煤矿绿色开采(许家林XXXX06)

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，[e-mail]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2000m范围内具有30~35万亿m3煤层气资源,每年排放煤矿瓦斯70~190亿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部分开采充填开采协调开采条带开采房柱式开采部分充填全部充填减缓地表沉陷、保护土地资源、回收建筑物下压煤减沉开采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护地下水资源井下排水的净化与循环利用技术含水层不破坏或破坏后能恢复的采煤技术保水开采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工作面风巷表土层松散含水层基岩地面导水裂隙带高度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岩性计算公式之一/m计算公式之二/m坚硬1008.91.22.0dMHM1030MHd中硬1005.61.63.6dMHM1020MHd软弱1004.03.15.0dMHM510MHd极软弱1003.05.08.0dMHM注：∑M——累计采厚；公式应用范围：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m；±号项为中误差。1.问题的提出工作面煤层采厚/m基岩厚度/m顶板导水裂隙高度/m突水情况计算实测补连塔煤矿314014.4≥12036～52140～154突水祁东煤矿32222.5≥6327～42—突水祁东煤矿71143.0≥7030～4562～102突水松散含水层下采煤异常突水案例1.问题的提出松散层11.88m,砂砾岩89.45m。S21S1945联巷50联巷55联巷60联巷60联巷55联巷50联巷45联巷2月18日(200m/h)33月2日(160-200m/h)34月8日(250-400m/h)34月18日(60-80m/h)35月7日(80-120m/h)35月4日(50-200m/h)34月30日(60-200m/h)331401运顺31401回顺补连沟31401综采工作面S21钻孔冲洗液漏失量变化曲线-250-225-200-175-150-125-100-75-50-250024681012141618202224冲洗液消耗量L/m·s钻孔深度/mS19钻孔冲洗液漏失量变化曲线-250-225-200-175-150-125-100-75-50-25003691215冲洗液消耗量L/m·s孔深/m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孔号观测孔滞后工作面距离/m采厚/m导水裂隙高度/m基岩柱垂高/m实测《规程》预计S199314.4153.9552122.5S2110194.4140.5052119.6(a)突水区域覆岩柱状33.81m95.16m（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地面松散层砂砾含水层基岩《规程》预测导水裂隙31401工作面煤层运输顺槽回风顺槽S19(S21)55m140～154m实测导水裂隙祁东煤矿7114工作面导水裂隙高度探测结果孔号观测孔滞后工作面推进速度m/月采厚/m导水裂隙高度/m距离/m时间/d实测《规程》预计D110078503.062.045D216789503.0102.3457114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风巷表土层松散承压含水层基岩地面机巷7114工作面D1D262m102.3m《规程》预计导水裂隙实测导水裂隙45m2.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响D5D67130工作面第Ⅰ块段7130工作面机巷7130工作面风巷切眼跳压切眼断层断层高9130329-3027130工作面第Ⅱ块段7130工作面第Ⅲ块段采区运输上山采区回风上山两带高度探测孔位置D5两带探测孔柱状3553603653703753803856090120150180钻孔水位深度（m）钻孔深度（m）29.512.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响D5D67130工作面第Ⅰ块段7130工作面机巷7130工作面风巷切眼跳压切眼断层断层高9130329-3027130工作面第Ⅱ块段7130工作面第Ⅲ块段采区运输上山采区回风上山两带高度探测孔位置D6两带探测孔柱状3503553603653703753803080130180钻孔水位深度（m）钻孔深度（m）28.512.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响主关键层亚关键层2亚关键层1煤层亚关键层3导高45m主关键层亚关键层2亚关键层1煤层亚关键层3导高65m导高45m主关键层亚关键层2亚关键层1煤层亚关键层3亚关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条件模型I模型II模型III煤层采厚/m442.5亚关键层1距煤层高度/m444亚关键层2距煤层高度/m181818亚关键层3距煤层高度/m456545主关键层距煤层高度/m858585导水裂隙带高度/m456545KS1KS2KS3PKSKS1KS2KS3PKSKS1KS2KS3PKS模型I模型II模型III2.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。αmhLΔS第i层关键层煤层第1层关键层hβK关键层破断裂缝贯通的临界高度结构模型1pkKhLmHm)107(H～2.关键层位置对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≥基岩厚度主关键层位于（7～10）M以内？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＝（7~10）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主关键层亚关键层1亚关键层3主关键层亚关键层1亚关键层21主关键层亚关键层1亚关键层3主关键层亚关键层1亚关键层21（7~10）MM（7~10）MM基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法流程工作面钻孔采高/m主关键层高度/m基岩厚/m按《规程》预计结果/m按关键层预计结果/m实测结果/m按《规程》预计结果误差/m按关键层预计结果的误差/m补连塔31401S214.433.8119.651.9119.6140.5088.623.23补连塔31401S194.433.8122.551.9122.5153.95102.0536.68祁东7114D13.03.4878.044.678.0062.0017.4-16祁东7114D23.03.48116.044.6116.00102.3057.7-13.7祁东7130D52.8531.8858.3343.731.8829.51-14.19-2.37祁东7130D62.8330.4663.3143.730.4628.51-15.19-1.95祁东6130D81.931.9767.5237.531.9732.22-5.280.25祁东7121D92.37.4989.1640.389.1666.4826.18-22.68祁东7121D102.33.4580.8540.380.8566.8126.51-14.04兴隆庄2308带22.8108.4134.5743.576.3572.128.6-4.25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足。尤其是当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）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（7～10）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