理水量小的。對普通中性淡水質的礦井水用作對水質要求不高的生產專案可將工藝中的過濾工序去掉。如處理的礦井水用作洗煤廠生產補充用水等。一般情況下處理lm3礦井水可間接創產值20元。圖2-18城市給水淨化工藝圖

（3）大柳塔煤礦礦井水的綜合利用

在礦井水的綜合利用以前，該礦井下生產用水、消塵、消防用水依靠地面工業用水，經泵加壓送到井下。由於礦區地處毛烏素沙漠邊緣，隨著礦區的開發，水資源顯得尤為珍貴。另一方面，煤層具有淺埋深、薄基岩、厚鬆散層的特徵，回採後頂板垮落，賦存在第四系砂礫層和風化基岩中的水，會大量湧入采空區或工作面，再由排水系統排出井口處理，造成水資源的極大浪費。

為此，採用了高效、低成本礦井水淨化複用技術。安裝3臺80DLX10型離心泵，揚程200m，流量50m3/h。通過流量和壓力回饋的信號，集成到礦工控網路。根據生產需求在上位機通過PID進行即時參數調節，對三臺泵自動開啟或關閉，可達到三遙控制，恒壓供水。整套系統能根據管網壓力的變化進行智能化和數字化的控制，從而達到最佳的節能效果。四、榆神府礦區保水開採實例

神府礦區鳥瞰圖

1、概述陝北侏羅紀煤田榆神府礦區位於鄂爾多斯煤盆地的中部。東西寬約84km，南北長約85km，面積7139.7km2，屬陝西神木、府穀、榆林三縣。榆神府礦區被劃分為榆神與神府兩大礦區。2、榆神府礦區保水開採的地質條件（1）礦區地層及岩土類型第四系的風積沙、馬蘭組、薩拉烏蘇組、離石組、三門組，第三系上新統三趾馬組，白堊系洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組和富縣組。見表2-1。（2）礦區水文地質條件礦區內對保水開採有意義的主要含水層為砂層(薩拉烏蘇和風積沙)和燒變岩水。離石黃土和三趾馬紅土共同組成砂層含水層的隔水底板。

3、防治對策研究（1）保水開採分區

①保水開採區(Ⅰ)：該區主要分佈在大保當區2-2煤燒變岩以西地區，其次是禿尾河以東的青草界泉域和神北礦區檸條塔以南地區。

②採煤失水區(Ⅱ)：:第1亞區(Ⅱ1)分佈在禿尾河以東，青草界以外和神北礦區活雞兔一帶。第2亞區(Ⅱ2)分佈在神北石圪臺——大柳塔井田之間地帶。

③採煤無水區(Ⅲ)：主要分佈在禿尾河以東及神北礦區。圖2-19榆神府礦區保水開採分區示意圖

（2）保水開採技術途徑①保水開採區：煤層淺埋區留設防水安全煤柱；在燒變岩帶施工供水井建立水源地；在開採順序上，應先采富水性相對較弱、隔水性能良好的地段，如大保當區一期工程首采區應選在南部紅柳溝泉域；為防止地下水遭受嚴重破壞，建議設計為開井工采方式；大保當區一、二期工程以外的煤層淺埋地區，地下水極為豐富，但隔水層相對較薄，建議該地區最後開採。②採煤失水區：在採煤之前預先疏排地下水；在疏排基礎上，留設防塌或防砂煤柱；為減少礦井疏排水量，大保當區禿尾河與2-2煤燒變岩之間地帶，應在西部淺層煤開採完後再進行開採。③採煤無水區：該類型區採煤不受水體威脅，可在覆岩結構類型為土基地段適當留設防塌煤柱

圖2-20神府礦區保水開採的採煤方法劃分體系4、榆神府礦區保水開採的採煤方法劃分體系由現場開採實踐和相似模擬試驗，建立了榆神府礦區保水開採的採煤方法劃分體系。

長壁開採

采空區上覆基岩厚度大於75m

采空區上覆基岩厚度大於30m、小於75m

采空區上覆基岩厚度小於30m采空區上覆基岩厚度大於90m

充填開採或房柱式開採

分層開採

間歇開採

煤礦開采區

基岩上覆岩層中有含水地層

總采高4m

總采高10m

基岩上覆岩層中無含水地層

非保水開採區

5、保水開採需採取的工程技術措施（1）合理的留設防水安全煤柱淺埋型近水準煤層，合理確定防水煤岩柱高度，控制冒裂帶發育在含水層以下，對盡可能減少壓煤，又能保住薩拉烏蘇組水，實現保水開採是關鍵。（2）建立淺排供水水源地即充分利用薩拉烏蘇組含水層水資源作為礦區供水，又能起到保護生態環境的最關鍵措施。根據煤礦安全規程，為防止燒變岩水(老窯積水)對採煤影響，從燒變岩邊界處必須向深部劃定警戒線(圖2-21)。

圖2-21燒變岩帶防水煤柱留設及抽水示意圖

一、煤礦開採對土地與建築物的破壞分析

1、煤礦開採引起地面下沉分析圖3-1上覆岩層移動、破壞分帶示意圖1-垮落帶；2-裂縫帶；3-彎曲帶

地下煤層開採後，覆岩的原始平衡受到破壞，在上覆岩層自重和原始應力的作用下，岩層經一系列的移動、變形與破壞，直至達到新的平衡，這一過程稱岩層移動。採用長壁垮落採煤法，當采深為采高的25-30倍時，上覆岩層移動穩定後，一般可形成三個不同的開採影響帶，分別稱其為垮落帶、裂縫帶和彎曲帶。如圖3-1所示。

當采空區面積擴大到一定的範圍時，岩層移動波及地表，使地表產生移動和變形。這一過程和現象稱為地表移動。當採煤工作面采完，地表移動穩定後，在采空區上方地表形成沉陷的區域，稱為最終移動盆地或最終下沉盆地。形成過程如圖3-2所示。

岩層移動發展到地表後，隨采空區面積增大，移動盆地的面積及地表最大下沉值也增大，地表的采動影響分為非充分采動、充分采動（采空區面積稱臨界開採面積）和超充分采動。圖3-2下沉盆地的形成過程圖1、2、3-非充分采動；4-充分采動；5-超充分采動

2、下沉引起的建築物破壞地表的均勻下沉，僅在超臨界面積開採時才可能出現。一般地說，在這種條件下對建築物危害不大。處於地表移動穩定後均勻下沉區的建築物，在開採過程中，還將受到地表“動態”變形的影響，即建築物先受地表拉伸(正曲率)變形影響（圖3-3中的1位置），隨著工作面的推進，建築物受地表壓縮變形影響（圖3-3的2位置）。圖3-3井下回采時地表移動和建築物變形過程

當工作面推離建築物的距離大於0.6H(H是開採深度)時，建築物又恢復原狀（圖3-3的3位置），結果只是產生整體垂直位移。因此，可以認為只要建築物可承受上述開採過程中的地表“動態”變形，則地表的均勻下沉不會對建築物產生危害。由下沉引起建築物的破壞3、傾斜引起的建築物破壞地表的傾斜往往發生在移動盆地邊緣區，位於拐點處的地表傾斜最大，其位置大致在煤壁上方。地表傾斜能使排水系統改變坡度。傾斜對鐵路、公路來說也同樣有危害，尤其是對鐵路線。地表的傾斜對底面積小、高度大的建築物或構築物，如煙囪、水塔、高壓輸電線鐵塔等影響較大。地表的傾斜能使這些高聳構築物重心發生偏斜，引起應力重新分配。傾斜大時，構築物的重心落在基礎底面積之外會使其發生折斷或傾倒。4、曲率引起建築物的破壞地表曲率有正、負曲率之分。當建築物受正或負曲率影響時，其破壞特徵如圖3-4所示。在地表負曲率影響下，建築物基礎猶如一個兩端受支承的梁，中間部分懸空，致使建築物牆體產生八字形的裂縫(圖3-4a)；在地表正曲率影響下，建築物基礎兩端懸空，使建築物牆體產生倒八字形的裂縫(圖3-4b)。裂縫傾角為60-70°。5、水準變形引起的建築物破壞地表的拉伸和壓縮稱為水準變形。它對建築物的破壞作用很大，尤其是拉伸的影響，由於建築物抵抗拉伸能力遠小於抵抗壓縮的能力，所以在較小的地表拉伸下就能使建築物產生裂縫。一般在門窗洞口的薄弱部位易產生裂縫，磚砌體的結合縫亦易被拉開(圖3-4c)。圖3-4不同地表變形對建築物的影響

地表壓縮變形對建築物的破壞主要是使門窗洞口擠成菱形，磚砌體牆產生水準裂縫(圖3-4d)，縱牆或圍牆產生褶曲或屋頂鼓起(圖3-4e)。建築物的破壞程度與其結構、材料、形狀和施工品質等有關，建築物的剛度和平面尺寸是主要因素。

根據平頂山煤田丁組和戊組煤層采後地表移動觀測資料分析，建築物若位於如圖3-5a所示位置，即在建築物下留著0.4H（H為開採深度）寬的煤柱，它將受到拉伸變形的迭加影響。又如建築物若位於如圖3-5b所示位置，即工作面開採寬度為(0.4-0.6)H時，壓縮變形就會增大一倍。圖3-5煤柱寬度和開採寬度對建築物影響

二、保護土地及建築物的開採技術1、充填開採地表下沉與開採厚度有十分密切的關係，開採厚度越大，地表的最大下沉值也越大。採用全部冒落法管理頂板時，地表的下沉可達采高60%-80%。而用水砂充填法管理頂板時，最大下沉值為采高的8%-20%。充填採煤法的地表沉陷控制效果取決於采空區的充填程度，地表下沉係數一般為0.02～0.6。圖3-6為充填系統示意圖，圖3-7為充填採煤工作面佈置示意圖。

圖3-6充填系統示意圖

圖3-7充填採煤工作面佈置示意圖

2、條帶開採條帶開採是目前國內建築物下採煤地表沉陷控制的主要技術途徑，應用最為廣泛。條帶開採的原理是把要開採的煤層劃分成比較正規的條帶進行開採，采一條，留一條，利用保留的條帶煤柱支撐上覆岩層，從而減少覆岩沉陷，控制地表的移動和變形，達到地面保護目的。圖3-8為某煤礦條帶開採平面圖。圖3-8條帶開採平面圖

我國自撫順勝利礦1967年利用充填條帶法進行市區下採煤以來，已先後在阜新、蛟河、峰峰、鶴壁、平頂山、徐州等多個礦區進行了條帶開採的試驗與實踐。條帶開採控制地表沉陷最大的缺點是煤炭永久損失率較高，這是制約條帶開採大規模用於地表沉陷控制的主要問題。3、分層開採對於緩斜及傾斜厚煤層，採用傾斜分層採煤法，分層分采方案，可以減少地表一次下沉對地面建築物的影響，分層開採時要控制每一分層的開採厚度，使其在開採時所造成的地表變形不超過允許地表變形值。根據概率積分法地表最大水平變形公式，可計算出每分層的允許開採厚度(M)：q—充分采動時地表下沉係數；

H—開採深度；

β—主要影響角。—允許地表水平變形值，mm/m；式中b—水準移動係數，由實測資料分析確定；

4、協調開採煤層群、厚煤層分層開採時，合理設計各工作面的開採間距，相互位置與開採順序，使開採一個煤層(工作面)所產生的地表變形和開採另一個煤層(工作面)所產生的地表變形相互抵消或部分抵消，以減少采動引起的地表變形，保護地面建築物。L＝0.4(r1+r2)=0.4

式中，H1、H2-上煤層及下煤層的開採深度。

圖3-9(b)為厚煤層數個分層同時協調開採。上下分層工作面錯距L，可按下式計算：L=0.8r=0.8·式中，H-厚煤層開採深度。圖3-9協調開採的變形抵消與錯距示意圖(a)多煤層協調；(b)厚煤層分層開採協調

該技術要保持一定的錯距，因此組織生產難度較大。圖3-9(a)為數個煤層同時開採時的協調開採，上下煤層工作面錯距L可按下式計算：

5、限厚開採以不產生地表積水和滿足建築物所要求的保護等級為依據，確定可開採的煤層厚度，僅回採這一厚度的煤，以實現減少下沉保護地面建築物及土地的目的。

6、三步法開採“采-注-采”三步法開採，即“小條帶開採-注漿充填采空區-剩餘條帶開採”，佈置條帶式工作面跳躍式開採，注漿充填和加固采空區破裂岩體恢復承載能力，利用覆岩結構對上覆岩層移動的控制。“采-注-跳采”三步法是在“采-注-采”三步法的基礎上提出的，其基本內涵是將開採區佈置成類似於條帶式的寬、窄條帶相間的工作面（圖3-10）。

7、覆岩離層注漿覆岩離層注漿就是通過地面鑽孔向采空區上方覆岩中的離層帶高壓注入液體充填材料，控制覆岩下沉，控制地表沉降。圖3-10新“三步法”開採地表沉陷控制過程

三、建築物和土地的保護措施

1、變形縫（1）變形縫的作用設置變形縫是將建築物自屋頂至基礎分成若干個彼此互不關聯的、長度較小、剛度較好、自成變形體系的獨立單體，這樣可以減小建築物地基反力分佈的不均勻性，提高建築物適應地表變形的能力，減少作用於建築物的附加應力，對防止建築物牆壁裂縫的開展和其他破壞現象有很大的作用。（2）設置變形縫的位置在建築物的下列部位應設置變形縫：

①長度過大的建築物，可每隔20m左右設置變形縫；②平面形狀複雜的建築物的轉折部位；③高度差異或荷載差異處；④建築結構(包括基礎)類型不同處；⑤地基強度有明顯差異處；⑥局部地下室的邊緣；⑦分期建造的房屋交界處。2、鋼拉杆（1）鋼拉杆的作用鋼拉杆可承受地表正曲率變形產生的拉應力，設置鋼拉杆是減少地表正曲率變形對建築物牆壁影響的有效措施之一。（2）鋼拉杆的設置

鋼拉杆一般設於建築物外牆的簷口或樓板水準上，並以閉合型式將建築物外牆箍住。當地表正曲率變形較大時，尚應在建築物內牆設置鋼拉杆。鋼拉杆可以在牆壁一側設置，亦可在牆壁兩側同時設置，當於牆壁兩側同時設置時其直徑應相同。

鋼拉杆不應設於門窗洞口水準上。當鋼拉杆遇到門窗洞，而不能設置在同一水準上時，則應在牆內設置如圖3-11所示的卸載梁，將門窗洞處鋼拉杆降低或升高。

圖3-11鋼拉杆卸載梁1—鋼拉杆；2—卸載梁；3—上部鋼拉杆剛性墊板；4—下部鋼拉杆剛性墊板；5—錨固螺栓；6—擋板；F0—砌體受壓面積3、鋼筋混凝土圈梁（1）鋼筋混凝土圈梁的作用在於增強建築物整體性和剛度，提高磚石砌體的抗彎、抗剪和抗拉的強度，可在一定程度上防止或減少裂縫等破壞現象的出現。（2）鋼筋混凝土圈梁的設置一般設置在建築物外牆上，當地表變形很大時，可設置在建築物的外牆、內縱牆和主要內橫牆上。圖3-12為鋼盤混凝土圈梁示意圖。圖3-12設於建築物外側的圈梁a—牆壁圈梁；b—基礎圈梁

4、變形補償溝變形補償溝是在建築物外側從地表挖掘一定深度的溝槽，其作用是吸收地表壓縮變形。在房屋四周挖掘變形補償溝能減少地表土壤對房屋基礎埋入部分和地下室的壓力,也可用來減輕水準變形對基礎底面的影響。圖3-13為變形補償溝剖面示意圖。圖3-13變形補償溝剖面示意圖四、開灤礦區建築物下採煤實例

1、技術方案確立唐山礦十二水準北翼七南石門下山區域是該礦綜放開採主要生產區域。對應地面受開採影響範圍有3.93萬m2建築物。如採取搬遷開採，預計費用需1.2億多元；如採取井下減沉開採，礦井產量將銳減。為此決定借鑒近幾年發展起來的離層帶注漿減緩地表沉陷技術，以達到建築物不搬遷，井下高強度開採，確保企業取得較好的經濟效益。2、方案組織實施唐山礦十二水準北翼七南石門下山采區的3696工作面平均采深784m，煤層平均傾角10°，平均厚度10m，工作面傾斜長度90m，走向長度380m，採用綜放開採工藝，其井上下對照情況見圖3-14。圖3-14開灤唐山礦井上井下對照圖

（1）離層注漿層的設計工作面的上覆岩層為第四系沖積層厚165m，以下基岩為二疊系岩層。岩移觀測和室內相似材料模擬實驗表明，覆岩離層主要集中在基岩下部，在距煤層頂板之上150-300m範圍內，再往上則離層縫隙太窄，存在時間也短。另外，為確保注漿漿液不下滲，不對工作面開採造成影響，確定注漿段的下限為距工作面以上150m。（2）注漿鑽孔設計為保證注漿減沉效果，要優化鑽孔設計。既要考慮減輕開採沉陷對鑽孔的破壞，使其在開採期間全程服務，又要考慮有利於增加注漿量，保護地面建築物。根據開採範圍、采厚和地層條件，設計2個注漿孔，在傾向上孔位距回風巷40m，距運輸巷50m；在走向上，注1孔距開切眼90m，注2孔距終采線120m，2個孔相距170m，注漿孔平面佈置圖見圖3-15。

圖3-15注漿孔平面佈置

（3）注漿系統注漿系統由供灰系統、注漿泵站和輸漿管路三部分組成。（4）現場組織實施覆岩離層帶的形成滯後於回採工作面，當回採工作面推過鑽孔一定距離後才開始注漿。要儘量延長鑽孔注漿時間，要求以離層縫隙注滿，直至離層帶閉合無法繼續注入為止。一、我國煤層氣賦存的特徵

我國是世界上煤層瓦斯資源儲量巨大的國家之一。據2006年國土資源部油氣中心對全國煤層氣資源評價結果，我國煤層氣資源量居世界第三位，與我國陸上天然氣資源量相當，資源量36.81萬億m3，可采資源量10.86萬億m3，我國煤層氣資源規模分佈和成藏模式如圖4-1、圖4-2所示。

17.9332.15303324.7536.3333823.8614.422.531.4627.3010203040資源量（萬億立方米）李明潮1987焦作礦院1987張新民1991統配煤礦公司1992段俊虎1992關德師1992劉友民1993李靜1995煤田總局1998廊坊分院1999中聯公司2000廊坊分院2001中國煤層氣（瓦斯）資源估算新一輪油氣資源評價：36.81萬億方1煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用1.1資源狀況

我國煤層氣資源豐富。據煤層氣資源評價，我國埋深2000m以淺煤層氣地質資源量約36萬億立方米，主要分佈在華北和西北地區。其中，華北地區、西北地區、南方地區和東北地區賦存的煤層氣地質資源量分別占全國煤層氣地質資源總量的56.3%、28.1%、14.3%、1.3%。1000m以淺、1000～1500m和1500～2000m的煤層氣地質資源量，分別占全國煤層氣資源地質總量的38.8%、28.8%和32.4%。全國大於5000億立方米的含煤層氣盆地(群)共有14個，其中含氣量在5000～10000億立方米之間的有川南黔北、豫西、川渝、三塘湖、徐淮等盆地，含氣量大於10000億立方米的有鄂爾多斯盆地東緣、沁水盆地、准噶爾盆地、滇東黔西盆地群、二連盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山盆地群、海拉爾盆地。

1.2資源開發情況

(一)地面開發

煤層氣地面開發始於上個世紀70年代末，原煤炭科學研究院撫順研究所曾在撫順、陽泉、焦作、白沙、包頭等礦區，以解決煤礦瓦斯突出為主要目的，施工了20餘口地面瓦斯抽排試驗井。但由於技術、設備等條件限制，試驗未達到預期效果。

上個世紀90年代，煤層氣開發出現熱潮，在不同地區開展了煤層氣開發試驗。經過十餘年發展，取得了重大突破。據統計，截止2005年底，全國共施工先導性試驗井組8個，各類煤層氣井615口，其中多分支水準井7口。2005年，地面煤層氣抽采不足1億立方米。

我國煤層氣可采資源總量約10萬億立方米，其中大於1000億立方米的盆地(群)有15個：二連、鄂爾多斯盆地東緣、滇東黔西、沁水、准噶爾、塔里木、天山、海拉爾、吐哈、川南黔北、四川、三塘湖、豫西、寧武等。二連盆地煤層氣可采資源量最多，約2萬億立方米；鄂爾多斯盆地東緣、沁水盆地的可采資源量在1萬億立方米以上，准噶爾盆地可采資源量約為8000億立方米。(二)井下抽采

煤礦井下瓦斯抽采始於上個世紀50年代初。經過五十年的發展，煤礦井下瓦斯抽采，已由最初為保障煤礦安全生產到安全能源環保綜合開發型抽采；抽采技術由早期的對高透氣性煤層進行本煤層抽采和采空區抽采單一技術，逐漸發展到針對各類條件適合於不同開採方法的瓦斯綜合抽采技術。

主要專案有：山西沁水棗園井組煤層氣開發試驗專案，生產試驗井15口；遼寧阜新劉家井組煤層氣開發專案，鑽井8口，單井日均產氣3000立方米以上；山西晉城潘莊煤層氣地面開發專案，施工了175口煤層氣井，日產氣約10萬立方米；山西沁南潘河先導性試驗工程，計畫施工900口煤層氣井，到2005年底完成鑽井100口，日產氣約8萬立方米。1.3煤層氣(煤礦瓦斯)利用現狀

我國煤層氣(煤礦瓦斯)利用進展緩慢。2005年，全國利用量約10億立方米。煤礦瓦斯利用主要集中在抽采量高的國有重點礦區。地面鑽井抽采利用，主要集中在山西沁水棗園井組、遼寧阜新劉家井組、晉城潘莊、山西沁南潘河專案等，採取管匯車運輸銷售，供周邊地區使用。

目前，煤層氣主要用於民用和工業用燃料、發電、汽車燃料、生產炭黑等。其中，瓦斯發電發展較快，至2005年底，全國瓦斯發電裝機容量約20萬千瓦。生產瓦斯燃氣發電機組的國內主要生產廠家有：山東勝利油田動力機械設備廠、濟南柴油機廠、江蘇南通寶駒集團等。工業瓦斯鍋爐的國內生產廠家有：廣東迪森、上海新業、青島四方、太原綠威等。1.4存在的主要問題

(一)缺乏有力的扶持政策

地面開發煤層氣初期投入高、產出週期長、投資回收慢。煤層氣開發企業在產業發展初期積極性不高；礦井平均瓦斯利用率僅在30%左右。

(二)基礎理論研究和技術創新不夠

瓦斯治理和利用難度大，從理論和技術方面都存在許多關鍵性難題，特別是社會公益性研究被大大削弱，瓦斯治理和利用等方面的技術研究和創新進展緩慢。

(三)煤礦瓦斯抽采難度增大

我國高瓦斯礦井多，煤層瓦斯含量高、壓力大、透氣性差、抽采難度大。

(四)煤層氣和煤炭礦業權重疊

煤層氣和煤炭是同一儲層的共生礦產資源。目前，由於部門之間、企業之間不協調，造成煤層氣開採權和煤炭開採權設置重疊，影響了煤炭產業的發展。

2我國煤層氣賦存的特徵2.1煤層瓦斯的低滲透率我國煤層滲透率較低，平均在0.002～16.17毫達西。其中，滲透率小於0.10毫達西的占35%；0.1～1.0毫達西的占37%；大於1.0毫達西的占28%；大於10毫達西的較少。撫順煤田的滲透率相對較高，但也只有0.5-3.8md，水城、豐城、鶴崗、開灤、柳林等礦區高滲透煤層滲透率只有0.1-1.8md，其他地區絕大多數實測的滲透率值都在0.001md以下，比美國的SanJuan盆地和BlackWarrior盆地低3-4個數量級。

(五)煤層氣(煤礦瓦斯)利用受限制

開發與市場脫節，缺乏低濃度瓦斯的安全輸送和利用技術；瓦斯發電上網難、入網價格低，發電企業無利可圖，限制了礦井瓦斯抽采利用。

(六)煤礦瓦斯直接排空對環境影響較大煤層氣的溫室效應約為二氧化碳的21倍。據測算，我國煤炭開採、加工、運輸過程中每年釋放瓦斯約150億立方米，對環境影響較大。圖4-2煤層氣成藏模式圖

煤層滲透率的影響因素十分複雜，原岩應力狀態、煤層埋深、煤的變質程度、煤岩組分等都將不同程度地影響煤層滲透率。一般情況下，煤層滲透率隨壓力（或深度）的增加而減小，如圖4-3所示。與美國、澳大利亞相比，中國的煤層氣儲層所承受的地應力大，美國黑勇士盆地地應力值1-6MPa，澳大利亞東部悉尼盆地鮑恩盆地1-10MPa，少數達14MPa(Enever，1996)，中國很多地區的地應力相當於或大於這些地區的高限值。

煤層滲透率是影響瓦斯抽放難易程度的最主要因素，我國煤層瓦斯抽采難易程度劃分為三類（見表4-1）。圖4-3原地應力與滲透率的關係表4-1煤層瓦斯抽采的難易程度劃分表分類鑽孔流量衰減係數(d-1)煤層透氣性係數(m2/MPa2.d)容易抽采<0.003>10可以抽采>0.003-0.05<10-0.1較難抽采>0.05<0.12.2煤層瓦斯壓力較低一般瓦斯壓力隨煤層埋深增大而增大，可用壓力梯度去衡量煤層瓦斯壓力的大小。為了在煤層瓦斯壓力評價中統一方法和原則，將煤層瓦斯壓力劃分為三種類型(表4-2)。表4-2煤層瓦斯壓力梯度類型劃分方案

我國煤層瓦斯壓力梯度大小變化幅度很大，最低值為1.2kPa/m(撫順)，最大值為13.4kPa/m(天府)，但大部分屬於低壓瓦斯。我國部分礦區瓦斯壓力梯度及類型見表4-3。煤層瓦斯壓力低影響煤層氣產率，不利於瓦斯抽放。壓力梯度（KPa/m）煤層瓦斯壓力類型＜9.5低壓9.5-10.0正常＞10.0高壓表4-3我國部分礦區瓦斯壓力梯度及類型礦區瓦斯壓力梯度（kPa/m）數據個數瓦斯壓力類型最小最大平均值低壓南桐6.311.89.49低壓松藻4.84.54.82高壓天府9.413.411.46低壓中梁山7.49.98.95低壓芙蓉3.54.74.12低壓六枝4.611.66.98低壓水城4.57.45.53低壓白沙5.911.28.69低壓漣邵6.510.58.17低壓淮南3.27.75.410低壓北票7.511.39.36低壓撫順1.25.62.97低壓3煤層吸附瓦斯能力高煤對瓦斯的吸附能力受多種因素的影響，主要影響因素有壓力、溫度、礦物質含量、水分含量、煤階、岩性、氣體組分等。

1、壓力：隨著壓力的增加，吸附氣量增加，如圖4-4所示。

2、溫度：溫度總是對脫附起活化作用，溫度越高，游離氣越多，吸附氣越少，如圖4-5所示。圖4-4瓦斯壓力與吸附瓦斯量關係曲線圖4-5溫度對瓦斯吸附量的影響曲線

3、水分含量：水為極性分子，吸附於煤中，從而取代甲烷的位置，水分在煤吸附過程中起著極其重要的作用，水的存在，降低了煤中甲烷吸附量。然而從宏觀上認識，沒有水封堵，也難以形成較大的煤層甲烷吸附氣氣藏。

4、煤階：煤階是煤層氣的生成和煤的吸附能力的重要影響因素之一，對煤層氣含量起控制作用。當煤樣為乾燥煤樣時：煤的吸附能力(蘭氏體積)隨煤階（鏡質體反射率R0，%）增高呈U字型變化。當煤樣為平衡水分煤樣時：煤的吸附能力與煤階的關係為一倒U字型，如圖4-6所示。

5、煤岩的顯微組分：煤主要由四種有機組分組成：鏡質組、殼質組、惰質組和絲質組。惰質組中微孔發育含量越高，吸附量越大；在惰質組含量不高時，吸附量隨鏡質組的增多而增大。原因是絲質組就沒有胞腔或微孔，吸附量最小。圖4-6煤階與煤的吸附能力的關係4區域地質構造對瓦斯分佈區域的控制地球的地貌與地殼內所發生的各種地質過程有極其密切的聯繫。構造凹地是由於地球內動力作用，斷塊拉伸作用，形成凹地（窪地）或斷陷盆地，屬於明顯的構造異常區域，較大地影響到礦區的岩體應力狀態。

在這樣的區域地質構造下，煤層處於封閉型地質構造的控制，透氣性較差，不利於瓦斯排放，容易造成瓦斯積聚，形成高壓瓦斯集中區。例如，利用地質動力區劃方法，對淮南礦區區域構造形式初步分析得出：淮南煤田是典型的棋盤格構造形式，處在經度凹地和緯度凹地的相交區域，如圖4-7、4-8所示。

圖4-7地質動力區劃方法所確定的淮南凹地

圖4-8淮南凹地剖面圖

閉合而完整的背斜或穹窿構造並且覆蓋不透氣的地層是良好的儲存瓦斯構造。在其軸部煤層內往往積存高壓瓦斯，形成“氣頂”，如圖4-9(a)、(b)、(c)所示。對於低透氣性煤層的向斜構造，由於軸部煤(岩)層受到強力擠壓而使其透氣性變得更差，一般軸部可以封存比兩翼更高的瓦斯；

而對於高透氣性煤層則由於其軸部和兩翼裂隙發育，有利於瓦斯的逸散，補給瓦斯量越接近軸部越趨於枯竭，見圖4-9(f)。受構造影響形成煤層局部變厚的大煤包也會出現瓦斯含量增高的現象。這是因為煤包周圍在構造擠壓應力作用下煤層變薄，形成對大煤包瓦斯的封閉條件，有利於瓦斯的大量積聚，如圖4-9(d)、(e)所示。由兩條封閉性斷層與緻密岩層封閉的地壘或地塹構造也能成為瓦斯含量增高區，見圖4-9(g)、(h)，特別是地壘構造往往由於有深部供氣來源，瓦斯含量會明顯增大。

斷層對瓦斯含量的影響比較複雜，一方面要看斷層（帶）的封閉性；另一方面還要看與煤層接觸的對盤岩層的透氣性。開放性斷層通常會引起斷層附近的煤層瓦斯含量降低，當與煤層接觸的對盤岩層透氣性大時，瓦斯含量降低的幅度更大，圖4-10(a)、(b)。封閉性斷層處的煤層圍岩層透氣性低時，可以阻止煤層瓦斯的排放，煤層具有較高的瓦斯含量圖4-10(c)。圖4-10(d)表示煤層被兩條封閉性逆斷層分割成三個斷塊時瓦斯含量分佈的情況。

圖4-9幾種常見的瓦斯儲存結構

1—不透氣性岩層；2—瓦斯含量增高部位；3—煤層圖4-10斷層對煤層瓦斯含量的影響1-瓦斯散失區；2-瓦斯含量降低區；3-瓦斯含量異常增高區；4-瓦斯含量正常增高區；5-地表

二、我國煤層氣開發的現狀和技術途徑1瓦斯抽放技術體系

瓦斯抽放分為地面鑽井抽放和井下抽采兩大類，如圖4-11、4-12所示。按煤層氣開採方法、卸壓瓦斯的來源及卸壓瓦斯抽放方法的不同，構建了“煤與煤層氣共采”技術體系圖，如圖4-13所示。圖4-11地面煤與瓦斯協調開採示意圖

圖4-12井下煤與瓦斯協調開採示意圖

圖4-13煤與瓦斯協調開採技術體系

2瓦斯抽放現狀我國煤礦井下的瓦斯抽放始於20世紀50年代，其中撫順、陽泉是抽放量最大的礦區。2005年瓦斯抽采量23億m3，平均利用率達40％左右。年抽采量超過1億m3的礦區有陽泉、晉城、淮南、松藻、盤江、水城和撫順等7個礦區。目前中國煤層氣產能晉城煤業集團藍焰公司：15~30萬m3/d

中聯煤層氣有限責任公司：10~15萬m3/d

遼寧阜新礦業集團：3萬m3/d三、煤與瓦斯協調開採技術1井下瓦斯抽采技術由於我國煤層氣低滲透率的特點，利用煤層開採引起岩層的移動破壞增大煤層滲透性，在採煤的同時高效抽放卸壓瓦斯，是我國煤層氣開採的主要途徑。

1.1鑽機

目前，常用的鑽機有：煤炭科學研究總院西安分院生產的MK系列鑽機，孔深75-600m，孔徑75-200mm；煤炭科學研究總院重慶設計院生產的ZYG—150型鑽機，孔深150m，孔徑65-115mm；MK-6、MK-7鑽機如圖4-15、4-16所示。圖4-15MK-6鑽機實圖圖4-16MK-7型鑽機實圖

1.2瓦斯抽采方法的選擇原則選擇礦井瓦斯抽采方法應依據礦井煤層賦存條件、瓦斯基本參數、瓦斯來源、開採順序、巷道佈置、瓦斯抽采的目的及利用要求等因素確定，並遵循以下原則：（1）盡可能利用開採巷道抽采瓦斯，必要時可設專用瓦斯抽采巷道；（2）能適應煤層的賦存條件及開採技術條件；（3）有利於提高瓦斯抽采率；（4）抽采的瓦斯量和濃度能滿足利用要求；（5）儘量採用綜合瓦斯抽采方法；（6）瓦斯抽采工程系統簡單，易於維護，建設投資省，抽采成本低；（7）若圍岩瓦斯湧出量大，以及溶洞、裂隙帶儲存有高壓瓦斯時，應採取圍岩瓦斯抽采措施；

（8）煤層埋藏較淺(一般600m以內)、瓦斯含量較高、地面施工鑽孔條件較好的厚煤層或煤層群，應採用地面鑽孔抽采瓦斯的方法。

1.3開採層瓦斯抽采技術（1）開採層建立瓦斯抽放系統的基本條件一個採煤工作面的瓦斯湧出量大於5m3/min或一個掘進工作面瓦斯湧出量大於3m3/min，用通風方法解決瓦斯問題很困難；開採有煤與瓦斯突出危險煤層；礦井絕對瓦斯湧出量達到以下條件的：①大於或等於40m3/min；②年產量1.0-1.5Mt的礦井，大於30m3/min；③年產量0.6-1.0Mt的礦井，大於25m3/min；④年產量0.4-0.6Mt的礦井，大於20m3/min；⑤年產量≤0.4Mt的礦井，大於15m3/min。

（2）開採層瓦斯抽采方法按下列要求選擇①煤層透氣性較好，應採用本層預抽方法，一般優先考慮沿煤層布孔方式；②透氣性較差，分層開採的煤層，應採用邊采邊抽的卸壓抽放方法；③單一低透氣性高瓦斯煤層，可選用密集網格鑽孔、水力割縫、水力壓裂、物理化學等方法強化抽采；④存在煤與瓦斯突出危險的煤層，應優先選擇穿層網格布孔方式；⑤煤巷掘進瓦斯湧出量較大的煤層，應採用先抽後掘的抽采方式；1.4鄰近層瓦斯抽采技術（1）開採近距離煤層群，應採用從工作面巷道向鄰近層打垂直或斜交穿層鑽孔抽采瓦斯的方法。

（2）層間距較大的傾斜、急傾斜煤層群，可採用從開採層頂(底)板岩石巷道打鑽孔瓦斯抽采的方法。（3）當鄰近層或圍岩瓦斯湧出量較大時，可在工作面回風側沿開採層頂（底）板佈置水準長鑽孔(或高位鑽孔)抽采鄰近層瓦斯。

1.5采空區瓦斯抽采技術（1）采空區瓦斯抽放應符合下列要求①采空區應選用全封閉式抽放方法。②現采空區可根據煤層賦存條件和巷道佈置情況，採用頂(底)板鑽孔、埋管法等抽采方法，並應採取措施，提高瓦斯抽采濃度。③對有自燃發火傾向的煤層瓦斯抽采，必須採取預防煤層自燃的措施。

（2）采空區高位頂板孔抽采鑽孔佈置（圖4-17）在煤層工作面回風巷中，沿回風巷煤層走向，一般退後30m位置向工作面采空區施工煤層頂板穿層鑽孔，鑽孔終孔點進入開採煤層裂隙帶，接管抽采采空區瓦斯。圖4-17采空區高位頂板孔佈置示意圖

1.6鑽場及鑽孔佈置技術（1）鑽場佈置原則①鑽場的佈置應免受采動影響，避開地質構造帶，便於維護，利於封孔。②儘量利用現有的開拓、準備和回採巷道佈置鑽場；大直徑鑽孔(300-500mm)或“高抽巷”應佈置在上覆岩層裂隙帶內。③走向高抽巷宜佈置在工作面偏回風順槽l/3工作面長度處。（2）鑽孔佈置的要求

1)、采空區瓦斯抽采的鑽孔或埋管應佈置在采空區回風側。

2)、穿層鑽孔方向應盡可能正交或斜交煤層層理。

3)、順層鑽孔一般以3-5個孔為宜；穿層鑽孔一般以6-9個孔為宜。

4)、穿層鑽孔的終孔位置，應穿過煤層頂(底)板0.5m。

5)、單一煤層噸煤抽采鑽孔工程量應大於0.12m，煤層群噸煤抽采鑽孔工程量應大於0.10m。突出危險煤層的突出危險區噸煤抽采鑽孔工程量不得低於0.12m。

（3）採煤工作面預抽瓦斯鑽孔佈置技術（圖4-18）

（4）煤層掘進工作面邊掘邊抽鑽場、鑽孔佈置技術（圖4-19）6)、抽采鑽孔嚴格按設計參數進行施工，其方位角和傾角誤差不超過±2°，開孔位置誤差不超過±50mm。

7)、開採層順煤層鑽孔，煤厚2m以下佈置單排鑽孔、煤厚2m以上時佈置雙排鑽孔。2地面鑽井瓦斯抽放技術煤層氣地面開採技術主要包括鑽井、完井、采氣和地面集氣處理生產系統。有兩種開採情況，一是在沒有採煤作業的煤田內開採煤層氣；二是在生產礦區內開採煤層氣。圖4-20為晉城寺河礦井地面瓦斯抽放系統。

圖4-20寺河礦井地面瓦斯抽放系統

地面瓦斯抽放鑽井現場2.1鑽井技術常用的鑽井技術有普通回轉和衝擊回轉兩種衝擊回轉技術利用空氣或空氣泡沫作為迴圈介質來鑽進煤層氣井，普通回轉鑽進使用泥漿作為迴圈介質來鑽進煤層氣井。在鑽進時幾乎沒有地層水湧入鑽井時，空氣迴圈不僅可以有效地清除鑽屑，而且可以排除產出水。圖4-21表明普通回轉鑽探技術與衝擊回轉鑽探技術的區別。圖4-21普通回轉鑽進和衝擊回轉鑽進技術對比圖2.2完井技術

煤層氣井完井技術指煤層氣井與煤層的連通方式，以及為實現特定連通方式所採用的井身結構、井口裝置和有關的技術措施。在選擇煤層氣井的完井方法時應最大限度地保護煤層，防止對目標煤層造成傷害，減少煤層氣流入井筒的阻力。（1）裸眼完井和下套管完井（2）複合完井增產技術（3）定向羽狀水準井技術（3）定向羽狀水準井技術完井後的采氣井場圖2.3采氣技術當煤層滲