绿色开采技术的研究现状.docx

煤炭开采岩层移动排放矸石 关瓦斯卸压流键地下水流失动、 瓦斯事地表塌陷、土地占用土地层与突水事故故与排放瓦与建筑物损害污染环境 理斯污染环境论保水煤与煤层条带开采少出矸石与煤炭地 开采气共采充填开采 煤巷支护下气化绿色开采技术体系图 1 绿色开采技术体系司光耀，张强（中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008）摘 要：分析了绿色开采技术的内涵及其体系中的关键技术，介绍了绿色开采现阶段所取得的研究成果，并指出今后绿色开采面临的一些亟待解决的问题。关键字：绿色开采；现状中图分类号：td 801文献标识码：a文章编号：1671 9816（2009）03 0040 03research status of green mining technologysi guang-yao，zhang qiang（school of mine，china university of mining & technology，xuzhou 221008，china）abstract: analyzed the key technology of the green mining technology system，and introduced part of the research results that green mining gained at this stage，and pointed out some issues which requiring urgent solution in the future exploitation of the green mining.key words：green mining; status1引 言矿业来说就是要实现“绿色矿业”。“绿色矿业”的核心内容之一就是要实现“绿色开采”。“绿色开采”的 内涵是努力遵循循环经济中绿色工业的原则，形成 一种与环境协调一致的，努力去实现“低开采、高利 用、低排放”的开采技术。随着世界能源形式的持续紧张，我国对煤炭的需求量急剧增长。然而伴随着煤炭产量增长的同时， 因煤炭开采所引起的环境问题也日益突出。近年来 国内外许多专家、学者对于矿产资源的开采、利用、 环境、生态及可持续发展问题均有系统的研究，并提 出了绿色开采技术体系。绿色开采技术立足于煤炭 开采的源头，通过对采煤方法和工艺、岩层控制及相 关技术的研究，改变传统采煤工艺造成的生态与环 境问题，实现煤炭资源的环保、高效、高回收率和安 全开采，根本解决煤炭开采资源采出率低、地表沉陷 与生态环境破坏严重等问题，实现采矿工业的可持 续发展。近几年来，我国的绿色开采理论有了长足的 发展：现已构建了煤炭资源绿色开采的理论与技术 框架，初步建设了绿色开采的实验研究平台，在绿色 开采技术的一些方面取得了突破和进展。绿色开采技术体系2综述3绿色开采技术体系主要包括以下内容：水资源保护形成“保水开采技术”；土地与建筑物保 护形成离层注浆、充填与条带开采技术；瓦斯抽 放形成“煤与瓦斯共采”技术；煤层巷道支护技 术与减少矸石排放技术；地下气化技术。这些内容 构成的绿色开采技术体系简要表达如图 1。2绿色开采技术体系的内涵1、5绿色开采技术体系的提出主旨是将煤矿开采活动对自然环境的影响和破坏减少到最低限度。在举 国上下全力支持发展建设“绿色工业”的大旗下，对收稿日期：2009-03-03作者简介：司光耀（1989-），男，山东邹城人，现中国矿业 大学采矿工程专业 06 级在读本科生。180 1o 形圈15018 m/度长 120向圈圈 倾 90形 8重新压实区形8沿o 11o区 60空83采 3013 188 13o 形圈03050100150200250采空区沿走向长度/m图 2 采动裂隙的“o”形圈分布规律露天采矿技术2009 年第 3 期413.1保水开采煤矿开采过程中破坏了地下含水层的原始径 流，导致地下水大量排出。采空区上方导水裂隙带与 地下水体贯通，也会形成大规模地下水降落漏斗，造 成区域含水层水位下降，直接影响到区域水文地质 条件。由于我国大部分煤矿处于中西部缺水地区，因 煤炭开采所造成的地下水流失严重影响到中西部脆 弱的生态环境。保水开采的关键技术在于通过对开采方法、岩 层控制技术以及开采与岩层水流动相互关系的研究， 解决因煤炭开采造成的水资源流失和土壤沙漠化问 题，研究地下水因开采而形成的渗透、流动规律。近年来，我国研究人员将岩层控制关键层理论 与采动岩体渗流理论相结合，为矿区水灾治理及水 资源保护与利用提供了新的技术途径。还通过建立 保水开采的结构力学模型，提出保水开采机理，建立 顶板含水层保水开采技术，以及以采煤工作面顶板 含水层为主要研究对象，研究采动岩体关键层、含水 层及隔水层的结构耦合效应等。3.2煤与煤层气共采煤层气即瓦斯，长期以来被看作危害矿井安全 的罪魁祸首，以往煤矿对其处理方法都是直接排入 大气，这在一定程度上加剧了全球的温室效应，也是 一种资源的浪费。煤层气作为一种高效、清洁的能 源，其中蕴藏着巨大的经济效益、环境利益。我国的 煤层气储量非常丰富，有着十分广阔的应用前景。绿 色开采技术中的煤与煤层气共采技术，利用煤炭开 采过程中岩层移动形成的离层与裂隙分布规律，及 开采卸压原理，使原聚集在煤炭微裂隙中的瓦斯通 过“导气”裂隙逐步释放，实现煤与煤层气共采。近年来，随着对关键层破断前后裂隙分布规律以 及采动矿山压力引起的岩层移动规律的深入研究， 我国学者提出了“o”形圈理论3。当采空区面积达到 一定值后，“导气”裂隙的分布呈现“o”形圈特征（见 图 2），它是正常回采期间邻近层卸压瓦斯流向采空 区的主要通道，这对卸压瓦斯抽放具有重要意义。3.3条带开采与充填开采传统的长臂垮落式顶板控制4 方法常常会引起 地表大面积沉降，影响地下水的径流，对环境造成不 可恢复性影响。绿色开采技术中的条带开采法是沿 煤层的走向或倾向，将开采区划分为若干个宽度相 等或不等的条带，开采一条，保留一条，利用留下的 条带煤柱支撑顶板，以达到减小地表沉降的目的。这 种方法的优势是简单易行，投资少等，但资源采出率低，对矿井顶板硬度要求较高，且随着开采面积的增大，老煤柱强度降低，支撑力下降，可能造成严重的 大面积垮落事故。相比而言充填开采具有更为广阔 的发展前景，尤其对解决三下（建筑物下、水体下、铁 路下）压煤有着独特的优势。目前可行的充填方法可 分为采空区充填和覆岩离层区填充。现阶段研究重点在于研发新型充填材料，尽可 能利用矿井固体废料，减少固体污染。例如以固体废 弃物（电厂粉煤灰、矸石等）为骨料，以 pl、sl 系列 为胶结材料，形成固体废物膏体材料充填井下采空 区，解决了地表开采沉陷、地下水流失破坏以及采出 率低等重大科学技术问题。近年来，中国矿业大学在 低成本膏体充填材料的开发研制和充填工艺的研究 方面取得了突破性的进展，达到国际先进水平。3.4 少出矸石与煤巷支护井下大量排出的矸石往往堆积形成矸石山，既 占用了大量的土地资源，也会对周围环境产生污染。 绿色开采技术中的少出矸石技术强调多布置煤巷， 少布置岩巷，或多开煤巷以储存井下矸石的矸石井 下处理技术，尽量减少矸石出井量，甚至做到矸石不 出井。煤巷支护的关键技术在于采用高性能预拉力 锚杆支护技术有效控制软散、动压及高应力区域等 复杂地质条件下的围岩稳定性。现阶段的研究成果如下：系统研究和揭示了 深部、动压巷道围岩塑性区的发生、发展过程，以及 松脱型和挤压型 2 类冒顶的实质，科学地解释了动 压巷道底鼓过程、冒顶及其原理；提高支护效能， 及时主动有效加固顶板，消除松脱型冒顶；增大锚 固范围，削弱层状顶板沿弱面的渐次离层和垮冒； 建立“楔形”的强化承载结构，防止锚固区外离层和 挤压型冒顶。3.5 煤炭地下气化技术煤炭地下气化技术是指采用有控制地燃烧处于（下转第 44 页）采矿工程露天采矿技术2009 年第 3 期44采用先进的热处理方法及用斜齿轮、人字齿轮，代替直齿。这些改进是否合理可以通过实践来检验。另外齿轮的变位系数对齿轮的寿命影响较大， 比如太原重型机器厂生产的挖掘机行走大齿轮变位 系数 x=-0.5，而前苏联生产的挖掘机行走大齿轮变 位系数是 x=0.039 776。通过对两种挖掘机的计算比 较，发现在传递相同扭矩的情况下，前苏联的挖掘机 行走大齿轮传动工作时，齿轮的重叠系数小，但抗弯 曲能力强；而太原重型机器厂的挖掘机行走大齿轮 传动工作时，齿轮的重叠系数大，但抗弯曲能力差。 而齿轮的抗弯曲能力和重叠系数的大小，可决定齿 轮是否发生断齿及抗冲击能力的强弱。因此，齿轮的 变位系数一定有个最佳值。这个最佳值确定的因素 很多，必须通过精确的计算和实践来求得。另外，各 厂生产的挖掘机行走大齿轮的精度等级都是 9 级， 随着加工能力的不断提高和进步，可适当提高其精度等级，以提高齿轮的使用寿命。5结 语机械零件都存在一个使用寿命的问题。对于机 械设备中的某些零件远没到使用寿命就经常遭到损 坏，应引起重视。应从设计、加工、使用、维护等方面 分析原因，采取措施，在尊重科学的前提下，有所创 新，从而减少或防止机械设备故障的发生，保证设备 正常工作，为企业创造更大的经济效益和社会效益。 参考文献：1吴宗泽. 机械零件设计手册m.机械工业出版社，2003.2许洪基，陶燕光，雷 光. 齿轮手册m. 机械工业出版 社，2000.3于惠力，潘承怡，何敬忠，等.机械零部件设计禁忌m.机械工业出版社，2006.4丁 康，李巍华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技 术m.机械工业出版社，2005.!（上接第41 页）地下的煤炭，使煤在热作用及化学作用下产生可燃气 体，并将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，变物理 采煤为化学采煤。煤炭地下气化技术具有安全、投资 少、污染小、效益高等特点，特别适用于回收报废矿井 中的煤炭资源，也可进行“三下”及深部煤层的开采。目前，煤炭地下气化技术已取得的研究成果有：结合现有高瓦斯矿井中量大面广的残煤资源回收开 发特点，建立了地下煤层复孔介质耦协场燃烧气化理 论和气化采场围岩固流热质耦协场污染物渗移理论模 型；研制了以虚底移动导控注气为核心，辅以条带多 孔炉型、富氧碳水复合气化剂、井工降温净化、火壁推 进位态监控、井工启动点火与收作熄火等技术群的地 下导控气化新技术；形成一套“能源资源环境”（ere）三者协调的绿色安全复采技术体系； 建立 了中梁山高瓦斯矿井残煤地下导控气化试验基地。4 结 语绿色开采技术自提出以来就受到广泛关注，现 阶段也取得一定的成果。但在高产高效开采技术、绿 色开采方法、绿色开采岩层控制、煤炭地下气化开采 新技术及相关新能源开发工艺、露天矿安全高效生产 与生态重建一体化等方面还待深入研究。以下几方 面问题是绿色开采体系未来发展所必须解决的6，7 :（1）综合机械化放顶煤和短壁开采方法、高产高 效综合机械化开采诊断技术与保障系统以及信息化、可视化开采系统。（2）新材料制备及充填工艺系统、矸石井下处理技术及实验系统。（3）绿色开采条件下的岩层控制与监测技术、巷 道支护新理论、新材料与新技术、矿震动力现象监测 系统等。（4）地下气化开采及相关新能源开发的模拟实 验系统，研究解决燃烧环境下的上覆关键岩层破断 与渗流问题、矿压作用下的煤层燃烧控制技术与优 质稳定产气新工艺以及相关新能源开发试验平台。（5）露天矿山采剥生产与生态重建一体化可控 可视化系统、露天矿山采场与排土场边坡安全监测 监控系统、露天矿山安全高效生产管理信息系统等。 参考文献：1钱鸣高. 绿色开采技术的概念与技术体系j. 煤炭科 技，2003，（4）：1- 3.2钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制m.徐州：中国矿 业大学出版社.2003.174.3钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术j. 中