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1、安徽理工大学 涂 敏 教授 博士,煤炭资源绿色开采技术研究进展,采矿学科前沿讲座（二）,主 要 内 容,一、煤炭资源环境与安全问题二、绿色开采技术的基本内容三、煤与瓦斯共采技术四、煤矿突水灾害防治技术五、保水采煤技术六、矸石充填采煤技术,一、煤炭资源环境与安全问题,全国煤炭产量煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放煤矿突水灾害与水资源破坏煤矸石的露天排放问题“三下”压煤问题煤矿安全与环境问题的特殊性,1.全国煤炭产量,2008年全国煤炭产量27.16亿吨其中95以上为井工开采,一、煤炭资源环境与安全问题,2010年全国煤炭产量32.5亿吨,2.煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放,一、煤炭资源环境与安全问题,中国在地下20
2、00 m范围内具有3035万亿m3煤层气资源,每年排放煤矿瓦斯200亿m3左右。,煤矿瓦斯灾害严重，2004年底至2005年初，大平煤矿、陈家山煤矿、孙家湾煤矿接连发生3起一次死亡百人以上特大瓦斯事故。,3.煤矿突水灾害与水资源破坏,我国60%的矿区为石碳二叠系含煤地层,其中80%受到严重的突水危险。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。,一、煤炭资源环境与安全问题,一、煤炭资源环境与安全问题,4.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15000 hm2。目前每年产矸量超过3.5亿t。,矸石山除了
3、占用大量的土地资源外，还会严重污染空气和地下水，甚至存在燃烧、爆炸、塌方等危险。,5.“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）压煤是其重要根源。,如：新汶矿区“三下”压煤高达2.67亿吨，占可采储量的70%多。,一、煤炭资源环境与安全问题,一、煤炭资源环境与安全问题,6.我国煤矿安全与环境问题的特殊性,经济高速增长依赖于煤炭资源煤层赋存条件煤层瓦斯地质条件煤层水文地质条件“三下”压煤与土地资源条件创新绿色采煤技术为核心,对土地资源的破坏和占用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。平均每采万吨原煤造成塌陷土地
4、0.2公顷，每年新增塌陷地约0.5亿公顷。以山西省为例，煤炭地下采空面积达1500Km2（占全省面积的1%多）。,煤炭开采形成的环境问题之一,一、煤炭资源环境与安全问题,煤炭开采形成的环境问题之二,水资源的破坏和污染煤炭开采过程中，人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源。同时开采还可能污染地下水资源。以山西为例，采煤破坏地下水4.2亿m3/a，导致井水位下降或断流共计3218个，影响水利工程433处，水库40座，输水管道793890m；造成1678个村庄、812715口人、108241头牲畜饮水困难。使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。,煤炭开采形成的环境问题
5、之三,对大气环境的污染主要来自矿井排出的瓦斯和矸石山的自燃。瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重的温室气体，也是导致煤矿重大安全事故的根源。同时瓦斯又是最好的清洁能源。建国以来,我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1500余次,仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数达2356人，为煤矿总死亡人数的40%。煤矿每年向大气排放瓦斯70-190亿m3。，必须加以利用，变害为宝。,煤炭开采形成的环境问题之四,对地面建筑物及人文环境的破坏导致村庄被迫迁徙。以淮南矿业集团为例，2008年，顾桥镇搬迁问题。兖州矿业集团。,煤矿的“绿色开采技术”的开展与应用已迫在眉睫。事实上，中国矿业大学教授钱鸣高院士及其领导的课题组，从2
6、0世纪九十年代初已开始了有关“绿色开采技术”的研究和实践。在长期研究和实践的基础上，钱鸣高院士正式提出了煤矿绿色开采的理念及其技术体系。,二、绿色开采的提出,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；目标是取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益。,二、绿色开采的提出,煤矿绿色开采的内涵,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；煤层内所含的瓦斯；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
7、发对象而加以利用。,二、绿色开采的提出,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。显然，上述概念将原本为矿区资源的瓦斯和水单纯作为有害物来对待是不合适的。,二、绿色开采的提出,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。,二、绿色开采的提出,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
8、重大基础理论为：（1）采矿后岩层内的“节理裂隙场”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 岩层控制的关键层理论，为煤矿绿色开采技术的发展提供了理论基础。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”。,煤矿绿色开采的特点之三,二、绿色开采的提出,根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，绿色开采技术主要包括以下内容：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充填开采技术；地下
9、气化液化技术。采场老顶岩层“砌体梁”结构模型是针对开采过程中的矿山压力控制提出来的。关键层理论的提出是为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽采与突水防治以及对开采沉陷控制等的影响，为绿色开采提供了理论基础。,二、绿色开采的提出,绿色开采技术体系,二、绿色开采的提出,采动破裂煤岩体中水与瓦斯流动规律，需建立采动破裂煤岩体渗流实验研究系统；基于岩层移动与关键层理论的开采沉陷预测与建筑物下采煤的定量设计方法；适合煤矿特点的充填采矿材料与工艺系统；煤矿绿色开采技术的经济评价方法与法规。,若干待研究的问题,三、煤与瓦斯共采技术,1.瓦斯抽采方法分类2.采动卸压瓦斯抽采3.煤与瓦
10、斯共采效果,煤矿瓦斯抽采方法,1.瓦斯抽采方法分类,三、煤与瓦斯共采技术,三、煤与瓦斯共采技术,三、煤与瓦斯共采技术,以上各种方法的组合构成了煤矿瓦斯的综合抽采,三、煤与瓦斯共采技术,2.采动卸压瓦斯抽采,三、煤与瓦斯共采技术,三、煤与瓦斯共采技术,三、煤与瓦斯共采技术,-冒落带，-裂隙带，-弯曲下沉带A-煤壁支撑影响区，B-离层裂隙区，C-重新压实区,三、煤与瓦斯共采技术,倾向高抽巷,三、煤与瓦斯共采技术,倾向穿层孔,三、煤与瓦斯共采技术,顶板走向孔,三、煤与瓦斯共采技术,地面钻井,三、煤与瓦斯共采技术,三、煤与瓦斯共采技术,三、煤与瓦斯共采技术,三、煤与瓦斯共采技术,底板巷,穿层钻孔,三、
11、煤与瓦斯共采技术,中国煤矿瓦斯抽采量的增长情况,3.煤与瓦斯共采效果,三、煤与瓦斯共采技术,1977年以来全国煤炭产量与死亡人数,三、煤与瓦斯共采技术,四、煤矿突水灾害防治技术,研究现状与不足关键科学问题重点研究内容主要研究进展工程应用实例,矿井突水的地质特征及条件：安全水头预测法、隔水层厚度判别法、“下三带”理论(中国)等。采动裂隙演化与渗流理论：“横三区”与“竖三带”裂隙分布规律(中国)、非线性Darcy渗流理论、裂隙演化与应力耦合渗流理论(中国)等。矿井突水的中长期预报方法：突水系数法、GIS模型法(中国)、斯列萨烈夫法等。矿井突水的治理方法：疏水降压法、注浆堵水法等。,1.研究现状与不
12、足,四、煤矿突水灾害防治技术,针对中国煤矿开采面临特别复杂的构造地质与水文地质条件，例如：奥陶系高承压、强富水岩溶含水层底板，研究不深入。采动裂隙场演化规律、采动岩体渗流突变理论、临突预报理论等研究不足。控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法等研究才起步。,四、煤矿突水灾害防治技术,1.研究现状与不足,1、矿井突水的含导水构造 地质特征及条件,2、采动岩体结构破坏与裂 隙演化及渗流突变规律,3、矿井突水预测与控制的 基础理论与方法,拟解决的关键科学问题,2.关键科学问题,四、煤矿突水灾害防治技术,问题1：矿井突水的含导水构造 地质特征与条件,我国大部分矿区水文地质与构造地质条件十分复杂，65
13、%左右的矿井受严重突水危胁。现有研究对陷落柱和断层等导水构造的发育规律、地下水的赋存和运移规律等认识不足。,四、煤矿突水灾害防治技术,陷落柱突水实例,开滦范各庄煤矿2171 工作面发生特大陷落柱突水,造成全矿被淹，最大突水量达2053 m3/min，为目前世界上水量最大的突水。,陷落柱,富含水层,工作面,四、煤矿突水灾害防治技术,问题2：采动岩体结构破坏与裂隙 演化及渗流突变规律,采动引起的应力场和裂隙场变化是导通陷落柱和断层，以及形成新的导水通道的前提条件。渗流突变是突水致灾的根源，现有的基础研究还不能揭示渗流突变的机理。,四、煤矿突水灾害防治技术,采动裂隙直接导通含水层突水实例,广东兴宁大
14、兴煤矿，下层煤开采时，采动裂隙扩展破坏了上层煤开采所留设的防水煤柱，导致特大突水，死亡123人。,含水层,上工作面,下工作面,煤柱,采动裂隙,四、煤矿突水灾害防治技术,问题3：矿井突水预测与控制的 基础理论与方法,目前没有建立针对不同突水类型的预测预报理论模型，还不能实现临突预报。传统采煤理论强调了矿井水的灾害性，忽视了水的资源性，并把水作为灾害的根源加以处理，“疏干”、“排水”等矿井防治水方法造成大量水资源浪费。,四、煤矿突水灾害防治技术,3、矿井突水的预测预报理论与方法,4、控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法,2、采动岩体破裂结构运动及渗流突变理论,1、矿井突水的水文地质结构特征及形
15、成条件,研究内容,3.研究内容与方案,四、煤矿突水灾害防治技术,研究方向,1、矿井突水的水文地质结构模式及形成条件,3、采动岩体裂隙演化及隔水关键层的形成条件,6、矿井突水的水量预测理论与方法,5、矿井突水的危险性评价理论与方法,7、突水前兆信息演化规律及实时监测理论,8、控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法,2、矿井突水的动力学特征及控制因素,4、采动岩体渗流规律与突变机理,四、煤矿突水灾害防治技术,煤矿突水机理与突水防治理论,理,论分析,数值,模拟,物理,模拟,现场测试,水文地,质学,工程地,质学,构造地,质学,采矿,工程,地球物,理勘探,矿井突水灾害治理,研究对象,研究内容,研究方法
16、,涉及学科,科学问题,矿井突水的含导,水构造地质特征,及条件,采动岩体结构破坏,与裂隙演化及渗流,突变规律,矿井突水预测与,控制的基础理论,与方法,矿井突水的,水文地质结,构特征及形,成条件,采动岩体破裂,结构运动及采,动岩体渗流突,变理论,矿井突水的,预测预报理,论与方法,控制矿井突,水的水资源,保护性采煤,理论与方法,岩石,力学,渗流,理论,信息,科学,安全,工程,四、煤矿突水灾害防治技术,突水,水源,隔水关键层,天然构造,采动裂隙,突水通道,内容1地质结构特征与条件,内容2裂隙演化与渗流突变,内容3预测预报理论与方法,内容4控制突水的采煤方法,四、煤矿突水灾害防治技术,内容1地质结构特征
17、与条件,内容2裂隙演化与渗流突变,内容3预测预报理论与方法,内容4控制突水的采煤方法,突水,水源,隔水关键层,天然构造,采动裂隙,突水通道,四、煤矿突水灾害防治技术,隔水关键层的定义,水最终要穿透的岩层或最终被阻隔住的岩层被称为隔水关键层。,隔水关键层的三种类型,其一，坚硬结构关键层；其二，泥质软弱岩性隔水层；其三，坚硬与软弱组合岩层隔水层。,4.主要研究进展,四、煤矿突水灾害防治技术,隔水关键层结构与渗流稳定性,结构稳定判据,刚度：,强度：,l1ln+1,渗流稳定判据,1,四、煤矿突水灾害防治技术,采动破碎岩体渗流突变理论研究,混沌吸引子,渗流失稳判据,渗流方程,实测与试验,渗流特性,四、煤
18、矿突水灾害防治技术,试验原理、方法与装置,原位采动破碎岩体水渗流特性试验装置,堆积采动破碎岩体水渗流特性试验装置,四、煤矿突水灾害防治技术,采动覆岩裂隙演化与渗流规律,(a)采场推进40m(b)采场推进60m,(a)采场推进40m(b)采场推进60m,采动覆岩渗流矢量分布图,采空区上方垂直渗流速度分布图,四、煤矿突水灾害防治技术,突水,水源,隔水关键层,天然构造,采动裂隙,突水通道,隔水关键层保护原理,四、煤矿突水灾害防治技术,采场底板突水防治龙固矿21201工作面为例,5.工程应用实例,四、煤矿突水灾害防治技术,目标：安全开采,底板破坏区域的数值模拟 底板注浆区域的岩石采样,底板注浆钻孔布置
19、图,采场底板突水防治实例分析资料,四、煤矿突水灾害防治技术,采场顶板突水防治俄布矿E11022工作面为例,目标：安全开采,四、煤矿突水灾害防治技术,宽条带开采设计,采场顶板突水防治实例分析资料,四、煤矿突水灾害防治技术,五、保水采煤技术,全矿区保水采煤分区与保水对策控制隔水关键层结构与渗流稳定水资源转移存储与综合利用主要技术特点,以神东矿区为例,1.全矿区保水采煤分区与保水对策,水文地质结构系统分析与保水分区,五、保水采煤技术,4种隔水层结构,多层隔水层结构,高位隔水层结构,低位隔水层结构,隔水层侧切结构,五、保水采煤技术,神东矿区保水采煤对策,表1 神东矿区水资源赋存及保护对策,五、保水采煤
20、技术,隔水关键层结构与渗流稳定性,结构稳定判据,刚度：,强度：,l1ln+1,渗流稳定判据,2.控制隔水关键层结构与渗流稳定,1,五、保水采煤技术,隔水关键层判别流程,五、保水采煤技术,采动覆岩裂隙演化与渗流规律,(a)采场推进40m(b)采场推进60m,(a)采场推进40m(b)采场推进60m,采动覆岩渗流矢量分布图,采空区上方垂直渗流速度分布图,五、保水采煤技术,(电法、钻孔法、浅层地震法),表2 采动覆岩导水裂隙通道高度,采动覆岩导水裂隙通道发育高度,五、保水采煤技术,控制隔水关键层结构稳定,(a)第1次视电阻率断面成像图,(b)第4次视电阻率断面成像图,高位隔水关键层保水开采电测效果（
21、大柳塔12610工作面）,五、保水采煤技术,控制采动导水裂隙通道闭合,导水通道闭合及水位恢复实测曲线（补连塔31401工作面）,五、保水采煤技术,局部区域充填支撑,技术措施,局部充填开采局部降低开采高度,技术实施范围,穿越地表水体穿越冲刷沟谷导水裂隙异常发育,五、保水采煤技术,顶板水转移并利用采空区矸石吸附过滤净化方法，水质指标达到工业和农业用水标准，实现年废水复用1700万m3。,3.水资源转移存储与综合利用,利用采空区转移存储顶板水,五、保水采煤技术,洁净水,A,A,A A,矿井水,向下伏储水层转移顶板水,(a)回灌孔,(b)观测孔,石圪台矿回灌孔与观测孔设计图,五、保水采煤技术,（1）神
22、东矿区水文地质结构的五种类型，即：弱含水区、泉城水源区、烧变岩富水区、无隔水层区和有隔水层区五种，并给出相应的保水采煤技术对策。（2）系统研究给出神东矿区开采地质条件下隔水关键层的结构与渗流稳定性判据，揭示覆岩导水裂隙贯通高度与渗流规律，依此开发控制隔水关键层结构稳定保水采煤、控制采动导水裂隙通道闭合保水采煤和局部区域充填支撑方式保水采煤等技术。（3）在无覆岩隔水层条件下，开发利用采空区转移存储顶板水技术和利用上下含水层压力差向下伏储水层转移顶板水技术。,4.主要技术特点,五、保水采煤技术,六、矸石充填采煤技术,1.解决相关问题的思路2.总体技术框架 主要技术研究内容 主要技术特点,1.解决相
23、关问题的思路,解决问题的总体思路,六、矸石充填采煤技术,2.总体技术框架,六、矸石充填采煤技术,项目研究的难点之一 建立矸石充填开采岩层控制理论,3.主要技术,六、矸石充填采煤技术,充填开采,顶板下沉,等价采高,矸石充填开采等价采高的概念,六、矸石充填采煤技术,矸石的松散与压实性能,实验系统,六、矸石充填采煤技术,矸石充填开采支架工作载荷计算公式,pz充填开采支架载荷；p全高开采支架载荷。,相似材料模拟系统,六、矸石充填采煤技术,矸石充填开采等价采高Hz的理论计算公式,H实际采高；hz充填体空顶距（充实率控制参数）；k 初始压实系数（压实率控制参数）；残余压实系数。,六、矸石充填采煤技术,项目
24、研究的难点之二 矸石充入采空区的空间、通道与动力,六、矸石充填采煤技术,综采矸石充填技术,工作面,采空区,传统综采液压支架,掩护斜梁,六、矸石充填采煤技术,综采矸石充填原理,矸石充填运输机充填工艺,六、矸石充填采煤技术,综采矸石充填压实原理,综采矸石充填压实系统工作原理,六、矸石充填采煤技术,综采矸石充填工作面井下工况,前部采煤,六、矸石充填采煤技术,架后高位注式刮板输矸充填示意图,设备配套：四机配套采煤机；充填开采液压支架；刮板输送机；充填刮板输送机,黄土充填示意,普采与充填支护系统,普采工作面矸石充填技术,普采与充填工作面布置,充填面,开采面,抛矸机,抛矸面实况,矸石充填高速动力抛矸机,条
25、带开采矸石充填置换煤炭开采技术,条带充填巷充填实况,条带充填巷充填实况,应用效果实例一,新汶翟镇矿村镇下综采充填地表移动预计与实测,平均采深500m 实际采高2.1m 等价采高0.6m 采出率85%,综采矸石充填地表下沉曲线对比图,六、矸石充填采煤技术,应用效果实例二,普采矸石充填地表下沉曲线对比图,新汶盛泉矿工广下普采充填地表移动预计与实测,平均采深450m 采高1.8m 等价采高0.4m 工作面采出率85%,六、矸石充填采煤技术,（1）矸石直接充填置换煤的方法、工艺、与装备，包括：综采矸石充填、普采矸石充填和巷采矸石充填的技术与工艺，以及矸石充填液压支架、充填运输机和高速动力抛矸机等关键设备。（2）矸石直接充填置换煤的岩层控制理论，为充填开采设计和地表沉陷控制等提供了科学依据。,4.主要技术特点,六、矸石充填采煤技术,中国是为数不多的以煤炭为主要能源的国家，承受着巨大的资源、环境和矿难压力，研究煤炭绿色开采理论，开发煤炭绿色开采技术的目标就是保护与煤炭开采相关的资源与环境，防治矿难，实现科学采矿。,结 束 语,
