实施充填开采技术 建设绿色煤矿企业

第一篇：实施充填开采技术 建设绿色煤矿企业

实施充填开采技术 建设绿色煤矿企业

陕西上河实业集团有限责任公司起步于20世纪90年代后期，经过20多年艰苦创业和不懈努力，现已发展为涉及煤炭采掘、洗选煤及深加工、文化艺术、酒店住宿、休闲餐饮、房地产开发、公路桥梁建设、五金交电销售、农牧渔业种养殖等诸多领域的综合性集团公司。上河集团下设的上河煤矿位于榆林市榆阳区牛家梁镇常乐堡村上河自然村，在榆林城东北约15公里处，属个人独资企业，始建于1994年4月，1997年4月建成投产，2008年矿井核定生产能力为30万吨/年，2013年3月矿井最终核定生产能力为60万吨/年。矿区地处毛乌素沙漠南缘，井田面积2.977平方公里，现有地质储量1141.7万吨，可采储量479.7万吨，剩余服务年限约8年。煤矿现证照齐全，为正常生产矿井。

煤矿开采与环境保护、城市发展、水资源保护等问题一直在矛盾中纠结，困扰着企业的发展。如何在发展经济的同时保住青山绿水？榆林市上河煤矿率先实施充填开采技术，即向煤矿采空区输送沙石、粉煤灰、膏体等充填材料，并在充填体保护下进行采煤的一项技术，充填开采属绿色开采技术体系的重要组成部分，是提高回采率、减少环境破坏的最有效方式，不仅实现了对村庄、建筑、河流等“三下压煤”的开采，大大延长了矿井服务年限，而且提高了资源回收率，解决了固体废弃物的排放问题，杜绝了污染物外排，实现了绿色开采。

充填验收会照片

探路：实施充填开采

为了响应国家提倡煤矿应用推广充填式开采的号召，提高煤炭资源回收率，延长矿井服务年限，有效保护水源地不受破坏、地表不产生塌陷、杜绝煤矿开采后采空区大面积悬空所遗留的诸多安全隐患，榆林市上河煤矿在多次由榆阳区煤炭局组织前往内蒙古、河北、山东等地实地考察的基础上，于2016年7月决定引进胶体充填开采技术，进行充采试验，建设绿色煤矿企业。

2017年3月，上河煤矿经榆林市榆阳区政府同意，由榆阳区煤炭局指定为充填开采试点煤矿。2017年6月，上河煤矿委托西安科技大学、陕西西矿工程勘察设计有限公司、陕西世诚矿业有限公司编制了《榆林市上河煤矿风积沙似膏体充填开采方案设计》。上河煤矿启动充填开采技术应用，在经历了数月的建设、调试期后，在3216工作面针对原材料的配比、机械设备及工艺的配套进行了一系列的试验，于同年8月底成功试充填了5个条带。同年9月，上河煤矿邀请相关专家对井下充填试验现场实际查看的基础上，对充填开采方案设计进行了评审。2018年1月，上河煤矿委托设计单位根据井下开采条件及试采过程中遇到的具体问题，针对条带开采参数、开采回填工艺、监测方案和运输、通风、排水等系统做出适当调整，编制了《榆林市上河煤矿风积沙似膏体充填开采方案设计（变更及补充）》。

上河煤矿严格按照设计方案执行，地面建设充填站包括风积沙堆场、风积沙原料仓、水泥仓、粉煤灰仓、储水罐、厂房等；试验工作面采用EBZ200型悬臂式掘进机割煤，ZL18FB型轮胎式防爆装载机装煤，采用WC3型防爆胶轮车运煤。目前3216试验工作面已完成第一阶段14个条带及采空区充填、第二阶段的6个奇数号条带煤柱及其采空区域充填，正在进行第三阶段的奇数号煤柱置换工作，基本达到设计要求的验收进度。经过监测，充填体实测强度8.22MPA，大于设计要求的6.47MPA，满足要求，上河煤矿开展此项技术应用至今，在煤矿3216工作面取得了局部成果。通过不断地总结，做出如下结论：一是地面设备、设施工作稳定、正常，且充填量有保障；二是井下施工，工艺工序合理有效，不产生窝工及各种浪费；三是在充填体稳固且承压力满足置换强度的前提下，接顶情况良好，满足充后置换开采的条件；四是针对成本情况，目前综合成本在可接受范围内，并通过项目持续性开展，还有降低成本的空间；五是通过井上下监测设备、设施所反馈的数据来看，地表暂无大幅沉降，且有效保护了该矿所属范围的水资源、地面设施不受破坏；六是通过该技术的引入及项目的逐步完善，不仅为该矿增加了收益，且一劳永逸地解决了上河煤矿所面临的如采空区塌陷、地表破坏、排污等问题。

2018年6月，由榆阳区煤炭局牵头组织项目建设、设计、施工等单位及专家组成立了验收委员会，对上河煤矿充填开采项目进行了现场检查验收，验收结论为：同意榆林市上河煤矿风积沙似膏体充填开采项目工程阶段性成果通过验收。验收专家组一致认为上河煤矿实施充填开采技术为全省首例，为陕西煤矿充填开采进行了积极探索，具有很强的实践推广意义。

充填站图片

成效：源头解决地表沉降问题

推动煤炭产业向“生态环保型”转变，第一个层次，是尽量减少对生态环境的影响；第二个层次，是不影响生态环境；第三个层次，主动改善生态环境。上河集团率先实施充填开采，实现了榆林煤炭行业所期待的由被动治理向主动防治转变，是煤炭产业向“生态环保型”转变的生动典型。上河煤矿实施充填开采，可以延长矿井服务年限5年左右，对当地的经济、就业、税收与人民群众的生活稳定都起到良好的作用。总之，应用充填开采技术，在更加安全的前提下，提高了回采率，并有效保护了水源地不受破坏、地表不产生塌陷、杜绝了煤矿开采后采空区所遗留的诸多安全隐患，同时也相对地提高了煤矿的经济价值，也为地方带来了一定的社会效益。

上河煤矿

声音：“上河实践”如何复制

上河集团在煤炭主管部门的积极引导和大力支持下，投入了大量的人力、财力、物力、时间，克服了各种困难，付出了艰辛努力，率先探索出了一条绿色开采的新路子，是来之不易的，形成了“上河实践”。对榆林这样一个产煤大市而言，在目前的情况下，“上河实践”应当如何复制？笔者认为，政府应当加强技术改造项目投入扶持力度。利用煤矿安全改造、煤炭产业升级等中央预算内资金支持煤矿实施充填开采，省级财政应制定配套扶持政策，同时执行充填开采煤炭资源税费优惠，减轻充填开采企业的成本负担。地方政府相关部门要积极支持煤矿企业开展充填开采工作，以便加快充填开采技术的推广。此外，从国家宏观层面，应考虑将以沙石、矸石、膏体等尾矿废渣为主要填充材料生产的煤矿副产品以及充填开采的煤炭产品列入资源综合利用目录，享受国家资源综合利用增值税政策优惠。

上河集团率先实施充填开采技术，为陕西煤矿企业绿色开采和可持续发展探索出一条新路子。“上河实践”值得其他煤矿企业借鉴和推广。目前，上河集团实施的充填开采技术已向榆阳区十家保水采煤矿井推广。

（来源：陕西日报

通讯员 冯伟

王峰峰）

第二篇：煤矿绿色开采技术

煤矿绿色开采技术

摘要:提出了煤矿绿色开采的概念，阐述了它的内涵和技术体系.绿色开采的理论基础为:开采后岩层中的关键层运动形成的节理裂隙与离层规律以及瓦斯与地下水在破断岩层中的渗流规律.绿色开采技术的主要内容包括:保水开采、建筑物下采煤与离层注浆减沉、条带与充填开采、煤与瓦斯共采、煤巷支护与部分歼石的井下处理、煤炭地下气化等.关键词:绿色开采;关键层理论;岩层移动;绿色开采技术体系 中图分类号:TD 82文献标识码:A 1煤矿绿色开采的提出

党的十六大报告明确提出“„„走出一条科技含量高，经济效益好，资源消耗低，环境污染少，人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子.”因此，我们必须充分考虑我国资源相对短缺，环境比较脆弱的基本特点，建立起适合我国国情的资源节约、环境友好的新型工业化发展道路.近期提出的循环经济(recycling economy)是指遵循自然生态系统的物质循环和能量流动规律重构经济系统[1]，将经济活动高效有序地组织成一个“资源利用－绿色工业－资源再生”的封闭型物质能量循环的反馈式流程，保持经济生产的低消耗、高质量、低废弃，从而将经济活动对自然环境的影响破坏减少到最低程度.它不同于传统经济的“高开采、低利用、高排放”，而是达到“低开采、高利用、低排放”的可持续发展目标.显然，此处的“绿色工业”是广义的概念，应由各个工业部门去实现.对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”

矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致的，而进行开发建设后，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了矿区独特的生态环境问题，如造成农田以及建筑物破坏，村庄迁徙，矸石堆积，使河川径流量减少，以及地下水供水水源干枯，在地面导致的土地沙漠化，由于开采而使矿物内的有害物质流入地下水中等.我国目前的煤矿生产是在以下两种情况下进行的:一是生产成本不完全.如投入不足;技术装备落后;安全设施欠帐;工人工资太低.二是相关费用支付不全.如矿产资源费以及植被恢复，地面塌陷与水损失;污染治理等.提出并形成绿色开采技术是为了使我们正视开采对环境造成的影响和破坏，并有清醒的认识与足够的估量，以便提出必要的对策和对政府提出必要的政策建议.煤炭开采形成的环境问题主要为: 1)对土地资源的破坏和占用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.2)对水资源的破坏和污染煤炭开采过程中，进行的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.3)对大气环境的污染主要来自矿井排出的煤层瓦斯和煤矿研石山的自燃.以山西省为例，1949-1998年共生产原煤56亿多吨，地面塌陷破坏面积达100多万亩，其中40%是耕地.研石山占地3万多亩，至1998年煤炭地下采空面积达1 300 km²(全省面积的1写).采煤破坏地下水4.2亿m³/a，地表水逸流减少，导致井水水位下降或断流共计3 218个，影响水利工程433处、水库40座、输水管道793.89 km;造成1678个村庄，81.2715万人，10.824 1万头牲畜饮水困难.使本来缺水的山西环境受到进一步破坏.平均每采万吨原煤造成塌陷土地0.2 hm²，每年新增塌陷地约2万hm².矿井瓦斯即煤层气，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.据初步估计，我国2 000 m浅范围内具有30-35万亿m³煤层气资源，居世界前列.但由于我国煤层透气性小，难以在开采前抽出.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2 356人，为煤矿总死亡人数的40％.煤矿每年排放瓦斯70-190亿m³.同时瓦斯又是最好的清洁能源，因此必须加以利用，变害为宝.由此可见，提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术”已迫在眉睫.2绿色开采的内涵与技术体系

从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气(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.而原来对矿井瓦斯的定义是:“矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体”.而在矿井水文地质类型划分中认为:“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，划为……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.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、水等一切可以利用的各种资源;基本出发点是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和社会效益.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:1)水资源保护－形成“保水开采”技术;2)土地与建筑物保护－形成离层注浆、充填与条带开采技术;3)瓦斯抽放－形成“煤与瓦斯共采”技术;4)煤层巷道支护技术与减少歼石排放技术;5)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所示。

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)，因此，绿色开采的重大基础理论为: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.3岩层控制的关键层理论

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而提出来的.近年来，为了解决岩层控制中更为广泛的问题，提出了岩层控制的关键层理论[2-4].关键层理论提出的目的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放与突水防治以及对开采沉陷控制等的影响.3.1相邻硬岩层间相互作用的复合效应

关键层复合破断研究表明，一定条件下相邻两层关键层会同步破断.如假设相邻两关键层岩性相同，厚度分别为h1，h2，各自承担的岩层组厚度分别为Σh2,Σh3，则按梁的破断距计算公式可导出h1与h2同时垮落应满足的条件为

Σh3+h2＝(Σh2+h1)(h2/h1)²(1)例如:h2是h1的2倍，则Σh3 + h2只要等于或大于Σh2 + h1的4倍，h2和h1将同时垮落.此时，虽然h2远大于h1，但上部关键层将不会产生离层.3.2关键层初次破断前的离层与采动裂隙“O”形圈

1)沿工作面推进方向，关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律:即关键层初次破断前，随着工作面推进，离层量不断增大，最大离层位于采空区中部.关键层初次破断后，关键层在采空区中部离层趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区.工作面侧的离层区是随着工作面开采而不断前移的，工作面侧离层区最大高度仅为关键层初次破断前最大离层量的1/3一1/4(参见图2).从平面看，在采空区四周存在图3所示一沿层面横向连通的离层发育区，称之为采动裂隙“O”形圈.2)沿顶板高度方向，随工作面推进离层呈跳跃式由下往上发展.首先，第1层亚关键层下出现离层，当其破断后其下离层呈“O”形圈分布;此时，上部第2层亚关键层下出现离层，当其破断后其下离层呈“O”形圈分布，如此发展直至主关键层.3)贯通的竖向裂隙是水与瓦斯涌人工作面的通道，对“导气”裂隙发育动态过程的研究表明，在开采初期，下位关键层的破断运动对“导气”裂隙从下往上发展的动态过程起控制作用，导气裂隙高度

由下往上发展是非均速的，随关键层的破断而突变.当采空区面积达一定值后，“导气”裂隙的分布也同样呈“O”形圈特征，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.上述成果对对“注浆减沉”及“卸压瓦斯抽放”的钻孔布置起指导作用.3.3关键层对地表移动的影响

实验及实测研究结果都证明[5]，主关键层对地表移动过程起控制作用，主关键层的破断将导致地表快速下沉，地表下沉速度随主关键层周期性破断而呈现跳跃性变化.关键层破断后对地表变形的影响将与表土层的厚度有关.从而形成基于关键层理论的建筑物下采煤设计新原则.4绿色开采技术的主要内容 4.1开采对地下水分布的影响

煤层开采后，随着关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗.地下水位能否恢复，则决定于随着工作面的推进，上覆岩层中是否有软弱岩层(事实上它是研究地下水渗漏的“关键层”)经重新压实导致裂隙闭合而形成隔水带.若有隔水带，则随着雨水的再次补给，下降漏斗也将随之消失.它对地面生态的影响则决定于漏斗形成与消失的时间间隔.淮北矿区冲积层中的第四含水层(简称四含)与煤系地层相连，煤层开采后四含水位持续下降，形成了多个水位降落漏斗.目前淮北临涣矿区四含水位下降范围已达40 km²，造成了四含水资源的永久破坏.以临涣矿西风井85-02四含水文观测孔为例，1985年水位是97.2 m, 2001年水位降至205.8 m,16年间水位下降了108.6 m.实际观测表明，含水层的水位下降与开采形成的导水裂隙通道紧密相关.图4为淮北朱仙庄矿84-15四含水文观测孔水位变化曲线，2000年3月以前水位缓慢下降，200。年3月开始84-15钻孔邻近的84采区开采，导致了钻孔水位的急剧下降.黄县煤矿在进行含水砂层下采煤试验中，在1201面沿走向布置一组观测钻孔，在回采前后及整个回采过程中进行了为期一年的水位观测，结果如图5及表1所示[6].由表1可见，水位降与钻孔孔底到开采煤层距离有关.由图5可见，孔1水位短暂变化后水位恢复原状，而孔2，孔3，孔4，孔5的水位下降后有所恢复，但在观测期未能恢复原状，而孔6则完全漏失了.因此，为了保护地下水资源，形成的保水开采技术应能使地下水位仅发生孔1所示的变化.在一般地区要把地下水视为资源，在我国西北地区必须形成保水开采技术，即开采后地表水暂时形成下降漏斗仍能恢复到原来状态的开采技术.另外还应该进一步观察和研究水位变化对地表生物根系的影响.对于底板承压水的防治，也同样应遵循绿色开采原则.4.2建筑物下采煤与减沉技术

1)基于关键层理论的建筑物下采煤设计新原则

基于岩层控制的关键层理论提出，可将保证覆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.2)离层注浆减沉技术

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[7].关键层初次破断前的离层区发育、离层量大，易于注浆充填;而一旦关键层初次破断后，关键层下离层量明显变小，仅为关键层初次破断前的1/3-1/4(参见图2)，注浆难度增加.因此，离层注浆必须在关键层临初次破断前进行.钻孔布置及最佳的注浆减沉效果应保证关键层始终不发生初次破断.4.3采空区充填开采技术

采空区充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，尤其在经济发达地区解决建筑物下开采更应受到重视.从理论上来说，充填采矿是解决煤矿开采环境问题的理想途径，但由于目前充填采矿的成本相对偏高，限制了该项技术在煤矿的试验与应用.在市场经济条件下，充填技术的关键是充填材料的选取及如何降低成本.另外就是充填技术本身，它应该包括充填系统与开采系统的协调;充填运输系统的畅通;充填后材料的力学特性等.顺利解决上述问题将根本改变将来我国经济发达区域的开采技术.为了降低充填成本，基于岩层控制的关键层理论，提出了部分充填(条带充填)控制开采沉陷的思路:仅充填部分采空区，只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩主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.4.4煤与瓦斯共采

我国煤层普遍具有变质程度高、渗透率低和含气饱和度低的特点，70%以上煤层的渗透率小于1× 10-3μm²，这对我国开展煤层瓦斯采前预抽是极为不利的.正因为如此，我国已钻的200多口采前地面煤层气井中，稳产高产井很少，单井产量超3000 m³/d的也只有约30口[8].实践表明，一旦煤层开采引起岩层移动，即使是渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍至数百倍，为瓦斯运移和抽放创造了条件.因此若在开采时形成采煤和采瓦斯两个完整的系统，即形成“煤与瓦斯共采”技术则不仅有益矿井的安全，而且采出的还是洁净能源.因此在开采高瓦斯煤层的同时，利用岩层运动的特点将煤层气开采出来将是我国煤层气开发的一条重要途径.在“煤与瓦斯共采”技术方面，岩层运动中的关键层理论所得出的节理裂隙场分布、离层规律将对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放层开采最大卸压高度的影响等瓦斯抽出技术有重要参考作用[9].4.5煤巷支护技术与减少矸石排放

采矿引起的矸石排放对环境形成影响，而减少矸石排放的主要措施是将巷道设置在煤层内.巷道维护是煤矿的永恒主题.过去，鉴于煤巷围岩是大变形且不可抗拒，因此维护原理是:“大断面预留量－可缩性支架－巷旁充填”.目前推行锚杆支护，首先是能否在煤巷中全面使用锚杆支护.显然，我们要形成“应力场测定－数值计算－支护设计－现场测定”完整技术以及煤巷锚杆支护理论.例如，沿空巷道的维护方式与采动后岩体内的应力重新分布及关键层的破断和形成的结构有关.而且直接影响支护参数的选择(例如锚杆不完全受拉而是受剪切)，因而要形成抗剪切锚杆.矸石不上井涉及到煤巷维护问题，而且随着采深的增加，岩石巷的开掘将不可避免.因此矸石不上井就存在一个研石井下处理系统，结果是成本如何?另一种考虑能否将研石在地面处理，变废为宝，如变为建筑材料，充填材料等，终究矸石的地面处理要比井下处理简单得多.应该说，在经济原则下矸石的井下处理是绿色采矿问题.而矸石的井上处理就像地面复恳一样是环境治理问题，不属于绿色开采技术 4.6煤炭地下气化

煤炭地下气化是一种整体绿色开采技术.它是将地下煤炭通过热化学反应在原位将煤炭转化为可燃气体的技术，是对传统采煤方式的根本性变革.不仅极大地减少了井下工程及艰苦作业，而且消除了煤炭开采对环境的污染和煤炭燃烧对生态环境的不利影响和危害.煤炭地下气化技术在近10余年来经余力教授等的实践积累了一定的经验，为今后发展我国煤炭地下气化打下了良好技术基础.今后地下气化技术应解决:1)提高热值和生产适合于用户的气体;2)建立起一套行之有效的测控系统，重点放在燃烧位置和燃烧速度的控制技术上;3)燃烧后地下气化炉体结构变化及地面沉降状况的研究;4)如何使地下煤炭气化产生的致癌物质苯和酚不扩散、不污染和毒化地下水资源.其次是如何处理燃烧形成的大量二氧化碳对空气的污染.否则煤炭地下气化就失去了绿色开采的意义.5结语

绿色采矿首先要将岩层运动对工作面的影响转为研究开采后岩层运动对岩体内形成空隙的影响，以及瓦斯、地下水的渗流规律.另外，几个重要标志是: 1)将瓦斯作为资源，变害为利，在采煤的同时形成地面或井下瓦斯共同开采系统;2)根据岩层的组成，确定保水采煤的地层判别以及相宜的开采方法;3)根据具体条件，形成充填、条带开采、离层区注浆等保护建筑物及地表的技术;对东部发达地区城镇下采煤，充填与条带开采是必然的选择，因而如何降低充填成本与提高充填技术是科学研究的方向;4)形成在煤层内维护巷道的技术，减少矸石排放量;5)形成煤炭地下气化技术，并研究其对地下水环境的影响.参考文献: [1]中国科学院可持续发展战略组.中国现代化进程战略构想[M].北京:科学出版社，2002.[2]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J]•煤炭学报，1996,21(3):225-230.[3]许家林.岩层移动与控制的关键层理论及其应用 [D].徐州:中国矿业大学，1999.[4]钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论 [M].徐州:中国矿业大学出版社，2000.[5]许家林，钱鸣高.关键层运动对覆岩及地表移动影响的研究[J].煤炭学报，2000,25(2):122-126.[6]刘天泉.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京:煤炭工业出版社，1981.146-147.[7]许家林，钱鸣高.覆岩注浆减沉钻孔布置的研究[J];中国矿业大学学报，1998, 23(2):28-30.[8]黄盛初，朱超，刘馨，等.中国煤矿区煤层气开发产业化前景[A].煤炭信息研究院主编.2001年煤矿区煤层气项目投资与技术国际研讨会论文集[C].上海:2001,11,5一11 [9]许家林，钱鸣高.地面钻井抽放上覆远距离卸压煤层气试验研究[J].中国矿业大学学报，2000, 29(1):78-81

第三篇：浅谈煤矿绿色开采技术

摘要：深入分析了我国煤炭开采的现存问题，总结阐述了绿色开采的技术体系构成，调查研究了相关保障技术的研究现状和发展趋势，论证了以关键层理论为基础绿色开采是煤炭工业可持续发展的必然趋势。

关键词：绿色开采；关键层理论；保水开采；充填开采；煤炭气化

目录

一、我国煤矿开采存在的问题 ··················································· 1

（一）安全问题···································································· 1

（二）环境问题···································································· 1

二、绿色开采理论体系与总体框架 ············································· 2

三、主要技术现状··································································· 3

四、结语 ··············································································· 5 参考文献 ··············································································· 5

浅谈煤矿绿色开采技术

2009年12月7～18日，世界各国领导人齐聚丹麦首都哥本哈根，协商如何共同遏制全球变暖，如何保护我们赖以生存的空气、水、土地和食物。然而会议没有达成全球亟需的气候保护协议，以不具法律约束力的《哥本哈根协议》草草收场，加剧了人们对全球气候恶化的担忧。如何应对全球气候变化，是每一个国家、每一个行业都有责任、有义务深入研究和思考的问题。

中国作为世界上主要的发展中国家，近些年在温室气体减排方面做了很多卓有成效的工作，全国各行业积极倡导和实施可持续发展、和谐发展观及循环经济等技术理念。正是在这个过程中，2003年钱鸣高院士提出了“绿色开采”的理念[1-2]，为煤炭行业的发展指明了方向。

一、我国煤矿开采存在的问题

我国“富煤、贫油、少气”的能源赋存状况决定了能源消费必须以煤为主，一次能源消费中有70%～75%来源于煤炭，煤炭行业的健康发展关系到国民经济可持续发展的全局。多年煤炭开采带来一系列环境和安全问题，屡屡为人诟病。

（一）安全问题

2009年12月21日，黑龙江龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故，再次引发公众对煤矿安全，特别是群死群伤公众事件的关注和深层思考。煤矿事故频发的原因何在，如何从根本上杜绝大型和特大型伤亡事故，不断拷问着各级监管、经营和科研服务单位。我国煤炭安全事故频发有着诸如井工开采量大、小煤矿安全装备和生产工艺落后、行业多年安全欠账严重、科技投入不足以及技术与管理人才流失严重等客观原因。从2006年起，国家加大对煤矿安全投入和治理，煤矿安全的总体形势是好转的，在产量增加的同时，死亡人数逐年下降，多年来煤炭产量以近2亿t/a的速度递增，而百万吨死亡率逐步下降。如何推动煤炭安全形势的进一步好转，实现以人为本与本质安全型的和谐矿区，是煤炭行业亟待解决的问题。

（二）环境问题

主要包括由于地下采掘引起的地面塌陷、水土流失、沙漠化、采煤废水排放以及煤矸石露天堆放污染等。

我国煤炭开采主要采用冒落法管理采空区顶板，造成地面沉降和陷落，因而引发村镇、铁路、桥梁和地面管线设施破坏。大量的农田因塌陷、盐渍化和水土流失无法耕种。矿井开采过程中的大气降水、地表水、地下水及生产用水涌入井下而成为矿井水，目前矿山的年排水量约为22亿m3。以山西省为例[1]，采煤破坏地下水达4.2亿m3/a，导致井水水位下降或干涸共计3 218个，影响水利工程433处、水库40座及输水管道793.89 km，造成1 678个村庄，81.271 5万人以及10.824 1万头牲畜饮水困难。《山西省煤炭开采对水资源的破坏影响及评价》显示，该省因采煤漏水和矿井水排放等造成的经济损失累计达300多亿元。

我国现有煤矸石山1 500余座，历年堆积量达30亿t，占地超过5 000 hm2，在大气降水淋溶时还会进一步污染周围水体、农田和地下水。目前有自燃现象的矸石山约140多座，自燃过程中产生大量的硫化物等有毒有害气体，成为大气污染源。

矿井瓦斯主要是矿井中由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。它既是煤矿重大安全事故的祸根，又是一种严重的温室效应气体。研究显示，甲烷造成的温室效应在全球气候变暖中所占份额为15％，仅次于二氧化碳。等量甲烷造成的温室效应是二氧化碳的21倍。据初步估计[2]，我国2 000 m以浅范围内具有30～35万亿m3煤层气资源，居世界前列。但由于我国煤层透气性差，难以在开采前抽出。建国以来，我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1 500余次，2001年由于瓦斯事故的死亡人数占煤矿总死亡人数的40％。煤矿每年排放瓦斯70～190亿m3。

二、绿色开采理论体系与总体框架

绿色开采理念是在科学采矿三原则(安全、环保和经济)的指导下提出的，强调在现有采煤理论、方法和技术的基础上，发展与创新采矿科学技术，从广义资源的角度上认识和对待煤、瓦斯和水等一切可以利用的各种资源。其基本出发点是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，以期取得最佳的经济效益和社会效益[1]。

煤矿开采引发的环境与安全问题无不源于采矿活动造成的岩层运动，进而引起周围岩体的应力场、节理裂隙场和瓦斯运移场等相关物理场的变化，因此，研究绿色开采技术必须以科学先进的岩层控制理论为基础，钱鸣高、缪协兴及许家林等人提出的关键层理论[3-5]为科学采矿的实施提供了理论基础。

在科学采矿的总体框架体系内，主要包括保水开采、煤与瓦斯共采、充填与条带开采和离层注浆减沉、煤巷支护和部分矸石井下处理以及煤炭地下气化等五大技术方向。

三、主要技术现状

近40年来，我国共发生矿井突水事故2 000余次，直接经济损失高达40多亿元。据统计，我国国有煤矿中半数具有突水危险性，且突水危险越来越严重。同时，山西、陕西和内蒙古等缺水地区也急需解决煤炭保水开采的问题。关键层理论认为[1]，煤炭采出后，随着关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水位能否恢复，取决于随着工作面的推进，上覆岩层中是否含有软弱岩层(事实上它是研究地下水渗漏的“关键层”)，及其能否经重新压实导致裂隙闭合而形成隔水带。这说明从技术上把握了关键层的破断规律，可以有条件开采受水患威胁的优质煤炭资源。

煤与瓦斯共采技术充分利用了煤炭开采中上覆岩层的矿压活动，着重对卸压煤层的抽采时机把握和抽采工艺优化。在这项技术上，以袁亮院士为代表的课题组，创造性地解决了我国淮南矿区低透气性煤层群开采的关键问题。该技术将高瓦斯、高地压和低透气性煤层群的技术难题统一考虑，以沿空留巷的方式一体化解决高瓦斯、高地温、高地压、井巷失稳、瓦斯突出和冲击地压等开采技术难题，通过通风降温和简化采掘接替，实现连续开采，并为高效抽采瓦斯和治理煤层群瓦斯提供最佳的工作空间，提出基于快速留巷Y形通风抽采卸压瓦斯的煤气共采技术路线。这项技术在排除低透气性难抽瓦斯安全隐患的同时，改善了作业环境，扭转了采掘衔接紧张的不利局面，较好地贯彻了安全、经济和环保的科学采矿三原则。

充填开采技术在我国的应用源于抚顺地区建筑物下开采，最早采用的是水砂充填。水砂充填工序复杂，难以实现大规模生产，减沉效果有限，从20世纪80年代起，在井工煤炭开采中逐步淘汰。可喜的是，近期以中国矿业大学缪协兴教授、周华强教授和冯光明教授领导的课题组，相继提出了矸石充填、膏体充填和超高水充填理论体系，就各充填工艺的实施开展了卓有成效的科研工作，并取得了工业化试验成功，在一定程度上解决了煤矸石堆存和“三下”压煤问题。同期基于关键层理论指导下的上覆岩层离层注浆减沉技术也逐步开展。矸石充填在冀中能源邢东矿、邢台矿、云驾岭矿和梧桐庄矿相继开展，在山东新矿集团翟镇矿、华丰矿以及皖北煤电集团五沟煤矿推广开来。膏体充填技术最早在山东济宁的太平矿取得成功，后推广至冀中能源的小屯矿与邢台矿、河南煤业化工集团焦煤公司鑫珠春矿、淄博矿业集团岱庄矿和枣煤矿集团拐蒋村矿。超高水充填技术最先在冀中能源邯矿集团陶一矿取得工业化成功。上述充填技术的快速发展，说明煤矿绿色开采技术越来越深入人心，但现有充填技术的推广主要解决了冀中和山东等煤价较高地区“三下”压煤问题，推广面有待扩展，技术上有待进一步完善。

煤巷支护是煤矿设备产能发挥的重要保证。随着我国煤矿开采逐步转入深部，以大采深、高应力、软弱破碎围岩和快速成巷为特征的动压巷道支护技术成为今后的研究热点。部分矸石井下处理工艺为巷充法，即通过沿空留巷和在条带煤柱内开掘矸石充填巷等方式，一定程度上实现了无煤柱开采，提高了矿井回采率。较为突出的技术成果为2002年3月冀中能源邢东煤矿可调向、升降与变速矸石充填机的研制与应用。目前，具有相同功能的充填设备在枣矿集团田陈矿、蒋庄矿和新矿集团鄂庄矿有所应用。山东盛泉矿业有限公司在高档普采工作面应用该技术是其应用领域的又一扩展。

煤炭地下气化技术集建井、采煤及转化等多种工艺为一体，大大提高了煤炭资源的利用效率和利用水平，深受世界各国重视[6]。该技术将灰渣留于井下，充填减沉，无固体废弃物排放，避免了大气污染，是一种有较好发展前景的采煤技术，被誉为新一代采煤方法。自20世纪30年代以来，美国、德国和苏联等主要产煤国均对此进行了大量技术研究，取得了不少科研成果，储备了煤炭地下气化的一些关键性技术。我国自1958年开始在鹤岗兴山矿、大同胡家湾、吉林蛟河及安徽独山进行了自然条件下煤炭地下气化试验。1980年以后，相继在徐州马庄和新河、唐山刘庄、新汶孙村、协庄、鄂庄以及山东里彦等10多个矿区进行了试验，初步实现了煤炭地下气化从试验到应用的突破。该技术的成熟将从根本上解决传统煤炭开采和使用方式存在的一系列技术、安全和环境问题，对发挥我国雄厚煤炭资源的优势，生产洁净能源，保障能源供给安全，促进经济和环境的协调发展都具有十分重要的战略意义。

四、结语

煤矿绿色开采是我国煤矿发展的必然方向，是和谐矿区建设的重要指导，有着以关键层理论为基础的实施依据，框架体系内主要技术的发展将为我国煤炭开采中实现安全高效、经济环保提供重要保障，达到煤炭行业“低开采、高利用、低排放”的可持续发展目标。

参考文献：

[1] 钱鸣高．绿色开采的概念与技术体系[J]．煤炭科技，2003(4)：1-3.[2] 钱鸣高，许家林，缪协兴．煤矿绿色开采技术的研究与实践[J]．能源技术与管理，2004(1)：1-4.[3] 许家林，钱鸣高．岩层控制关键层理论的应用研究与实践[J]．中国矿业，2001(6)：54-56.[4] 许家林，连国明，朱卫兵，等．深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响[J]．煤炭学报，2007(7)：686-690.[5] 许家林，朱卫兵，王晓振，等．浅埋煤层覆岩关键层结构分类研究[J]．煤炭学报，2009(7)：865-870.[6] 马 驰，余 力，梁 杰．中国煤炭地下气化技术的发展[J]．中国能源，2003(2)：11-15.

第四篇：充填开采汇报材料(翟镇煤矿)

充填开采经验介绍材料

翟镇煤矿

翟镇煤矿自2005年初开始研究矸石充填采煤工艺，研发了具有自主知识产权的综采矸石充填工艺，自2006年在7403成功运用以来，已累计完成以矸换煤122.20万吨，充填矸石74.84万吨。矿井于2008年12月实现井下矸石不升井，并率先在集团公司内停运了矸石山。

一、充填开采技术及应用效果。

1、充填开采技术

矿井充填采区七采区，工作面采用自行研发ZZ2600／13／20.5BC型或ZZ2800／14.5／26BC型充填液压支架，通过支架后配备充矸溜子进行机械充填。

下面以7201面介绍以下矸石充填流程与矸石充填工艺。矸石充填流程：

各采区矸石→七采矸石车场→翻车机翻车→破碎机破碎矸石→七采矸石仓→七采上部回风上山矸石皮带→溜矸眼→7201E轨道巷运矸皮带→7201E工作面充填溜子（采空区）。

矸石充填采煤工艺（包括回采工艺与矸石充填工艺）A、工作面回采工艺

工作面回采工艺主要包括割煤、移架与推移刮板输送机。

（1）采煤机割煤：采煤机割煤时的进刀方式采用割三角煤端部斜切进刀，进刀深度0.6m。采用双向进刀，往返一次进割两刀。

（2）移架：工作面采用及时移架支护方式，移架滞后采煤机后滚筒3～5架，追机作业，移架步距0.6m。若顶板破碎或端面距过大时，应拉移超前架及时支护暴露的顶板。

（3）推移刮板输送机：滞后采煤机不大于15m，推移刮板输送机。B、矸石充填工艺（1）矸石充填工作原理

采空区的矸石充填依靠自压式矸石充填机来自动完成：充填时自压式矸石充填机的上刮板向下运输充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密实、均匀。

在矸石充填过程中，随着矸石充填高度的增加，自压式矸石充填机会随之上升，利用矸石充填运输机对矸石的反作用力来压实的充填矸石。其充填过程可分为“自由落体”阶段、“自充自压”阶段、“充分压实”阶段。

（2）矸石充填工艺过程

矸石充填工艺是在采面割完两刀煤后进行，其工艺过程如下： ①每班按照正规循环割煤，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，准备充填工作。

②首先起动工作面自压式矸石充填机，然后依次起动7201面轨道巷运矸皮带、七采上部回风上山矸石皮带及七采矸石仓设备等，进行采空区矸石充填。

③充填时采用自压式矸石充填机机头向机尾方向依次充填，也即先打开自压式矸石充填机机头的第一个插板进行“自由落体”充填阶段、“自充自压”阶段，待此段矸石输送机升至离支架尾梁200mm时，关闭第一个插板，打开第二个插板，重复上述工作，待6个插板全部完成上述两个阶段后，再同时打开全部6个插板，进行“充分压实”阶段的工作。

a.“自由落体”充填阶段

“自由落体”充填阶段矸石由自压式矸石充填机运至漏矸孔，直接落入刮板下的采空区。

基 本 顶直 接 顶垮落后的直接顶充 填 矸 石矸石充填“自由落体”充填阶段示意图

b.“自充自压”充填阶段

当从漏矸孔下落的矸石自然堆积高度至自压式矸石充填机的溜槽时，自压式矸石充填机上刮板推移矸石自漏矸孔落下、下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石。在此过程中，下刮板的作用主要在以下方面：[a]使矸石在自压式矸石充填机的自身重力和刮板运动的共同作用下使矸石充填密实，提高了矸石的充填效果；[b]使矸石向下刮板运行方向邻近矸石孔移动，扩大了同一漏矸孔的充填范围。

在此过程中，自压式矸石充填机表现为因受矸石堆的反作用力，逐步上抬，同时对充填矸石进行初步压实。

待打开的漏充到离支架尾梁200mm时，关闭第一个漏矸孔的插板，同时打开第二个插板由下到上依次充填。

c.“充分压实”充填阶段

当最后一个自压式矸石充填机的漏矸孔完成“自充自压”阶段后，打开全部6个自压式矸石充填机插板，进行最后阶段的“充分压实”充填阶段。

此时，自压式矸石充填机会因充填矸石的反作用力进一步上移，当其与支架尾梁完全接触后，自压式矸石充填机不再上移，但对下部矸石的作用力进一步加强，使矸石得以充分压实，同时进一步扩大矸石的充填范围，实现有效充填空间的完全充满与压实。

采空区充填完毕后，对当班的采空区充填情况进行检查记录，确认达 到设计效果，然后进行下一矸石充填采煤工艺循环。

C、技术要点

为控制矸石充填效果，实现矸石充填有效空间的完全充满与压实。在矸石充填过程中，应做好以下方面的工作。

①漏矸孔插板打开严格执行由下到上的顺序进行充填，打开插板用力均匀，以防插板变形。

②充填过程中，密切注意自压式矸石充填机运矸量和矸石下漏量的变化，运矸量既不能大，使矸石下漏不完，运到工作面机头；也不能小，延长充填作业时间。必要时自压式矸石充填机需点动运行，以保证充填效果。

③注意工作面倾角变化，回采过程中严格顺平、顺直工作面，确保充填刮板输送机控制在可弯曲变形范围之内，保证输送机能够正常运行。

④破碎机要保持正常使用，同时在破碎机后要有专人观察矸石的破碎程度，要控制矸石破碎在粒径50mm左右，必要时进行辅以人工破碎，以保证采空区充填效果。

2、应用效果

自实施充填以来，为提高充充填效率、充实率，矿井对不断现充填工艺设备、技术进行改进。一是在充填溜子上增加了油缸，有效提高了充填高度；二是借鉴桥式转载机原理设计了探梁式卸矸架，实现皮带直接向采空区充矸；三是对溜尾端头支护进行优化，减少溜尾以里单体支护；四是改变电机接线盒位置，避免后尾梁挤压电机接线盒，有效提高了溜头充矸高度；五是针对顶板破碎、架后漏矸多，挤占充填空间，通过安排专人实行带压移架，有效控制架间漏矸。

通过以上有效措施改进，进一步提高工作面充填能力，目前，矿井矸石充填效率、充实率不断提高，实现了每班一刀炭、一茬矸，充实率在60％以上，保证了井下矸石不升井。

3、项目投资和开采成本。

累计完成充填项目投资6670.71万元，实现以矸换煤122.2万吨，充填 矸石74.84万吨。自实施充填以来，矿井平均制造成本205.92万元，充填成本较冒落式开采增加28.26元/吨，为234.18万元。

二、下一步工作措施

1、根据矿井目前工作面矸石充填能力、充填效果、设备性能，研究自制ZCZ5200 14.5/30六柱式充填液压支架，进一步提高工作面的充填能力、单产水平。

2、进一步做好充填工作面设备配套研究，以ZCZ5200 14.5/30六柱式充填液压支架、SGZ630/264充填溜子、MG180/455型煤机、SGD630/264型工作面刮板运输机四机配套，做好在7202E工作面的实验、应用、推广。

3、随着工作面充填能力、充填效果的提高，单一的井下矸石不能满足充填能力要求，需进一步做好地面矸石入井问题；同时进一步研究井下煤矸分离，提高煤质。

第五篇：煤矿开采技术

煤矿开采技术

主要课程：计算机文化基础、Visual Basic程序设计、工程制图、工程力学、电工技术基础、测量学、煤矿地质学、机械设计基础、井巷施工技术、矿山压力及其控制、流体力学与流体机械、采掘机械、采煤学、矿井通风与安全、矿井提升运输、矿山电工、计算机绘图、煤矿安全法规、矿山电工学、土力学与地基基础、露天开采概论、露天矿爆破工程、露天矿线路工程、边坡稳定、露天采掘机械、露天矿运输设备、露天采矿工艺、露天矿设计原理、矿山供电等。

就业方向：可在矿山企业、科研院所、政府机构等企、事业单位就业。主要从事矿区规划设计、矿山安全技术、生产技术、安全监察、科学研究等工作。

★ 矿井通风与安全

主要课程：计算机文化基础、Visual Basic程序设计、工程制图、电工与电子技术、采煤概论、工程流体力学、工程热力学与传热学、燃烧学、安全工程学、矿井通风与空气调节、瓦斯防治与开发技术、火灾防止理论与技术、粉层防止理论与技术、水防止理论与技术、安全监测监控技术及应用、煤矿安全法规、矿山电工学、管理学原理、环保概论、电气安全管理、通风与净化工程、危险货物运输管理等。

就业方向：可在煤矿、金属矿、非金属矿从事矿山通风安全和环境保护技术管理工作；也可在上述系统的科研、设计、教学、管理部门从事科学研究、矿山设计、教学、安全监察等工作；还能在工矿企业中从事采暖通风技术工作。