中国煤炭资源绿色开采技术进程与现状

2010年第4

期

能源技术与管理中国煤炭资源绿色开采技术进程与现状

田立波1，刘帆2，陈忠良2

（１．水矿集团格目底公司，贵州六盘水５５３０１５；２．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州２２１００８）

［摘

要］通过分析我国煤炭资源的分布和利用现状，并结合当代国内国际社会发展形势，提

出绿色开采的必要性和紧迫性。简要阐述了绿色开采的基本理论，

并分析了我国绿色开采的发展进程。

［关键词］煤炭资源；绿色开采；关键层；保水开采；煤与瓦斯共采

［中图分类号］TD82［文献标识码］B ［文章编号］1672-9943(2010)04-0140-03

0引言

我国能源分布特点是富煤、贫油、少气，在我

国能源资源储量中煤炭占90%左右，石油占2.9%左右，天然气占0.2%左右，水电占4.7%左右，风能核能约占1.9%。由于可再生能源太阳能和风能的分散、不稳定和成本高等缺点，在我国煤炭仍然是主体能源。2009年中国煤炭产量30.5亿t ，比2008年增加2.6亿t 。目前，我国经济的发展严重依赖煤炭能源的支撑作用，同时，近年来煤炭产量的迅猛增长，凸显了对资源与环境的影响［1］。随着社会经济的发展人们对环境要求也日益提高，因此，在考虑发展可再生能源的同时，应下大力气解决煤炭开发与利用中出现的环境问题，绿色开采就是一条解决该问题经济可行的方法。

1绿色开采技术的理论基础

煤炭开采所引起的环境问题主要是由采动所引起的，与开采后造成的岩层运动有关。岩层运动使岩体松动，形成岩体内“裂隙场”，由此影响离层的发育状态及位置和地表沉陷，从而改变了煤层瓦斯和地下水在裂隙体内的渗流规律。因此，绿色开采的理论基础为：采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布以及离层规律；开采对岩层与地表移动的影响规律；水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律；岩体应力场分布规律及岩层控制技术。岩层中的关键层对整个岩层运动及岩体“裂隙场”起控制作用，与绿色采矿密切相关，岩层控制的关键层理论是绿色采矿的理论基础。因而，一定程度上绿色开

采技术可叫做“基于岩层控制的绿色开采技术”

。我国的绿色开采概念是中国矿业大学钱鸣高院士在2003年提出的［2］，钱鸣高院士提出的基于煤炭绿色开采的技术体系如图1所示

。

doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2010.04.059

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2010年第4期田立波，等中国煤炭资源绿色开采技术进程与现状

2绿色开采的研究进程及主要内容

2.1关键层理论研究的简要回顾

众所周知，煤层开采后上覆岩层将形成结构，该结构的形态及其稳定性将直接影响采场支架的受力大小、参数和性能的选择，同时也将影响开采后上覆岩体内节理裂隙和离层区的分布以及地表塌陷。因此，采场上覆岩层形成的结构特点及其形态一直为采矿工作者所重视。

1996年，在采场老顶岩层“砌体梁”理论基础上，钱鸣高院士及其课题组提出了岩层控制的关键层理论，关键层是指对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层［3］。提出关键层理论的目的是为了研究层状矿体开采中厚硬岩层对岩层中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽放以及突水防治以及对开采沉陷控制等的影响。因此它是绿色采矿技术的最基础的理论。

2.2水资源保护-形成“保水开采”技术

我国水资源分布很不均衡，大概有70%左右的矿区缺水，尤其西部矿区缺水更为严重，对于西部矿区保水开采则是绿色开采的主要内容。水体下采煤的理论依据有“三带”理论和隔水层理论。

2.2.1“三带”理论

对于地面水体，松散层底部和基岩中的强、中含水层水体，要求保护的水源等水体，不容许导水断裂带波及；对于松散层底部的弱含水层水体，允许导水断裂带波及；对于厚松散层底部为极弱含水层或可以疏干的含水层，允许导水断裂带进入，同时允许垮落带波及。

2.2.2隔水层理论

隔水层理论是指水体底面与煤层之间应有相应厚度的隔水层，才能实现水体下安全采煤。因此，研究采动基岩和隔水层的移动规律,揭示导水裂隙形成规律和采动隔水层的稳定性是实现保水开采的基础，而具体的采煤方法需要综合参考隔水层的厚度、隔水层的性能、水体至煤层的距离、采厚、水量大小以及水源等因素。

2.3土地与建筑物保护-形成离层注浆、充填与条带减沉开采技术

我国目前减少煤矿开采造成地表沉陷对地面建筑物和农田破坏的方法有：离层注浆、条带与充填开采,利用这些方法对破坏的农田复垦。

研究实践表明，岩层主关键层对地表移动过程起控制性作用，主关键层的破断将会导致地表快速下沉。因此，通过对主关键层控制地表沉陷，形成“条带煤柱或充填体-上覆岩层-主关键层”结构体系来控制地表沉陷。基于以上认识，提出了煤矿充填开采技术：它仅对采空区的局部或离层区与冒落采空区进行充填，靠覆岩关键层结构、充填体及部分煤柱共同支撑覆岩控制开采沉陷。按部分充填的位置分为三种部分充填开采技术：采空区膏体条带充填、覆岩离层分区隔离注浆充填、条带开采冒落区注浆充填［4］。目前，我国比较成熟的充填方法有，膏体充填，矸石充填，超高水充填。其中超高水充填最具优势，也是充填材料和方法发展的趋势，对于具体煤矿单位还需根据具体情况选择具体充填方法。

2.4瓦斯抽放-形成“煤与瓦斯共采”技术

煤层瓦斯是有害气体，同时又是洁净能源。瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出，一直是我国煤矿所面临的重大灾害。同时，因煤炭开采而排放到大气中的瓦斯还造成了严重的环境破坏。将煤层瓦斯作为一种资源（即所谓的煤层气）加以抽采利用，是解决上述问题的根本出路，也是绿色开采的必须解决的基本问题之一。实践表明，一旦煤层开采引起岩层移动，即使是渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍至数百倍，为煤层气运移和开采创造了条件。因此，利用岩层运动的特点将卸压煤层气开采出来，将是我国煤层气开采的一条重要途径。基于对岩层采动裂隙动态分布规律的认识提出的卸压瓦斯抽采“O”形圈理论［5］，在一些矿区的卸压瓦斯抽采中，对钻孔布置起到了指导作用。阳泉、淮南、晋城、铁法、淮北、松藻等矿区，在煤与煤层气共采中已取得了很大成绩和各自的经验。目前，我国矿井抽采瓦斯的利用率仍然很低，大部分仍排放到大气中，这是煤与煤层气共采需要进一步解决的关键问题之一［6~8］。煤与瓦斯共采技术体系如图2所示。

图2煤与瓦斯共采技术体系

2.5煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术

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