洁净开采1教材

矿区绿色开采

技术山东科技大学资源工程系主任

郭忠平教授

1、保水开采技术

2、土地与建筑物保护技术

3、煤与瓦斯协调开采技术

4、洁净开采技术

5、煤层地下气化技术

6、矿区废弃地生态修复技术

7、发展前景和工作展望

第四部分洁净开采技术第五部分煤层地下气化技术第七部分发展前景和工作展望

内容提要减矸开采技术井下矸石充填技术技术经济评价洁净开采技术实例第一部分洁净开采技术概述第一部分洁净开采技术洁净开采技术是指在提高煤炭质量的同时，尽量从源头上避免污染物的产生或最大程度控制污染物的生成量及污染程度，使煤炭开采对环境的污染和破坏降低到最低限度的开采技术。为了杜绝或减少煤矸石造成的环境污染，可采取以下两种开采技术：一是采用减矸开采技术，包括开拓部署、巷道布置和采掘工艺等技术措施；二是采用矸石充填开采技术，包括将掘进出矸充填在井下废弃的巷道或硐室内，或将掘进出矸直接用于采空区充填。一、概论温家宝总理在《政府工作报告》中将资源和环境问题提到了十分重要的位置。针对我国煤炭开采过程中存在的资源与环境问题，解决采煤过程中的土地资源、煤矸石资源等问题刻不容缓。我国目前每年由于煤炭开采塌陷土地面积约4万公顷，受煤炭开采影响下沉的土地面积约60万公顷，直接经济损失约20亿元。煤矿开采造成的土地破坏不仅使农民失去赖以生存的土地，而且还导致了一系列严重的社会与生态环境问题。

此外，我国目前全国历年累计堆放的煤矸石约45亿t，规模较大的矸石山有1600多座，占用土地约1.5万公顷，而且堆积量每年还以1.5～2.0亿t的速度增加。排放矸石对人类的生存环境和条件带来很大的威胁与危害。鉴于以上原因，科研人员研发出充填开采法，将矸石或其它固体废物充填至采空区，减轻开采引起的塌陷，同时进行土地复垦。近来正致力研究和正在推广的充填开采技术有：（1）巷道矿石充填技术；（2）长壁综采矸石充填采煤技术；（3）长壁普采（或炮采）矸石充填采煤技术；（4）矸石充填置换永久煤柱技术；（5）矸石胶结充填采煤技术。总体技术框架如图1.1所示。图1.1

洁净开采技术框架图二、减矸开采技术

1矿井开拓与巷道布置1.1全煤巷开拓

全煤巷开拓是矿井实现洁净开采的优选方案。美国、澳大利亚、德国等国的各类矿井几乎都采用多煤巷并行的开拓方法。我国的东胜、神府矿区和山东济宁3号井等大型矿井的设计都是按全煤巷开拓考虑的。目前大多数新建中小型矿井及小煤窑，基本上都是无岩巷开拓。

全煤巷开拓技术依据：⑴机械化开采强度高、回采速度快、生产高度集中，同时维护使用的巷道长度和时间均有所缩短；⑵支护材料和支护技术的发展，使大断面煤层巷道在高强度稳定支护条件下能长期维护使用；⑶高强度长距离胶带输送机、新的辅助运输技术和装备的出现，使井下运输不再依赖于矿车。1.2利用自然条件划分采区边界开拓巷道也可沿断层带、变薄带或火成岩侵入带等掘进，采区内尽量避免有这些地质构造，以利掘进和回采时少破岩石，减少矸石混入。1.3煤层配采与取消岩集

⑴实施不同煤层搭配开采在多煤层矿井中，开拓部署要考虑各煤层的开采程序和灰分、硫分高低煤层之间搭配开采，这样有利于煤质稳定。为避免出现压茬现象，厚、薄煤层也要搭配开采，以降低矿井产煤的灰分。

⑵取消岩石集中巷为集中运输和巷道维护，许多矿井都沿用岩石集中巷进行采区准备，这样就要产出大量矸石。但近几年都在逐渐用煤层集中巷来进行采区准备，这在技术经济上都取得了减少矸石的良好效益。1.4沿空留巷回采巷道采用沿空留巷（无煤柱开采）可减少矿井排矸量和煤中混入矸石的几率，特别是对薄煤层来说，其技术经济效益更大。2.1采煤工艺⑴加大采高、全厚开采随着采煤机械化技术的发展，采高由原来的2.5m提高到4～6m，使过去需用分层开采的煤层改为单一长壁工作面全厚开采,这样就减少了分层开采时矸石和其它杂物混入煤中的几率，降低了原煤含矸率和灰分。2采掘工艺近年来对特厚煤层已广泛采用放顶煤技术，在煤层底部采出2.5m左右的厚度，其上部的顶煤在矿压作用下冒落在支架的后部，然后将冒落的煤从支架后部运输机运出工作面（见图1.2）。这种方法需要选择合理的放煤参数，否则会增加原煤灰分。图1.2放顶煤采煤a—普采放顶煤采煤；b—综采放顶煤采煤⑵煤岩分采当煤层中夹石厚度超过0.3m而又不能分层时，应实行煤岩分采。煤、岩分采适用于炮采工艺，其回采顺序是：先爆破采出夹石层上部的煤，并用临时支护管理暴露的顶板，然后剥采夹石层，并将其弃于采空区，最后采出下部煤层，架好永久支架，工作面完成一个采煤作业循环。工作面煤岩分采顺序如图1.3所示。图1.3工作面煤岩分采顺序

⑶留顶（底）煤开采

当煤层有较厚的伪顶或直接顶破碎难以维护时，工作面可实行留顶煤开采，以避免伪顶或破碎顶板冒落混入煤中影响煤质。

在底板松软的情况下，为防止支柱钻底或采煤机啃底影响煤质，工作面就要用留底煤方法回采。

如煤层顶部或底部煤质很差，为保证原煤质量，开采时也常采用留顶煤（或底煤）回采，将劣质煤直接弃于采空区。2.2掘进工艺⑴分掘分运半煤岩巷道断面中的煤层和岩层的分布位置有图1.4所示的几种情况。选择破岩位置时，在符合巷道使用条件的情况下，应尽量避免破坏煤层顶板，使煤层在巷道断面内占的面积最大，并尽可能掘进硬度小的岩石。图1.4半煤岩巷道中煤岩分布位置a-缓倾斜煤层；b-倾斜煤层；c-急倾斜煤层

为提高掘进速度，开掘半煤岩巷道时一般先采煤后破岩。对煤层厚度小于0.5m、灰分大于40%的半煤岩巷道，可全断面一次开挖，煤、岩混运排至地面矸石山。煤层厚度大于0.5m时，必须对煤岩分掘、分运。当煤层厚度大于1.3m时，可根据煤岩位置，煤层超前岩层采用台阶式掘进（图1.5），这有利于煤岩分掘、分运。同时可提高掘进速度。图1.5半煤岩巷道煤超前岩层掘进

⑵宽巷掘进、矸石充填宽巷掘进常用于薄煤层采准巷道。在半煤岩巷道掘进时，开挖煤层宽度大于巷道宽度，巷道掘出的矸石，由人工或用机械充填于巷道一侧或两侧被挖空的煤层空间中或支架壁后，不仅可煤岩分掘，且矸石不出井就地处理（图1.6）。在英国、德国的煤矿中，采用前进式采煤采后成巷时，用挑顶或卧底的矸石用人工或机械构筑巷旁和支架壁后充填（图1.7），不仅加强了巷道维护，也免除了矸石混入煤中出井。(a)(b)(c)

图1.6宽巷掘进a—单充填；b—双侧充填；c—双巷掘进

图1.7采后成巷的巷旁与壁后充填

三、井下矸石充填技术

1.1矸石充填的种类按矸石充填的位置不同分：⑴巷道充填巷道充填系统简单，占用设备少，但缺点是矸石充填量少，不能从根本上解决矸石污染问题;⑵工作面充填工作面充填系统复杂，除煤炭运输系统外，还要有排矸系统，设备占用多，但优点是矸石处理量大，且还能多出煤。1矸石充填开采的分类及特点

按充填量和充填范围不同分：⑴全部充填即在煤层采出后顶板未冒落前，对所有采空区域进行充填，充填量和充填范围与采出煤量大体一致，靠采空区充填体支撑上覆岩层控制开采沉陷；⑵局部充填局部充填是相对全部充填而言的，其充填量和充填范围仅是采出煤量的一部分，它仅对采空区的局部或离层区或冒落区进行充填，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。1.2矸石充填方法全部充填的位置只能是采空区，而局部充填的位置可以是采空区、离层区或冒落区。当采空区倾角较大时或在倾角较大的下山，可采用自溜来完成充填，其做法是：用单轨吊车、齿轨车或卡轨车等辅助运输工具把矸石由掘进工作面直接运输、倾卸到采空区；当采空区倾角较小或在倾角较小的下山和平巷进行矸石充填时，要用一些设备进行处理，如扒装机、胶带输送机、刮板输送机等。

⑴扒装机：利用扒装机台铲和扒斗，将台铲固定在卸矸点外，回头轮固定在废弃巷道充填面上端，用扒斗将矸石扒向充填面。

⑵胶带输送机：用改造后的皮带机，将矸石送往充填面，输送机固定在卸矸点外，胶带机机尾可采用悬壁梁架，且可调坡度，将矸石送高或送低，机身也可加长或缩短，以保证卸矸的适应性。

⑶刮板输送机：同胶带输送机。

在述三种方式中，以胶带输送方式为最好。1.3矸石充填开采技术⑴采空区条带充填技术采空区条带充填就是在煤层采出后顶板冒落前，采用矸石材料对采空区的一部分空间进行充填，构筑相间的充填条带，靠充填条带来支撑覆岩，控制地表沉陷，如图1.8所示。图1.8采空区条带充填示意图

采空区条带充填技术有两种模式：其一是长壁条带充填开采模式，沿推进方向在采空区相间构筑充填条带；其二是短壁间隔条带充填开采模式（见图1.9），工作面布置成短壁条带开采，隔1个工作面充填1个工作面。图1.9短壁间隔条带充填开采模式

⑵条带开采冒落区注浆充填技术条带开采技术主要用来实现建筑物下压煤开采，其主要缺点是煤炭采出率偏低，一般仅为30%～50%。条带冒落区失去承载能力并将其上部岩层的载荷转移到两侧留设的煤岩柱上。条带开采冒落区注浆充填就是在建筑物压煤条带开采情况下，通过地面或井下钻孔向采出条带已冒落采空区的破碎矸石进行注浆充填，充填破碎矸石空隙，加固破碎岩石，使得采出条带冒落区重新起到承载作用，从而减缓覆岩移动往地表的传播;同时利用充填材料与冒落区内矸石形成的共同承载体来缩短留设条带的宽度，以达到提高资源回采率的目的。2矸石充填设备与工艺矸石充填设备主要有破碎机、给料机、可伸缩胶带输送机、抛射皮带等组成。2.1巷道矿石充填技术矸石充填设备的总体结构如图1.10所示。可伸缩带式输送机的机头布置在充填巷道外端，为受料端。充填部布置在充填巷道内端，为卸料抛填端。矸石由矸石仓给料机装载到皮带机机头受料处，再由输送机运至机尾卸载滚筒处，将矸石卸载到布置在充填部前端的抛射皮带上，由抛射皮带将矸石抛射到充填巷道。图1.10巷道矸石充填设备总体结构示意图1-可伸缩机头；2-储带自动张紧部；3-机身；4-机尾；5-调平、调偏机构；6-底架总成；7-回转工作台；8-履带行走机构；

9-驱动系统；10-抛射皮带当巷道内端迎头填满后，充填部向后退移一个步距(约0.5m)。输送机的储带与自动张紧装置能将松弛的胶带自动张紧，使矸石充填设备继续工作。2.2长壁综采矸石充填采煤技术（1）技术思路本项技术在村下布置长壁工作面，在开采过程中利用井上、下矸石充填采空区。其开采方法为在村下保护煤柱中布置长壁工作面，采用自行研制的矸石充填开采液压支架、矸石充填机等设备进行开采、充填。（2）充填采煤工艺

矸石充填工艺是在工作面每班割煤两刀后进行，其工艺过程如下：每班按照正规循环割两刀煤（也即进尺1.2m），然后停止割煤，移直自压式矸石充填机的机头与机尾。检查充填系统的完好情况，起动工作面自压式矸石充填机进行充填，充填开采示意如图1.11所示。图1.11充填开采示意图（3）主要装备该技术得以成功实施，基于研制了高效机械化矸石充填配套的液压支架、自压式矸石充填机等设备。（4）应用效果该技术中实现“三下”压煤大范围、大面积高效开采，减少了矸石井上提升量，降低了矸石山存矸量及矸石山占地面积；减少了征用土地费用，保护了生态环境；同时缓解了矸石升井导致辅助提升紧张，为矿井的安全高效生产提供了保障。可使村下压煤的回采率由传统的30%左右提高到85%以上，提高回收率50%以上。2.3长壁普采（或炮采）矸石充填采煤技术（1）技术思路利用煤矿固体废弃物煤矸石进行井下充填，将采掘工作面地面产生的矸石全部充填到工作面采空区，实现矸石不升井的目的与“三下”开采地表沉陷控制的目标。（2）充填采煤工艺工作面采用见七充四顶板控顶方式，每推进4m进行1次矸石充填，按充填量确定推采时间。在矸石充填完毕前，工作面推采4m，以实现间断开采，连续充填。工作面排距1.0m，柱距0.8m，单体液压支柱配金属铰接顶梁支护顶板。工作面下巷运煤，上巷运矸，工作面铺设一部运煤溜子和一部矸石充填溜子，运煤溜子随工作面推进前移，矸石充填溜子随充填随缩短，充填工作面采用的开采方法是走向长壁采煤法，采用的回采工艺是炮采。矸石排放系统如图1.12所示。图1.12研究技术思路（3）主要装备主要装备为抛矸机，矸石充填就是采用该抛矸机进行机械充填。（4）应用效果该技术基本实现矸石零上井，有效控制了地表变形，保证了地表建筑物的安全使用。矸石接顶率达到95%以上，充填效果较好，并取得了良好的经济社会效益。2.4矸石胶结充填采煤技术（1）技术思路本技术是将矸石充填和膏体充填结合起来，在工作面先采用抛矸技术进行矸石充填，然后再在矸石中进行加压注浆，以充满矸石之间的空隙，同时使矸石凝固成整体，以达到控制顶板下沉的目的。（2）充填采煤工艺本充填技术中的矸石充填系统可直接利用采煤过程中的“原生”矸石或地面矸石山的废弃矸石，不需要任何的加工处理，经矸石运输系统送至工作面，由抛矸机直接充进采空区。矸石充填系统布置如图1.13所示。图1.13矸石充填采煤系统布置图（3）主要装备矸石充填设备包括：运矸皮带输送机，工作面的充填刮板输送机和抛矸机。（4）应用效果在本充填工艺中，工作面采用抛矸技术进行充填，除上隅角少量空间不能充满外，其余地方均可以使矸石充满采空区，实现接顶；然后进行膏体注浆，利用膏体的流动性和注浆压力，可填满矸石之间的空隙，通过调整注浆的间距，可以达到很好的效果。2.5矸石充填置换永久煤柱技术（1）技术思路基本思路为：在村下压煤中布置矸石充填巷，先对矸石充填巷掘进采煤，然后采用自行研制的抛矸机依次对采出煤炭的矸石巷由内向外充填矸石。

（2）充填采煤工艺矸石充填开采的主要流程为：岩巷掘进头产生的矸石→（装车后经各运输巷道）轨道大巷→矸石运输上部车场→矸石仓上口→矸石仓→给料机→矸石充填配巷胶带输送机→充填巷机尾驱动式胶带输送机→矸石充填机→充填巷迎头充填，如图1.14所示。充填迎头采用单班正规循环作业，每个循环充填进度1.0m。充填的同时，每小班有专人清扫巷道和回撤风筒等。图1.14充填系统的工艺流程（3）主要装备矸石充填主要设备为矸石充填机等。（4）应用效果在控制地表的变形以保证村庄的安全使用的前提下，实现村下煤炭回收率不低于50%与矿井井下矸石不上井，地表不新堆矸石山。为提高矸石充填效果,可采取如下措施：

(1)充填巷道尽可能布置成下山俯填，为了防止巷道变形，应坚持快速掘进、快速充填；

(2)充填时尽量采取充满充实的措施，采用高压注浆泵实施巷道注浆，以提高充实度，尽量减少地表移动变形影响；

(3)为避免相邻巷道掘进顶板应力过分集中，扰动已有巷道产生过量变形，影响实际充填效果，掘进时应选择合理的巷道布局和掘进、充填顺序。3提高矸石充填效果的技术措施四、技术经济评价

井下矸石直接用于采空区充填，从经济角度考虑，会增加矸石在井下运输的费用，增加工作面充填作业所需的设备和人工费用;但可以省去运出井口和运至矸石山或复垦地点的费用，减少复垦费用，免去矸石山的排矸作业的费用。如果将矸石山的土地购置费用和长时期的各种污染的治理和赔偿费用计算在一起，则在多数情况下，井下充填所增加的费用将远小于后者。从理论上来说，充填开采是解决煤矿开采环境问题的理想途径，尤其在经济发达地区解决建筑物下压煤开采更应受到重视。矸石充填技术具有以下特点：⑴减少了复杂的提矸、运矸环节和人员，相应地减少了运矸设备和工作量；⑵在矿井全部实现矸石充填时，地面矸石山占地及其所造成的环境污染等问题，可以得到彻底解决；⑶由于大量矸石的采空区充填，提高了回采煤工作面顶板的安全程度，而且有效地防止了由于采空区冒落所造成的地表塌陷；⑷回采后顶板的有效控制，给无煤柱护巷制造了有利条件；⑸因为没有像其他充填方法那样的复杂环节和工艺过程，又减少了向地面运矸、翻矸和没有地面堆积占林，占地，可达到保护地面建筑物的目的。但回采工作面增加了人员和设备，又采充平行作业，使工作面劳动组织复杂化，要求工人、干部有较好的组织能力和技术素质，否则会影响采煤工作的正常进行。矸石充填开采技术，取得了以矸换煤、矸石不升井、不占用耕地的洁净开采效果，不但解决了“三下”压煤问题，而且延长了矿井寿命，是一种具有广阔应用前景的绿色开采技术。五、洁净开采技术实例

济三煤矿是一座设计年生产能力500万t的大型现代化矿井，位于济宁煤田中部，设计服务年限81年，矿井于2000年12月投产，2003年原煤生产突破1000万t。投产以来，济三煤矿积极推进生态矿井建设和循环经济实践，采用洁净煤技术，达到了不出矸、少出矸和矸石综合利用的目的，实现了经济、环境和社会效益的共赢。1兖州矿区济三煤矿洁净开采实例1.1开拓与巷道布置（1）矿井分区域开拓模式济三井田范围大，煤层埋藏深，自东向西埋深逐渐加大(－300～－1000m)，且井田深部区域（－700m以下）位于南阳湖下。井田东部地表为陆地，煤层埋藏浅，煤层厚度大，储量丰富，勘探程度高，地面建井条件好。矿井采用立井分区域开拓方式。即沿倾斜方向从八里铺2断层和C11－9断层连线为界，将井田划分为东、西2个区域，如图1.15所示。东区南北长8－10km，东西宽5－6.5km，面积约55km2。西区南北长10km，东西宽5.5km，面积约55km2。分区域开拓有效地克服了辅助运输路线长，掘进工程量多，出矸石多，矿井通风路线长等难题，有利于高产高效和洁净生产。图1.15矿井开拓布置方式

（2）“全煤巷”采区巷道布置方式在巷道布置方式上充分体现了现代矿井厚煤层清洁开采的特点“全煤巷”采区巷道布置方式。这种布置方式的优点为：①初期投产工程量少，投产工期短。“全煤巷”开拓布局沿煤层布置倾斜大巷，取消了采区岩石集中巷，不仅避免了排矸、保护了环境，而且使矿井初期投产工程大大减少，体现了以最快的速度投产、投资效益最大化、和谐绿色矿区的现代建井理念。②采区巷道布置简化。矿井的三条开拓大巷沿煤层倾斜方向布置，辅助运输大巷、回风大巷布置在煤层中，胶带运输大巷布置在煤层底板岩石中。辅助运输大巷、回风大巷直接与辅助顺槽、胶带顺槽沟通形成工作面通风及辅助运输系统，胶带运输大巷直接与胶带顺槽沟通形成工作面的煤流运输系统。采区巷道布置基本实现了“全煤巷”开拓布置方式，采区岩巷工程量大大减少，基本实现了洁净开采。矿井建设时期采取了增加采区边界巷及采区泄水巷(位于工作面煤层下方岩石中)。例如，在一采区西边界距1301工作面60m，平行于该工作面布置了一条1700m的新增边界巷，在其中部按12°下山布置独头岩巷至工作面下方，上距工作面10－20m，作为该采区的泄水巷。（如图1.16）。图1.16采区巷道布置示意

1－采区新增辅助巷；2－采区1301辅助斜巷；3－采区1301带式输送机斜巷；4－采区1302带式输送机斜巷；5－东部辅助运输巷；6－东部带式输送机巷；7－东部回风巷；8－采区泄水巷；9－采区边界巷1.2推广煤巷锚网支护技术推广煤巷锚网支护技术，简化回采端头支护工艺方式，为工作面快速高效推进提供了有力保证。矿区在率先对普通综采面实体煤和沿空工作面巷道进行锚网支护技术研究的基础上，先后重点对综放面实体煤和沿空工作面巷道的锚网支护关键技术、综放面大断面切眼以及埋藏深、地压大和煤层特别松软破碎等特殊条件下的煤巷锚网支护进行攻关。现矿区煤巷锚网支护已形成了一套较为完善的综合技术，制定了技术操作规范，达到了国内领先水平。

1.3矸石利用矿井建设期间排出的矸石主要用于回填工业广场和作为场外公路、铁路的路基材料，生产期间的矸石全部用于塌陷区充填、堆山覆土造景。在矿区东北占地近2万m2的沼泽区域利用矸石造景，形成了两座高8m、12m的矸石山景点。济三矿利用煤泥和洗矸等低热值燃料发电，建设了2×135MW的电厂1座，以煤泥、洗矸部分代替煤炭，综合利用了这些低热值燃料。同时，燃烧灰渣可以向井下充填或进一步生产水泥、建材等相关产品，从而使低热值燃料综合利用得到更深层次的挖掘，循环经济得以较好的实践。2邢东煤矿井下巷道矸石充填应用实例2.1邢东矿井概况邢东矿井的地层赋存情况具有第四系冲积层厚、埋藏深的特点。矿井主采煤层为2#煤，老顶属二级顶，其来压明显，直接顶顶板岩石为浅灰砂岩，f=4～6，中等稳定，属Ⅱ级。由于开采深度大，地压大，顶板易冒落。矿井矸石主要为细砂岩，矸石密度为1.56t/m3，矸石松散系数1.6，井下开拓矸石块度最大400mm，一般为150mm，约含20%矸泥。

矸石充填试验区域为工业广场和先于村保护煤柱。该区域位于-760m大巷东侧，南邻主副暗斜井，北邻F21断层，东面是邢东矿井深部采区。南北平均长455m，东西平均宽680m，面积30.94万m2。该区域煤层走向NW29°～NE2°，倾向NE，2#煤层厚度3.62～3.95m，平均