采矿新技术之绿色开采

主讲：田坤采矿“新”技术—绿色开采技术单位：陕西能源职业技术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15000hm2。目前每年产矸量超过2.5亿t。矸石山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。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关键层理论土地复垦植被修复地下水流失与突水事故瓦斯事故地表塌陷、土地与建筑物损害排放矸石占用土地有害气体排放污染环境煤矿开采损害煤与煤层气开采条带开采少出矸石与多掘煤巷煤炭地下气化、液化保水开采岩层移动体系煤矿开采技术生态治理与恢复技术绿色开采技术体系废弃地治理与利用煤炭资源绿色开采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24Kg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。中国煤层气资源规模分布图煤矿绿色开采技术---1煤与瓦斯协调开采技术91762423拉萨成都银川北京西安郑州南京上海哈尔滨呼和浩特济南福州台北兰州广州武汉南昌长沙海口南海J1-2J1-2J1-2J1-2J1-2T3T3T3P2P2P2P2P2P2P2P2EEEC-PC-PC-PC-PC-PC-PC-PC-PJ3-K1J3-K1J3-K1J3-K1J3-K1J3-K1J3-K1J3-K1J1-2J1-2J1-2J1-2J1-2J1-2J1-2J1-2P2P2P2EET3T3T3J1-2J1-2T3P2C1P2C1CC1C1C122全国煤层气试验区分布图21开滦15韩城2大城16蒲县3济南17柳林4淮北18吴堡5淮南19三交6平顶山20临县7荥巩21兴县8焦作22丰城9安阳23冷水江10晋城24涟邵11屯留25沈北12阳泉26红阳29阜新13澄合27铁法30辽河14彬长28鹤岗1210兰州拉萨长春西宁兰州兰州西宁拉萨乌鲁木齐12832625302729181113151619142120147845煤矿绿色开采技术---1煤与瓦斯协调开采技术17.9332.15303324.7536.3333823.8614.422.531.4627.3010203040资源量(万亿立方米)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、煤层瓦斯的渗透率低我国煤层渗透率较低，平均在0.002～16.17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SanJuan盆地和BlackWarrior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、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。图1-3-1地面煤与瓦斯协调开采示意图图1-3-2井下煤与瓦斯协调开采示意图煤矿绿色开采技术---1煤与瓦斯协调开采技术提高瓦斯采出率；降低矿井瓦斯涌出量；降低矿井通风成本；消除瓦斯事故煤层气综合利用，消除大气污染卸压瓦斯开采地面钻井抽放井下钻孔及巷道抽放邻近层瓦斯卸压上覆远距离煤层瓦斯卸压废弃采空区聚积瓦斯卸压本煤层瓦斯卸压围岩抽放煤层气煤层开采岩层移动形成采动裂隙未采层抽放采动卸压抽放地面钻井抽放煤与瓦斯协调开采技术体系采空区抽放图2-5煤与瓦斯协调开采技术体系煤矿绿色开采技术---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0123456抚顺阳泉松藻淮南盘江晋城水城鸡西宁煤淮北20032004200520062007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75-200mm；煤炭科学研究总院重庆设计院生产的ZYG—150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煤层气燃气轮机煤层气锅炉煤层气煤泥烘干回转窑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AppinColliery瓦斯发电厂澳大利亚AppinColliery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