采矿新技术(7)绿色开采技术

一、煤炭资源环境与安全问题
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
4. 煤矸石的露天排放问题
裂 隙 带
冒
落
带
机巷
底
鼓
破
碎
带
地表
地面钻井
风巷 首采煤层
三、煤与瓦斯共采技术
弯 曲 下 沉 带
裂 隙 带
冒
落
带
机巷
底
鼓
破
碎
带
地表
底板巷
穿层钻孔
风巷 首采煤层
三、煤与瓦斯共采技术
地表
弯 曲 下 沉 带
裂 隙 带
冒
落
带
机巷
底
鼓
破
碎
带
风巷 首采煤层
底板巷
穿层钻孔
瓦斯抽采量/Mm3
三、煤与瓦斯共采技术
突水
否 是否发生 渗流失稳
是
不突水 突水
复合隔水 关键层
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
垂直渗流速度 (m/s) 垂直渗流速度 (m/s)
(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
0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00
H
Hz
充填开采
顶板下沉
等价采高
❖ 矸石充填开采岩层移动控制稳定性判据 Hmax——建筑物H变z 形≤能H承m受ax的最大允许采高。
（一）矸石充填采煤技术
❖ 矸石的松散与压实性能
自制实验系统
n
k
2.0
g1
1.8
g3
1.6
g5
1.4
1.2
1.00
10
20
30
40
σ/ MPa
矸石碎胀系数与压应力
0.5
g1
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
采用顶板水转
矿
井
移并利用采空区矸
水
石吸附过滤净化方 洁
A
净
法，水质指标达到 水
A
工业和农业用水标
A —A
准，实现年废水复
用1700万m3。
四、保水采煤技术
❖ 向下伏储水层转移顶板水
280mm 130mm
滤水管
第四系 松散层
130mm
滤水 管
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
1. 近年来全国煤炭产量状况 2. 煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放 3. 煤矿突水灾害与水资源破坏 4. 煤矸石的露天排放问题
一、煤炭资源环境与安全问题
第四系 松散层
套管 滤水管
不同粒径的滤料
直罗组 与延安 组上段
2-2煤层
直罗组与延 安组岩层
2-2煤层
承压含水层
承压含水层
变径永久 止水段
套管
滤水 管
第四系含水层
直罗组 与延安 组上段
2-2煤层
直罗组与延 安组岩层
2-2煤层
承压含水层
承压含水层
变径永久 止水段
(a) 回灌孔
(b) 观测孔
图9 石圪台矿回灌孔与观测孔设计图
含水层 泥质岩(隔水)
Ⅱ 高位隔水层结构
含水层 泥质岩(隔水)
砂岩
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
1.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
地表水和水源地 烧变岩孔洞水
第四系潜水 基岩裂隙水
赋存条件
河谷及其附近 第四系含水层
烧变岩带 孔洞含水层
3. 煤与瓦斯共采效果
中国煤矿瓦斯抽采量的增长情况
4500 4000
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
3500 3000 2500
山西、辽宁、安徽、重庆等5个省 市年抽采量超过2亿立方米
2000
1500 1000 150
500 1965
0
328 1985
0
20 40 钻孔位置
60
80
恢复
s17孔
100
120 140
孔底128m 水全部漏失
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
天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量的 23.4%，提高1.3个百分点。
2018年煤炭消费量占能源消费总量的59%
一、煤炭资源环境与安全问题
2. 煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放
高瓦斯及煤 与瓦斯突出
低瓦斯
中国在地下2000 m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。
煤矿瓦斯灾害依然突出， 2019 年 全 国 煤 矿 发 生 死 亡 事 故 170 起、死亡316人，分别下降24.1％ 和5.1％；继2018年百万吨死亡率 首次降到0.1后，2019年继续下降 10.8 ％ ， 为 0.083 ， 瓦 斯 事 故 死 亡 人数占30％；2004年底至2005年初， 大平煤矿、陈家山煤矿、孙家湾煤 矿曾经接连发生3起一次死亡百人 以上特大瓦斯事故。
1.2019年全国煤炭产量
2019年，全国原煤累计产量37.5亿吨，同比增长4.2%
2010-2018年中国原煤产量与煤炭消费量情况（单位：亿吨）
2019年我国国内生产总值能耗比上年下降2.6%，国内生产总值 二氧化碳排放下降4.1%，国内生产总值用水量下降6.1%。煤炭消费 量占能源消费总量的57.7%，比上年下降1.5个百分点；
❖ 采动覆岩导水裂隙通道发育高度
(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)
12610
4.8
40～45
40～45
12404
3.4
31～37
31～37
12201
4.0
40～50
40～49
31401
5.3
120～190
105～154
0.4
g3
g5 0.3
0.2
0.1
0
10
20
30
40
σ/ MPa
矸石孔隙率与压应力
（一）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 0.2 ~ 0.3 p
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
（一）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
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
三、煤与瓦斯共采技术 1. 瓦斯抽采方法分类
煤矿瓦斯抽采方法
采前抽采 （预抽）
采中抽采 （边采边抽）
采后抽采
三、煤与瓦斯共采技术
采前抽采(预抽)
本煤层抽采
邻近层抽采
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
实际效果
煤矸石的排放
露天排放 制砖等
占用土地、污染环境、爆炸 用量少、产品质量、环保等问题
迁村开采 吨煤增加成本50元左右，历史与文化问题
“三下”压煤 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
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
实施目标
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
我国现有矸石山1600余 座 ， 堆 积 量 超 过 45 亿 t ， 占 地超过15000 hm2。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。
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
——建立矸石充填开采岩层控制理论
岩层移动控制目标 绝对不移动
控制移动量
充填技术控制目标
充入与开采等量的矸石
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
理论上 需解决 的问题
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
（一）矸石充填采煤技术
❖ 矸石充填开采等价采高的概念
水
文
弱水区
地 质
泉域水源地区
结
构
烧变岩富水区
多层隔水层结构Ⅰ
分
有水区
区
无隔水层水区
高位隔水层结构Ⅱ
有隔水层水区
低位隔水层结构Ⅲ
隔水层侧切结构Ⅳ
隔水层缺失结构Ⅴ
wenku.baidu.com
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
含水层 砂质泥岩(隔水)
砂岩 泥岩(隔水)
Ⅰ 多层隔水层结构
含水层 砂岩
泥质岩(隔水)
600 1995
4400 2007
三、煤与瓦斯共采技术
全国煤矿百万吨死亡率
四、保水采煤技术
——以神东矿区为例 1. 全矿区保水采煤分区与保水对策 2. 控制隔水关键层结构与渗流稳定 3. 水资源转移存储与综合利用 4. 主要技术特点
四、保水采煤技术 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
萨拉乌苏组 含水层
直罗组砂岩 延安组砂岩 裂隙含水层
富水性
保水方法和 关键技术
强 保护区范围内限采
强
侧向保水煤柱
弱-强
保护隔水关键层、 转移存贮等
弱
常规开采
四、保水采煤技术
2. 控制隔水关键层结构与渗流稳定
❖ 隔水关键层结构与渗流稳定性
结构稳定判据
n1
n
n
s
刚度：
Eihi3 ihi ＜ Eihi3 ihi
四、保水采煤技术
4. 主要技术特点
（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。
i 1
i 1
i 1
i 1
强度： l1＜ln+1
渗流稳定判据
k
40 ( p0
n
pn )
i 1
n i 1
hi i
1 cai 2
n j 1
j hj
caj
＜1
图3 4层岩层组成的关键层 力学模型
四、保水采煤技术
❖ 隔水关键层判别流程
隔
水 关
否
键 破断否?
层
稳
破
定
断
性
不突水
隔水关键层
与含水层 否 间是否有 软岩层? 是
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
水位深度 /m
31401面与钻孔间距 /m
-90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270
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
地表
首采煤层
三、煤与瓦斯共采技术
弯 曲 下 沉 带
裂 隙 带
冒
落
带
机巷
底
鼓
破
碎
带
地表 风巷 首采煤层
三、煤与瓦斯共采技术
弯 曲 下 沉 带
裂 隙 带
冒
落
带
机巷
底
鼓
破
碎
带
地表
走向高抽巷
风巷 首采煤层
三、煤与瓦斯共采技术
（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。
五、充填采煤技术
（一）矸石充填 1. 解决相关问题的思路 2. 总体技术框架 3. 主要技术研究内容 4. 主要技术特点
（一）矸石充填采煤技术
1. 解决相关问题的思路
存在问题 传统办法
地表
弯 曲 下 沉 带
裂 隙 带
冒
落
带
机巷
底
鼓
破
碎
带
倾向高抽巷
风巷 首采煤层
三、煤与瓦斯共采技术
弯 曲 下 沉 带
裂 隙 带
冒
落
带
机巷
底
鼓
破
碎
带
地表
倾向穿层孔
风巷 首采煤层
三、煤与瓦斯共采技术
地表
弯 曲 下 沉 带
裂 隙 带
冒
落
带
机巷
底
鼓
破
碎
带
顶板走向孔
风巷 首采煤层
三、煤与瓦斯共采技术
弯 曲 下 沉 带
-80 -40 0 40 80 120 160 200 采场推进距离 (m)
0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00
-80 -40 0 40 80 采场推进距离 (m)
120 160 200
(a) 采场推进40m
(b) 采场推进60m
图6 采空区上方垂直渗流速度分布图
四、保水采煤技术
（一）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
矸石分选与输送
井下 地面
掘进矸石
井
下
煤流矸石
分 矸
系
统
老矸石山
投
料
系
固体废物
统
井 下 矸 石 仓
井 下 矸 石 运 输
矸石充填置换煤
综采矸石充填 普采矸石充填 巷采矸石充填
（一）矸石充填采煤技术
3. 主要技术研究内容 ❖ 项目研究的难点之一
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)
回采工作面抽采
掘进工作面抽采
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