煤矿绿色开采(许家林06).ppt

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1、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：18652259763，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

2、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,顶板事故 突水事故 瓦斯事故,安全问题,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,土地破坏与“三下”压煤问题,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。,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,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

3、产矸量超过3.5亿t。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,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。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

4、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

5、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,

6、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,松散含水

7、层下采煤异常突水案例,1.问题的提出,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,(a)突水区域覆岩柱状,（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,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,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,2.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响,亚关

8、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

9、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,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,1,1,（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,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: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

10、足。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。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,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

11、价,补连塔煤矿四盘区1-2煤突水危险区域预测结果,突水危险区域预测结果指导了四盘区突水灾害防治实践。31401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

12、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

13、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,顶板预裂爆破长观孔水位

14、预警工作面支护质量监测推进速度调控,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

15、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,我国煤矿建筑物压煤开采问题严重,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。,淮北矿业集团村庄压煤与搬迁费用,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。不迁村采煤技术主要有：条带

16、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,充填开采主要类型,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。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。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,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。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

17、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。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。,充填采煤需要研究的关键问题,二、技术原理,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注浆充填工作面采宽设计方法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注浆充填钻孔布置方法注浆充

18、填系统与工艺参数注浆充填与采煤速度匹配,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,主关键层不断的工作面极限采宽为180m；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

19、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：,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注浆充填工作面采宽设计方法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注浆充填钻孔布置方法注浆充填系统与工艺参数注浆充填与采煤速度匹配,关键技术,注浆充填钻孔布置方法,形成了双孔错层钻孔布置技术。,I-I剖面图,平面图,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

20、。,钻孔平面间距100200m。组内钻孔间距：3050m。,注浆充填系统与工艺参数,注浆充填系统与流程,注浆充填系统及工艺流程,建设周期短（23个月）；投资少（200万400万元）；系统灵活、简便、机动。,注浆充填系统与工艺参数,注浆充填材料和配比,粉煤灰浆压缩特性曲线,粉煤灰密度：0.60.7 t/m3。浆体水灰质量比：1.32.0。浆体水灰体积比：0.781.2。浆体容重：1.281.41t/m3。,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,按照地表沉陷控制要求确定的压实注采比

21、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,a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,技术经济指标及与同类技术对比,适用条件,单一煤层基岩厚度较大（100m）粉煤灰来源可靠且运价合适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

22、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,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,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

23、业股份公司104采区应用效果,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。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,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134m、124m；隔离煤柱145m。采出煤量76.9万t，采出率90%以上；充填粉煤灰13.3万t；压实注采比44.6%。采后实测地表最大下沉292

24、 mm，下沉系数0.1。,海孜煤矿1031工作面应用效果,采高3.0m；倾角8；采深320m；松散层厚240m；基岩厚度80m。D、E工作面平均宽分别94m、54m；隔离煤柱宽度44m。采出煤量31.7万t，采出率90%以上；充填粉煤灰3.1万 t；压实注采比19.5%；采后实测地表村庄最大下沉176 mm。,祁南煤矿36采区应用效果,采高4.0m；倾角15；采深322572m，平均447m；松散层280m；基岩42292 m，平均167m。366里段斜长130m，推进长350m，外段斜长187m，推进长1350m；村庄压煤区域，工作面间留设60m隔离煤柱。采区累计采出煤量55.7万t；注干灰总量10万t；压实注采比32.6%；开采后实测地表村庄最大下沉68mm。,亳州煤业股份公司76采区应用效果,采高3.84.0m；倾角6；采深平均656m；松散层353m；基岩平均293m。工作面采宽156 m，推进长度1300 m，里段370m为村庄压煤。累计采出煤量33万t；注干灰总量8.9万t；压实注采比37.5%；开采后实测地表村庄建筑物区域最大下沉134mm。,已产生显著的经济效益,解决了新井投产及矿井接替与压煤村庄搬迁的矛盾；维护了矿区的和谐、稳定；处理了大量电厂废弃粉煤灰，保护了环境。,已产生显著的社会效益,注：亳州煤业101采区的采出煤量截至2013年3月。,谢谢各位领导！,