煤矿绿色开采(许家林201306).ppt

煤矿绿色开采技术 许家林 中 国 矿 业 大 学 2013年5月30日 许家林教授简介 1984年入中国矿业大学采矿系学习，分别于1991年和1999 年获采矿工程硕士和博士学位，师从钱鸣高院士。 主要从事煤矿岩层控制与绿色开采技术方向研究与教学， 出版矿山压力与岩层控制、煤矿绿色开采等著作 4部，发表论文150余篇。 曾获煤炭青年科技奖、江苏省“青蓝工程”中青年学术带 头人、教育部“新世纪优秀人才支持计划”。 联系方式 江苏徐州，中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 提 纲 第一讲 绿色开采的概念与技术框架 第二讲 导水裂隙带高度预计新方法 第三讲 隔离注浆充填不迁村采煤技术 第一讲 绿色开采的概念与技术框架 一、煤炭开采损害与环境问题 二、绿色开采的概念与内涵 三、绿色开采的技术框架 矸石排放 岩层运动 地表沉陷 煤层开采煤层开采 顶板事故 突水事故 瓦斯事故 安全问题安全问题环境问题环境问题 破坏土地与建筑 破坏地下水资源 矸石占地与污染 排放瓦斯污染大气 一、煤炭开采损害与环境问题一、煤炭开采损害与环境问题 土地破坏与“三下”压煤问题 p 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）压煤是重要根源。 p 平均每采万吨原煤造成塌陷土地 0.2-0.3公顷，平均每年新增塌陷 地约3-4万公顷。 煤矸石的露天排放问题 p 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。 p 矸石山严重污染空气和地下水，甚 至存在爆炸危险。 煤矿突水灾害与水资源破坏问题 p 我国60%的矿区为石二叠系含煤地 层，其中80%受到严重的突水威胁 。 p 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。 煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放 中国在地下2000 m范围内具有 3035万亿m3煤层气资源,每年排 放煤矿瓦斯70190亿m3。 煤矿瓦斯灾害严重。 二、煤矿绿色开采的概念 煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术,在基本 概念上是从广义资源的角度上来认识和对待煤、 瓦斯、水、土地、矸石等一切可以利用的各种资 源；基本出发点是从开采的角度防止或尽可能减 轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响；基本 手段是控制或利用采动岩层破断运动；目标是在 取得经济效益的同时,实现最佳的环境效益和社 会效益。 煤矿绿色开采的特点之一 从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭；地 下水；煤层内所涵的瓦斯；土地以至于煤矸石以 及在煤层附近的其他矿床都应该是经营这个矿区 的开发对象而加以利用。 矿井瓦斯定义：矿井中主要由甲烷为主的有害气 体。-煤层气 瓦斯抽放-煤层气开采（抽采） 矿井水文地质类型：根据矿井水文地质条件、涌 水量、水害情况和防治水难易程度，类型。 煤矿绿色开采的特点之二 从开采的角度采取措施，从源头消除或 减少采矿对环境的破坏；而不是先破 坏后治理。因而，矸石的井上处理与 土地复垦是属于环境治理问题，而不 属于绿色开采问题。 煤矿绿色开采的特点之三 开采引起环境与主要安全问题的发生都与开采后造 成的岩层运动有关（岩体不破坏上述问题都不会 发生），因而，绿色开采的重大基础理论为： 1）采矿后岩层内的“裂隙场”分布以及离层规律。 2）开采对岩层与地表移动的影响规律。 3）水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律； 4）岩体应力场分布规律及岩层控制技术 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”。 煤炭开采 岩层移动 排放矸石 地下水流失 与突水事故 瓦斯卸压流动、瓦斯事 故与排放瓦斯污染环境 地表塌陷、土地 与建筑物损害 占用土地 污染环境 保水开采煤与瓦斯共采减沉开采矸石减排地下气化开采 绿色开采 关 键 层 理 论 三、煤矿绿色开采的技术框架 减沉开采技术体系 二、减沉开采技术体系 三、保水开采技术体系 保水开采技术体系 四、煤与瓦斯共采技术体系 煤与瓦斯共采技术体系 第二讲 导水裂隙带高度预计新方法 一、顶板异常突水案例 二、关键层位置对导高的影响规律 三、基于关键层位置的导高预计新方法 四、在顶板突水灾害防治中的应用 五、简要结论 松散含水层下采煤示意图 导水裂隙带高度 1. 问题的提出 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 顶板导水裂隙高度预计公式 注：m累计采厚；公式应用范围：单层采厚13 m，累计采厚不超过15 m ；号项为中误差。 1. 问题的提出 工作面煤层采厚 /m 基岩厚度 /m 顶板导水裂隙高度 /m 突水 情况 计算实测 补连塔煤矿 31401 4.41203652140154突水 祁东煤矿 3222 2.5632742突水 祁东煤矿 7114 3.070304562102突水 松散含水层下采煤异常突水案例 1. 问题的提出 s21钻孔冲洗液漏失量变化曲线 s19钻孔冲洗液漏失量变化曲线 补连塔煤矿31401工作面顶板导水裂隙高度工程探测钻孔布置图 2. 关键层位置对导水裂隙发育高度的影响 补连塔煤矿 31401面顶板导水裂隙高度实测结果 孔号观测孔滞后 工作面距离 /m 采厚 /m 导水裂隙高度 /m 基岩柱垂高 /m 实测 规程 预计 s199314.4153.9552122.5 s2110194.4140.5052119.6 (a)突水区域覆岩柱状 33.81 m 95.16 m （b）未突水区域覆岩柱状 2. 关键层位置对导水裂隙发育高度的影响 祁东煤矿7114工作面导水裂隙高度探测结果 孔号观测孔滞 后工作面 推进 速度 m/月 采厚 /m 导水裂隙高度 /m 距离 /m 时间 /d 实测 规程 预计 d110078503.062.045 d216789503.0102.345 7114工作面导水裂隙高度探测方案 7114工作面导水裂隙探测结果 2. 关键层位置对导水裂隙发育高度的影响 两带高度探测孔位置 d 5两带探测孔柱状 29.51 2. 关键层位置对导水裂隙发育高度的影响 两带高度探测孔位置 d 6两带探测孔柱状 28.51 2. 关键层位置对导水裂隙发育高度的影响 亚关键层位置影响导水裂隙发育高度的实验方案与结果 (c) 模型iii ks1 ks2 ks3 pks ks1 ks2 ks3 pks ks1 ks2 ks3 pks 模型i模型ii模型iii 2. 关键层位置对导水裂隙发育高度的影响 h，关键层破断裂缝贯通的临界高度，m； l，第i层关键层破断块体长度，m； h，第i层关键层厚度，m； k，第i层关键层破断裂缝贯通时的张开度，m； ，第i层关键层破断块体回转角，度； ，第i层关键层破断裂缝张开角，度； s，第i层关键层破断块体回转下沉量，m； m，煤层采厚，m； kp，第i层关键层破断后下部岩层综合碎胀系数。 关键层破断裂缝贯通的临界高度结构模型 2. 关键层位置对导水裂隙发育高度的影响 3. 基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法 基岩 顶界面 基岩 顶界面 导高基岩厚度 主关键层位于 （7 10）m 以内？ 收集工作面钻孔柱状资料 判别覆岩关键层位置 计算关键层距煤层高度 否 是 导高（710）m以外最 近的关键层距煤层高度 导 水 裂 隙 带 高 度 导 水 裂 隙 带 高 度 11 （7 10）m m （7 10）m m 基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法流程 工作面钻孔采高/m 主关键 层 高度/m 基岩厚 /m 按规程 预计结 果 /m 按关键 层 预计结 果 /m 实测结 果/m 按规程 预计 结果误 差/m 按关键层 预计结 果 的误差/m 补连塔31401s214.433.8119.6 51.9119.6 140.5 0 88.623.23 补连塔31401s194.433.8122.5 51.9122.5 153.9 5 102.0536.68 祁东7114d13.03.4878.0 44.678.0062.0017.4-16 祁东7114d23.03.48116.0 44.6116.00102.3 0 57.7-13.7 祁东7130d52.8531.8858.33 43.731.8829.51-14.19-2.37 祁东7130d62.8330.4663.31 43.730.4628.51-15.19-1.95 祁东6130d81.931.9767.52 37.531.9732.22-5.280.25 祁东7121d92.37.4989.16 40.389.1666.4826.18-22.68 祁东7121d102.33.4580.85 40.380.8566.8126.51-14.04 兴隆庄2308带22.8108.4134.57 43.576.3572.128.6-4.25 导水裂隙带高度不同预计方法的结果对比 3. 基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法 与我国现有规程中的统计经验公式相比: l新的预计方法充分体现了覆岩关键层位置对导水裂隙发育高 度的影响规律，弥补了将顶板岩性统计均化为坚硬、中硬、软 弱进行导水裂隙带高度预计的不足。 l尤其是当覆岩主关键层位于临界高度（710）m以内时，新 预计方法可以对导水裂隙带高度发育至基岩顶部的异常情况作 出判别，避免顶板突水事故的发生。 l新预计方法能适应不同采厚条件下的导水裂隙带高度预计。 3. 基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法 4. 在顶板突水灾害防治中的应用 利用提出的新预计方法，合理解释了补连塔煤矿和祁东 煤矿异常顶板突水灾害发生机理，都是由于主关键层位置 处于临界高度（710）m以内而导致导水裂隙带发育至基 岩顶部，远大于按规程中的经验公式预计结果。 补连塔煤矿四盘区31401综采面出水位置与出水量 序号出水时间时间距开切眼距离/m两次出水间间距/m 出水量 m3/h 两次出水间间 隔时间时间/d 推进进速度 m/d 12月18日1650200 23月2日1758108300129 33月7日180850250510 44月8日21643564003211.13 54月30日24202562002211.64 65月4日248565200416.25 75月7日255267120322.33 4. 在顶板突水灾害防治中的应用 补连塔煤矿四盘区内各钻孔主关键层位置与突水危险性评价 补连塔煤矿四盘区1-2煤突水危险区域预测结果 l突水危险区域预测结果指导了四盘区突水灾害防治实践。 l31401工作面避免了一次拆面搬家，不仅节约了搬家费用，消除了跳采 煤柱损失，保证了工作面正常回采，取得了显著的经济效益。 4. 在顶板突水灾害防治中的应用 邻近松散含水层开采示意图 祁东矿基岩顶部松散承压含水层（俗称“四含”，厚40m，水压3.8mpa) 松散承压含水层 邻近松散承压含水层采煤压架突水机理 4. 在顶板突水灾害防治中的应用 案例1：祁东煤矿3222工作面压架突水 3222工作面宽150 m，工作面推 进42 m时，老顶来压强烈， 工作面中部5060架支柱活塞 被压死，卡环压裂，3个半小 时内水量由10 m3/h增大到80 m3/h ，最大水量达1 670 m3/h ，终因矿井排水能力不足， 水泵房进水，矿井被淹。由 此造成直接经济损失3648.56 万元，矿井恢复生产费用近1 亿。 煤层厚 度平均 2.5 m， 最小防水 煤岩柱厚 度63m， 预计导水 裂隙高度 为42m。 4. 在顶板突水灾害防治中的应用 案例2：祁东煤矿7114工作面压架突水事故 7114工作面宽176m，煤层 厚度平均2.8m，最小防水煤岩 柱厚度为70m，预计导水裂隙 高度45m。工作面推进44m时 ，顶板来压强烈，压死支架 74 架，顶板涌水量由15 m3/h逐步 增大到60 m3/h 。此次采场压架 突水事故造成了近千万元的直 接经济损失，严重影响了矿井 的正常生产计划。 最小 防水煤岩 柱厚度70m ，预计导 水裂隙高 度为45m。 4. 在顶板突水灾害防治中的应用 主关键层亚关键层 主关键层 松散承压含水层载荷传递作用下关键层复合破断机理 由于松散承压含水层的载荷传递作用，导致一定覆岩条件下关键层 易产生复合破断，使得主关键层位置下移至临界高度（710m）以下， 顶板导水裂隙发育到基岩顶部 ，沟通松散含水层，引发突水灾害 。 高水压作用 无水压作用 4. 在顶板突水灾害防治中的应用 突水 祁东煤矿71煤开采压架突水危险区域预测图 4. 在顶板突水灾害防治中的应用 预爆破钻孔设计 祁东煤矿7121工作面压架突水灾害防治 顶板覆岩柱状 p顶板预裂爆破 p长观孔水位预警 p工作面支护质量监测 p推进速度调控 实现了7121工作面的安全 开采，回收煤炭资源约28.8万 t，实现直接经济效益约7748 万元。 基于长观孔水位突水预警 4. 在顶板突水灾害防治中的应用 （1）揭示了覆岩关键层位置对导水裂隙发育 高度的影响规律。只有当关键层距开采煤层小于 某一临界高度时，关键层破断裂缝才会贯通成为 导水裂隙，且受其控制而同步破断的上覆岩层的 破断裂缝也贯通成为导水裂隙。关键层破断裂缝 贯通的临界高度可以粗略按710倍采厚估算。 5. 简要结论 （2）提出了基于关键层位置的导水裂隙带高 度预计方法。与我国现有的规程中的统计经验 公式相比，新的预计方法充分体现了具体开采条件 下特定的覆岩关键层结构对导水裂隙发育高度的影 响规律，弥补了将顶板岩性统计均化为坚硬、中硬 、软弱进行导水裂隙带高度预计的不足，能适应不 同采厚条件下的导水裂隙带高度预计，是对现有方 法的重要补充和发展。 5. 简要结论 第三讲 隔离注浆充填不迁村采煤技术 一、技术背景 二、技术原理 三、关键技术 四、同类技术对比 五、推广应用效果 一、技术背景 l我国煤矿建筑物压煤开采问题严重 n建筑物（村庄）下压煤开采问题一直是困扰我国煤矿的重大技术 难题。对我国东部矿区而言，这一问题尤为突出。 压压煤村庄压压煤量占总储总储 量比例年征迁费费用吨煤提取征迁费费用 300处处47%810亿亿元2030元/t 淮北矿业集团村庄压煤与搬迁费用 n淮北矿区迁村采煤难度大、费用高、地矿关系复杂，因此，研究 适合淮北矿区条件的不迁村采煤技术必要而紧迫。 n不迁村采煤技术主要有：条带开采、充填开采。 采空区充填 冒落区充填 离层区充填 按充填位置分类 l充填开采主要类型 u充填开采控制沉陷的机理是通过充填来阻止煤层采出后的空洞传递到地表。 u煤层采出空洞是随覆岩破断下沉由下往上逐步传到地表的。 u既可以在采出空洞出现后及时充填，也可以在采出空洞往上传递的过程中进行 充填，以达到阻止采出空洞传到地表的目的。 矸石直接充填 膏体充填 高水材料充填 注浆充填 l煤矿充填的目的是为了控制岩层运动，因此，应深入研究 充填开采岩层破断运动与地表沉陷规律，形成基于岩层移动 和地表沉陷控制要求的充填采煤设计理论和方法。 l从目前充填采煤实践来看，制约充填开采技术推广应用的 主要因素之一是充填采煤能力较低，与煤矿高产高效生产模 式不匹配。因此，应着重研究如何提高充填采煤生产能力。 l制约煤矿开采技术推广应用的另一关键因素是充填采煤成 本相对煤炭售价而言仍然较高。因此，应重点研究如何降低 充填采煤成本的技术途径。 l充填采煤需要研究的关键问题 二、技术原理 l 采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术示意（动画） 通过分区隔离控制工作面处于非充分采动状态，并通过钻孔 高压注浆充填离层区，形成“覆岩结构隔离煤柱充填压 实区”承载结构，控制地表沉陷，实现不迁村采煤。 三、关键技术 关键技术之一：采动覆岩分区隔离参数设计方法 l注浆充填工作面采宽设计方法 l隔离煤柱宽度设计方法 关键技术之二：采动覆岩分区隔离注浆充填工艺 l注浆充填钻孔布置方法 l注浆充填系统与工艺参数 l注浆充填与采煤速度匹配 l关键技术 q 地表 主关键层 亚关键层2 亚关键层1 开采煤层 主关键层破断距 主关键层确定的采宽 充填工作面采宽设计方法 主关键层不破断失稳工作面处于非充分采动状态 充填工作面采宽设计算例 q 主关键层 煤层 关键层破断步距准数lm 关键层不断对应的极限采宽b 关键层与煤层间距h 地表 l主关键层不断的工作面极限采宽为180m； l确定104采区工作面合理采宽为150m左右 。 b(lm+2h/tanq)时 关键层稳定不垮落 亳州煤业股份公司104采区 地 表 主关键层 开采煤层 充填工作面宽度a 隔离煤柱 宽度b q 承载区宽度c 充填工作面宽度a q 承载区宽度c 承载区宽度： 式中：h，注浆层位距煤层高度；q，充分采动角 h 隔离煤柱宽度设计方法 按条带开采煤柱稳定性评价方法设计隔离煤柱保持稳定性 极限强度理论： 采宽a/m150基岩厚度/m268 采高m/m3煤体试件强度/mpa15 注浆段距煤层垂高/m140煤体试样直径d/m0.05 充分采动角/70系数n1.4 表土层厚度/m350安全系数1.5 隔离煤柱宽b45m 隔离煤柱宽度设计方法算例 煤柱b 地表 主关键层 开采煤层 1044宽度a150 70 c48 1042宽度a145 70 c48 90140m 亳州煤业股份公司104采区 关键技术之一：采动覆岩分区隔离参数设计方法 l注浆充填工作面采宽设计方法 l隔离煤柱宽度设计方法 关键技术之二：采动覆岩分区隔离注浆充填工艺 l注浆充填钻孔布置方法 l注浆充填系统与工艺参数 l注浆充填与采煤速度匹配 l关键技术 注浆充填钻孔布置方法 注 浆 段 度 90 120 m 隔 离 段 高 90 140 m 松散层 护壁段 基岩裸孔 注浆段 f216 f91 n形成了双孔错层钻孔布置技术 。 i-i剖面图 平面图 l多层位注浆充填，注浆充填层位上 限为主关键层下，下限为裂隙带上 。 l钻孔平面间距100200m。 l组内钻孔间距：3050m。 注浆充填系统与工艺参数 n注浆充填系统与流程 注浆充填系统及工艺流程 l建设周期短（23个月）； l投资少（200万400万元）； l系统灵活、简便、机动 。 注浆充填系统与工艺参数 n注浆充填材料和配比 粉煤灰浆压缩特性曲线 l粉煤灰密度：0.60.7 t/m3。 l浆体水灰质量比：1.32.0。 l浆体水灰体积比：0.781.2 。 l浆体容重：1.281.41t/m3。 n此外，对注浆充填泵选型、注浆充填压力、采注匹配、注浆 充填时机和终止判据等工艺参数，均形成了相应设计方法。 采煤速度： 压实 注采比： 注浆充填与采煤速度匹配 n按照地表沉陷控制要求确定的压实注采比和每天粉煤灰充填 量确定井下采煤速度。 亳州煤业股份公司 1044工作面注浆充填与采煤速度匹配实例 400t/d 3m/d 为压实注采比；为单位质量干灰转变成 压实灰体的压缩系数；mh为每天注入的干 灰质量，t；r为粉煤灰密度；v为采煤速 度，m/d；a为工作面采宽；m为采高。 800t/d 5.9m/d 四、同类技术对比 技术经济指标工作面宽度采出率减沉率充填系统 充填与采煤 干扰程度 吨煤充 填成本 采动动覆岩分区 隔离注浆浆充填 长长壁面， 100200m 80%80% 建设设周期短 、 投资资少 较较小 年产产量 60-100万t 80% 年产产量 30-50万t 传统 的离层区 注浆充填 长壁面， 100200 m 90%90%80% 建设周期长 、 投资大 很大 年产产量 30-50万t 60元/t l技术经济指标及与同类技术对比 l适用条件 u单一煤层 u基岩厚度较大（100m） u粉煤灰来源可靠且运价合适 u地面具备钻孔施工与注浆充填条件 尤其适合“村庄局部压煤采区”、“因断层影 响储量小的压煤采区”等条件下不迁村采煤 。 五、推广应用效果 淮北矿区村庄压煤采区特点 （1）村庄局部压煤采区 对于上述2类村庄压煤采区，目前仍缺少高效、经济、便捷的 不迁村采煤技术。 （2）受断层影响储量小的压煤采区 注1 注2 注3 注4 注5 祁南煤矿36采区亳州煤业股份公司104采区 “采动覆岩分区隔离注浆充填不迁村采煤技术” 为淮北矿区不迁 村采煤提供了一条新的技术途径，尤其为“村庄局部压煤采区” 、“因断层影响储量小的压煤采区”等条件下不迁村采煤提供了 一条高效、经济、便捷的技术途径，解决了长期困扰淮北矿区 村庄压煤开采问题。 该项技术已在淮北矿业集团全面推广应用，出台并印发了淮 北矿业分区隔离注浆充填技术应用的若干规定（暂行）（淮 矿地测201396号）。 推广应用情况 推广应用情况 序号矿 井压煤采区类型进行程度 1亳州煤业公司104采区村庄下采煤完成 2亳州煤业公司103采区村庄下采煤完成 3海孜煤矿i3采区村庄下采煤完成 4祁南煤矿36采区村庄下采煤完成 5亳州煤业公司76采区村庄下采煤完成 6亳州煤业公司101采区村庄下采煤实施中 7桃园煤矿八采区宿州开发区下采煤实施中 8岱河矿业公司3采区村庄下采煤实施中 9袁店二矿82采区村庄下采煤实施中 在淮北矿区6个煤矿的9个压煤采区得到了推广应用。 亳州煤业股份公司104采区应用效果 n采高3.0 3.2m。倾角平均9。平均采深620m。松散层350m， 基岩平均270m。1044长150m，1042长145m，隔煤柱3254m。 n采出煤量85万t，采出率90%以上；充填粉煤灰17万 t；压实注 采比43.6%。采后实测地表最大下沉298 mm，下沉系数0.1。 亳州煤业股份公司103采区应用效果 n采高3.03.2m；倾角12；采深620m；松散层厚度350m；基岩 厚度270m；1037、1035工作面长