采矿新技术之绿色开采新技术(讲稿).ppt.ppt

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1、主 讲：沈 斌,采矿“新”技术 绿色开采技术,单 位：黑龙江科技学院,绿色开采新技术,第一章 绿色开采背景 第一节 煤炭开采对环境的影响及其表现形式 第二节 矿区生态治理与修复 第三节 绿色开采重要意义和技术体系第二章 绿色开采新技术介绍 第一节 煤与瓦斯协调开采技术 第二节 煤炭地下气化技术 第三节 井下矸石充填技术 第四节 保水开采技术,煤炭开采过程中产生的有毒有害气体对水资源、土地和空气都造成了不同程度的污染破坏，其主要表现形式:,1、煤矿开采对水资源的破坏 对水资源的破坏主要表现在两个方面。一方面导致地下水位的大幅度下降，水源枯竭，地表植被干枯，自然景观破坏，农业产量下降，严重时可引起

2、地表土壤沙化。另一方面开采造成地表及地下水污染。图为保德县煤矿开采采空区沉陷引起的严重水土流失。,煤矿采空区沉陷引起的严重水土流失,第一节 煤炭开采对环境的影响及其表现形式,科学问题:开采引起大范围岩层移动所形成的裂隙场的形态及其对地下水系渗漏、流动和对水资源和环境、生态等带来的影响。我国水资源分布很不均衡，且水资源与煤炭资源成逆向分布。大概有70%的矿区缺水，大量使用地表水和地下水将对当地生态产生严重影响。对于缺水地区,保护水资源将是煤炭开发与生产中的关键问题。我国平均开采1吨煤要破坏近1吨水，据报道山西采1吨煤要破坏2.5吨水，我国最高可达近10吨。在一些地区可以进行河湖海下采煤,显然这些

3、地区开采对水文地质影响不大；在一些地区(如我国东部)开采后地面形成水洼,说明上覆岩层隔水良好；在一些地区(如我国中西部)开采后地面形成塌陷，但并不积水。此时就有可能造成水文地质的改变，甚至地下水的流失。而且影响植被和荒漠化。,第一节 煤炭开采对环境的影响及其表现形式,2、煤矿开采造成土地资源的破坏 煤炭开采对土地资源的破坏损害，井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。,露天矿采场,采空区沉陷引起土地破坏,第一节 煤炭开采对环境的影响及其表现形式,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2.5亿t。矸石山

4、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。,第一节 煤炭开采对环境的影响及其表现形式,3、对大气的污染 对大气的污染主要来自矿井排出的煤层瓦斯和煤矿矸石山的自燃。地下矿层中赋存的大量有毒有害气体，如CH4、CO、CO2、SO、SO2、H2S等，由于开采，经矿井通风风流并携带大量粉尘排至大气。,第一节 煤炭开采对环境的影响及其表现形式,露天矿采场治理后,露天矿采场,矿山环境问题一直受到国际社会的广泛关注和重视。矿区生态治理与修复是当今世界采矿业发展的必然要求，是世界各国环境与发展中必然涉及的重要课题。矿区生态治理与修复包括土地复垦、废弃地治理与利用和植被修复等3个方面

5、。目前我国复垦利用的土地还不到被破坏土地的1%。而欧洲、北美等发展中国家矿山土地复垦率已超过50%，原苏联、美国、捷克土地复垦率高达75%以上。在国外，矿山复垦是采矿业的一部分，采矿结束，复垦完毕，才能闭坑。,第二节 矿区生态治理与修复,“资源开采-环境保护-矿区可持续发展”的平衡关系，是我国21世纪资源开发的全局性课题。其核心内容之一就是要实现“绿色开采”。“绿色开采”重大意义在于：（1）绿色开采要求开采技术水平提升。我国煤炭行业整体技术水平较低，长期走的是粗放型发展路子，生产集约化程度很低。绿色开采必然要求多层面、多角度的技术创新。（2）绿色开采要求系统高效利用产品。绿色开采要求从广义资源

6、的角度看待矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气、土地、煤矸石以及在煤层附近的其他矿床等可用资源，在追求最佳经济效益和社会效益的同时，尽可能减少对环境的负面影响。（3）绿色开采要求全面评价企业效益，综合考虑生态环境。绿色开采以生态大系统的观念来看待、评价企业的经济活动，实现生态大系统的可持续发展。这自然要求企业在追求自身经济效益的同时，要全面考虑社会效益与环境效益。,第三节 绿色开采重要意义和技术体系,第三节 绿色开采重要意义和技术体系,第二章 绿色开采新技术介绍,低透气性瓦斯是吸附在煤炭上难于采集、资源密集度低的伴生资源。利用必然要进行的井下工程先采瓦斯而后采煤以及利用岩层受采动形成的裂隙场采集释

7、放的瓦斯是最经济而有效的办法。对瓦斯的认识过程如下：瓦斯是灾害煤矿重大灾难源是瓦斯,因此对瓦斯的定义是：矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。瓦斯是能源1m3瓦斯的发热量为35.6MJ,相当于1.2Kg标煤,可发电3-3.5Kwh.在陆上烟煤和无烟煤田中,埋深在300-2000米范围内的资源有31.46万亿m3,相当于天然气储量。低透气性瓦斯是吸附在煤炭上难于采集、资源密集度低的伴生能源-瓦斯不同于天然气,大部分吸附于煤炭(80-90%),游离瓦斯仅占5-12%.大部分煤层透气性低(0.005-0.1m2/mpa2.d)很难抽离。以瓦斯含量20m3/t煤计,相当于1000Kg中含有24

8、Kg标煤,全部发电价值仅为30-50元的伴生物,比吨煤的价值低几十倍。,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,1、我国煤层气开发利用现状,我国是世界上煤层瓦斯资源储量巨大的国家之一。据2006年国土资源部油气中心对全国煤层气资源评价结果，我国煤层气资源量居世界第三位，与我国陆上天然气资源量相当，资源量36.81万亿m3，可采资源量10.86万亿m3。,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,中国煤层气(瓦斯)资源估算,新一轮油气资源评价：36.81万亿立方米,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,2、我国煤层气赋存的特征一、煤层瓦斯的

9、渗透率低 我国煤层渗透率较低，平均在0.00216.17毫达西。抚顺煤田的渗透率相对较高，但也只有0.5-3.8md，水城、丰城、鹤岗、开滦、柳林等矿区高渗透煤层渗透率只有0.1-1.8md，其它地区绝大多数实测的渗透率值都在0.001md以下，比美国的San Juan盆地和Black Warrior盆地低3-4个数量级。二、煤层瓦斯压力较低 我国煤层瓦斯压力梯度大小变化幅度很大，最低值为1.2kPa/m(抚顺)，最大值为13.4kPa/m(天府)，但大部分属于低压瓦斯。煤层瓦斯压力低影响煤层气产率，不利于瓦斯抽采。三、煤层吸附瓦斯能力高 煤对瓦斯的吸附能力受多种因素的影响，主要影响因素有压力

10、、温度、矿物质含量、水分含量、煤阶、岩性、气体组分等。,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,3、煤与瓦斯协调开采技术一、瓦斯抽采技术体系 瓦斯抽采分为地面钻井抽采和井下抽采两大类，如图1-3-1、1-3-2所示。按煤层气开采方法、卸压瓦斯的来源及卸压瓦斯抽采方法的不同，构建了“煤与煤层气共采”技术体系图，如图4-13所示。,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,二、瓦斯抽采现状 我国煤矿井下的瓦斯抽采始于20世纪50年代，其中抚顺、阳泉是抽采量最大的矿区。2005年瓦斯抽采量23亿 m3，2007年44亿m3。2008年瓦斯抽采量55亿

11、m3，淮南、阳泉、水城、松藻、宁煤等10个重点煤矿企业瓦斯抽采量均超过1亿m3。2009年，全国煤矿瓦斯抽采量达到61.7亿m3、利用量达到17.7亿m3。中国计划到2020年把地面煤层气产能提升至500亿m3。,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,三、井下瓦斯抽采技术 由于我国煤层气低渗透率的特点，利用煤层开采引起岩层的移动破坏增大煤层渗透性，在采煤的同时高效抽采卸压瓦斯，是我国煤层气开采的主要途径。1、钻机 目前，常用的钻机有：煤炭科学研究总院西安分院生产的MK系列钻机，孔深75-600m，孔径

12、75-200mm；煤炭科学研究总院重庆设计院生产的ZYG150型钻机，孔深150m，孔径65-115mm。2、瓦斯抽采方法的选择原则 3、开采层瓦斯抽采技术 4、邻近层瓦斯抽采技术 5、采空区瓦斯抽采技术 6、钻场及钻孔布置技术,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,四、地面钻井瓦斯抽采技术 煤层气地面开采技术主要包括钻井、完井、采气和地面集气处理生产系统。有两种开采情况，一是在没有采煤作业的煤田内开采煤层气；二是在生产矿区内开采煤层气。图1-3-3为晋城寺河矿井地面瓦斯抽采系统。,图1-3-3 寺河矿井地面瓦斯抽采系统,地面瓦斯抽采钻井现场,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,

13、完井后的采气井场图,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,4、瓦斯综合利用一、瓦斯主要的利用途径,1、民用燃气 2、燃气锅炉 3、瓦斯发电4、生产化工 产品,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,淮南矿业集团瓦斯发电厂,澳大利亚Appin Colliery瓦斯发电厂，装机容量为51MW，矿井回风流中的瓦斯平均浓度为0.7，占电厂瓦斯用量的7，其余瓦斯来自采空区瓦斯抽采。,煤矿绿色开采技术-1 煤与瓦斯协调开采技术,1、洁净开采技术简介 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

14、的开采技术。在煤炭生产中，需要将大量煤矸石排放到地面，占用了大量的土地；同时在提升过程中消耗了大量的人力、物力。随着煤炭生产的发展，矸石山越堆越大，占地面积越来越大，既造成了环境污染，又给煤炭企业增加了经济负担。煤矸石是我国工业固体废料中产生量、累计积存量和占地面积最大的固体废弃物。为了杜绝或减少煤矸石造成的环境污染，可采取以下两种控制煤矸石生成量的开采技术：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。,煤矿绿色开采技术-2 井下矸石充填技术,一、充填采煤总体技术框架,煤

15、矿绿色开采技术-2 井下矸石充填技术,二、矸石充填开采的分类及特点 1、矸石充填的种类与方法(1)矸石充填的种类 按矸石充填的位置不同分为：巷道充填；工作面充填 按充填量和充填范围占采出煤层的比例不同分为：全部充填；局部充填(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，可以采用自溜和人工垒砌来完成充填；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是比较困难的，要采用一些设备进行处理。,煤矿绿色开采技术-2 井下矸石充填技术,2、矸石充填开采技术(1)采空区条带充填技术 采空区条带充填就是在煤层采出后

16、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。只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩关键层的初次破断跨距，且充填条带能保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷，如图2-1所示。,煤矿绿色开采技术-2 井下矸石充填技术,(2)条带开采冒落区注浆充填技术 目前，我国主要采用条带开采技术来实现建筑物下压煤（“三下”）开采，其主要缺点是煤炭采出率偏低，一般仅为30%50%。条带开采冒落区注浆充填就是条带开采情况下，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(见图2-2)。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

17、到提高资源回采率的目的。,煤矿绿色开采技术-2 井下矸石充填技术,1、概 述 煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，UCG)是指在煤层赋存地点直接获得可燃气体的过程，即在地下将固态矿物通过热化学过程变为气态燃料，然后由钻孔排到地面，供给用户。煤炭的地下气化原理是由原苏联著名化学家门捷列夫在1888年提出的。英国在1914年至1959年共进行了62次小规模试验，并建成一座小型的地下气化发电站。前苏联自1932年至1965年先后建立了12座地下气化站，美国自1946年至1963年也已试验成功，后因经济效果差而停止，我国自1958年先后在鹤岗、大同、抚顺、皖南等多

18、个矿区进行了煤的地下气化试验，取得了热值为3.49-5.53MJ/m3的煤气，后因国民经济调整而相继停止。1994年，余力教授又在徐州新河矿、唐山刘庄矿进行气化试验，取得热值在13.69MJ/m3以上的煤气。首创“长通道、大断面、两阶段、正反向鼓风、启动能源、压抽相结合、边气化边填”等工艺，建立煤炭地下气化新工艺理论与实践体系，进行了半工业性试验与工业性试验，唐山刘庄矿地下气化炉已经连续稳定燃烧2000天。今后煤层的地下气化研究方向，是向埋深为800m以下的煤层发展。,煤矿绿色开采技术-3 煤炭地下气化技术,一、气化原理 煤炭地下气化是将含碳元素为主的高分子煤，在地下燃烧转变为低分子的燃气，直

19、接输送到地面的化学采煤方法。地下气化与地面气化的原理相同，产品也相同。它是将煤气发生炉与焦化炉产气原理融为一体。,煤炭地下气化过程中可燃气体的产生，是在气化通道中三个反应区里实现的，即氧化区、还原区和干馏干燥区，如图31所示。,2、煤炭地下气化原理及工艺,煤矿绿色开采技术-3 煤炭地下气化技术,煤矿绿色开采技术-3 煤炭地下气化技术,二、煤炭地下气化工艺 由气化原理可知，必须首先建造地下煤气发生炉，即生产车间。为此有两种准备方法：矿井式和无井式气化方法。矿井式是从地面向煤层凿出井筒后，用煤层平巷连通，点燃煤层，生产煤气。缺点是避免不了井下作业；密闭井巷工作复杂，漏气性大；气化过程不易控制。,无

20、井式气化方法就是用钻孔代替井筒，然后贯通两个钻孔，并点火形成火道，进行燃烧。燃烧工作就是煤的真正气化过程，这种气化工艺系统如图32所示。,煤矿绿色开采技术-3 煤炭地下气化技术,（1）火力贯通：在煤层中用燃烧源烧穿两钻孔间煤层；（2）电力贯通：在两钻孔中放入电极，利用电能的热效能烧穿；（3）定向钻进贯通（4）水力压裂贯通,煤矿绿色开采技术-3 煤炭地下气化技术,3、技术经济评价一、经济效益 煤炭地下气化的成本，比地面气化成本（0.40-0.50元/m3）降低50%以上，从科学采矿观点看，其完全成本最低，煤炭地下气化是经济效益是非常良好的。二、环境效益 煤炭在开采、运输、装储和加工利用过程中，给

21、人类生存环境造成了多项污染，影响人们身体健康和生活环境。煤炭地下气化过程中，燃烧过的灰碴、其他有害物及放射性物质留在地下，减少了地面沉陷及上述各过程中的环境污染。煤气能集中净化，分离后可得到洁净的能源氢，因此，地下气化技术的环境效益也是十分明显的。三、社会效益 煤炭地下气化的过程，始终没有离开煤矿企业，这就为报废煤矿以及将报废煤矿转产提供机会，安排闲散劳力，是新型煤矿联合企业的雏型，是我国老矿井及煤炭行业改革的必由之路。最好的社会效益就是实现了完全安全生产。,煤矿绿色开采技术-3 煤炭地下气化技术,减少井下排矸量的措施：1、煤矿生产进行总体合理规划。2、改革巷道布置方式，减少岩巷掘进量。全煤巷

22、开拓方式，除主要硐室外，所有巷道均布置在煤层中利用自然边界划分矿井和采区施行搭配开采（薄厚搭配、煤种搭配）取消岩石集中巷。3、合理选择采煤方法及生产工艺。4、矸石充填不出井。,煤矿绿色开采技术4 减少井下排矸量,减少井下废气、粉尘污染：1、井下抽放瓦斯综合利用（既可减少瓦斯涌出量同时可实现瓦斯二次利用）抽放分为本煤层抽放、邻近层抽放、采空抽放、钻孔抽放、巷道抽放、综合抽放 2、井下粉尘防治 减尘（煤层注水、采空区灌水、湿式作业）、降尘（对产尘源喷雾洒水，巷道水幕净化）、除尘（通风排尘，除尘装置捕集除尘）、隔尘 今后一个时期，在我国主要研究解决厚及特厚煤层注水工艺技术及配套装备 3、井下防灭火技

23、术 均压防灭火、阻化剂、黄泥灌浆、注凝胶、注氮、三相泡沫、束管检测系统,煤矿绿色开采技术5 减少井下废气、粉尘污染,煤矿污水处理技术：1、矿井水分类排放。（岩溶水、矿井污水）2、水采矿井的闭路循环。3、煤矿用化工原料污染治理。（例如乳化油）目前，为了防止乳化液污染水主要从以下几个方面着手：通过开发新液压传动介质代替乳化液同时降低或除去原乳化油中的矿物油，并选择易于被生物降解的添加剂，减少乳化油对环境的污染研究开发水介质单体液压支柱，完全不用乳化油完善各类用油设备的密封性能，防止石油产品泄露。,煤矿绿色开采技术6 煤矿污水处理技术,建筑物下采煤与减沉技术：基于岩层控制的关键层理论提出，可将保证覆

24、岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的基本原则。为了保证建筑物下采煤既具有较好的经济效益，同时又确保地面建筑物不受到损害，关键在于根据具体条件下覆岩结构与关键层特征来研究确定合理的减沉开采技术及参数。确定覆岩中的关键层位置，掌握其离层与破断特征参数，是注浆减沉技术应用可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础。（通过向开采煤层上覆岩层的离层带内打孔，并向其空隙中注入泥浆，可以减缓地表下沉。该项技术已经进行了工业性试验，其下沉速度比水沙充填减少了30%-60%，最大下层速度保持在0.5mm/a）,煤矿绿色开采技术7 建筑物下采煤与减沉技术,啊绿色是大自然的恩泽是生长的执着是生命的颜色啊绿色绿色是永远唱不完的欢乐之歌,绿色开采是一种理念,绿色开采是一种责任,绿色开采是一种行动,谢谢大家！,