煤矿绿色开采技术的研究与实践_钱鸣高
煤矿绿色开采技术的分析
煤矿绿色开采技术的分析【摘要】随着时代经济的不断发展以及科学发展观、绿色可持续发展理论的提出，绿色开采煤矿已经成为煤矿开采业的主流开采方式。
本文主要从目前我国绿色开采煤矿中存在的安全问题以及环境污染问题方面入手，阐述我国绿色开采煤矿的整体工作框架，并对开采过程中存在的问题，以及开采技术进行了简要分析。
【关键词】煤矿开采：绿色开采：煤矿业绿色发展我国的经济发展很大程度上依赖于煤炭资源，但是，在开发与利用煤炭资源的同时，也给环境以及资源造成了不可挽回的损害。
为了解决这一问题，全国各煤矿企业都在遵循可持续发展战略，倡导节能减排，以达到和谐发展的目的。
绿色开采煤矿这一理念，是在2003年，由中国矿业大学钱鸣高院士提出的，为资源可持续发展以及煤炭工业的发展，提供了一个新的思路与方式。
笔者通过总结多年工作经验，对现有技术进行总结与分析，旨在帮助企业根据企业自身特点，采取不同种类的绿色开发技术，真正意义上实现绿色开采，最终达到煤炭工业可持续化发展的目标。
一、我国煤矿开采业存在的问题1.安全问题：中国煤矿开采业较之国外来说，存在着生产工艺较为落后，安全意识薄弱、以及科学技术开发资金投入不足、经营管理模式不完善等问题。
与此同时，由于开采的过程中将会对上覆岩层产生移动破坏，从而破坏了地下水层初始流动状态，以及阻碍了瓦斯的正常流转。
致使多地发生因瓦斯突出、漏水以及冲击地压等灾害的发生。
并且随着时间的推移，矿井采掘造成的水土流失、多地地面塌陷等问题也日益突出。
2.环境问题：我国煤炭地下开采，采空区部分，基本都采取全部冒落法管理顶板，会造成地面塌陷以及地面沉降现象，随之引发井水的水位下沉，最终导致铁路、公路、及各项依地面类建筑破坏。
据不完全统计，2010年，我国约有16000座煤矸石山，历年来累计堆放的煤矸石重量约为45亿t，占地面积约为15000平方米，其中瓦斯以及煤矸石山自然时所产生的硫化物基本都会直接进行排放，对大气的污染十分严重。
我国煤矿充填开采技术及绿色开采技术研究
环球市场/施工技术-178-我国煤矿充填开采技术及绿色开采技术研究袁志刚山西高平科兴新庄煤业有限公司摘要：随着煤炭开采技术水平的提高，为了解放“三下”压煤，煤矿“三下”开采技术得到了极大发展。
我国煤矿“三下”传统开采技术有离层注浆、条带式开采，其中离层注浆不能有效控制地表下沉，成本高，效率低；条带式开采，资源回收率低，一般不超过50%，资源浪费严重。
充填开采不仅能有效控制地表下沉，而且资源回收率可达90%以上。
充填开采目前有超高水材料充填、膏体充填、固体物充填三种技术。
本文主要对充填技术以及绿色开采技术进行简要阐述。
关键词：煤矿工程；充填开采；绿色技术随着煤炭资源的利用越来越广泛，煤矿开采对周围环境的破坏逐渐显现出来。
从实况来看，破坏主要表现在以下几个方面：①对土地资源大量的破坏与占用；②破坏与污染周围水资源；③污染大气环境。
因此煤炭开采必须要朝着高利用、低开采以及低排放方向发展。
在这种环境下，探究煤矿的绿色开采技术及其应用具有重要的现实意义。
1 煤矿充填开采技术1.1 超高水材料充填技术充填工艺采用水力泵送、挂包充填。
包括充填泵站与充填点两部分，该充填工艺系统相对简单，初期与总体投入均较低。
由于充填材料具有流动性，对于仰斜开采，只需要管路、搅拌与泵送等设备就可以形成完整的充填系统；而对于水平开采和俯斜开采，还需用充填袋，效率相对较低，月产一般在5000~10000t，目前在综采机械化充填方面还没有取得突破。
1.2 膏体充填采煤技术固体废物膏体充填是煤矿绿色开采技术的重要组成部分，它是一种将煤矸石、粉煤灰、劣质土等固体废物制作成无临界流速、不需脱水的膏状浆体，通过泵压或重力作用，经过管道输送到回采工作面，适时充填采空区的绿色开采技术。
膏体充填分胶结膏体充填、非胶结膏体充填。
该充填技术具有高采出率、环保、高安全性等优点，管道运输，材料选择广泛，目前已在多个矿井应用，在炮采工作面应用较多，综采膏体充填技术正在研究。
煤矿绿色开采技术的研究与实践
煤矿绿色开采技术的研究与实践摘要：进入21世纪以来，我国各大企业都在快速发展，尤其是矿企，也有了很大进步。
推动煤矿绿色开采是煤炭行业重点发展的内容，对煤炭产出量的提升、生态环境的保护还有煤矿发展的可持续性发挥着十分重要的作用。
从煤矿绿色开采技术角度进行分析，通过结合当前阶段煤矿绿色开采方法的应用现状加以分析和阐述，以期能够对科学采矿提供一定指导意义。
关键词：煤矿；绿色开采技术；研究与实践引言随着社会经济的发展，煤炭企业的数量不断增多，规模也随之扩大。
在日常采煤生产作业中，煤炭企业只有加大安全管理力度并全面落实绿色开采技术，这样企业的经营思路才能扩展，在煤炭市场上的竞争力也会大幅度提升，进而获得更大的经济效益与社会效益。
然而，部分煤炭企业目前采用的开采技术为采煤作业带来了很多环境与安全上的问题，企业所得经济效益也无法全面提高。
针对此，必须落实绿色开采技术，在采煤作业中制定相应的防治措施，只有这样，煤炭企业、矿产资源以及生态环境才能进行持续、协调的发展。
1煤矿采矿传统技术现状中国煤矿最开始使用人力开采，之后发展为半人工开采，煤矿开采的工作量比较大，人工或半人工开采量不高，当前仍然存在部分煤矿企业使用这种方法进行煤矿开采。
应用中国传统煤矿开采技术进行开采的煤层类型较多，主要包括缓倾层薄煤层、缓倾层厚煤层、深井、硬顶板等。
相关研究人员也一直致力于研究煤矿开采技术，经过多方努力，结合丰富的开采经验，并开发出了新的开采技术，将新技术应用在采煤实践中，大幅度提升了中国煤矿开采水平。
但随着现代经济的飞速发展，煤炭资源需求量越来越大，传统煤矿开采效率较低，不能满足当前社会对煤炭的需求，而众多煤矿行业要想在竞争日益激烈的社会中得以生存，就必须应用更加先进的开采技术。
经过相关调查得出，中国煤矿开采行业的机械化使用率约为45.00%，而且煤矿开采技术水平较低，很多煤矿企业并未普及自动化开采技术，多数为半自动化开采，这种情况严重拉低了中国煤矿整体开采能力。
新时代煤矿绿色开采技术研究
新时代煤矿绿色开采技术研究资源短缺、环境污染已牵制我国经济发展，绿色开采成可持续发展的唯一出路。
同时，矿山安全形势虽有改善，但重特大安全事故屡有发生。
采用安全高效绿色开采技术也成为必然。
基于此，本文通过对煤矿绿色开采技术进行研究，新时代煤矿绿色发展建言献策。
标签：煤矿;绿色开采;环境保护“绿色矿山”是遵照国家政策法规办矿，从集约利用矿产资源和环境保护出发，以规范管理、技术创新、节能减排、土地复垦等为手段，以实现经济效益、环境效益、社会效益、资源效益相互协调统一为目的，将可持续发展理念贯穿于矿山建设、生产的全过程。
一、绿色开采的理念与内涵绿色开采将环境影响和破坏降到最低，实现绿色矿业，建立绿色开采技术体系。
绿色开采技术的内涵和特点：（1）广义定义矿产资源、地下水、土地、尾矿等;（2）减捂巧采对环境的破坏目前，资源短缺、环境污染已牵制我国经济发展，绿色开采成可持续发展的唯一出路。
同时，矿山安全形势虽有改善，但重特大安全事故屡有发生。
采用安全高效绿色开采技术也成为必然。
缘色开采联系清洁生产，涉及开采与持续发展、开采与环境协调。
钱鸣高院士首先提出了绿色开采技术体系和关键层理论，岩层控制的关键层理论为绿色开采研究提供了一个理论平台。
他之后的专家继往开來，完善煤炭资源绿色开采技术体系，见图1煤炭资源绿色开采技术体系。
煤炭作为最基础的能源，为大众生活提供了便捷，但是其带来的大气污染、水污染、噪音污染等问题也不能忽视。
通过推行煤炭绿色开采技术，可以从源头上减少废弃物的排放，减少了对环境的破坏，还能一定程度上提高煤炭开采量和开采效率。
另外，煤炭绿色开采技术还能对瓦斯等有毒废气进行回收处理，消除废气中存在的有害物质，使得一些废弃物可以得到二次利用，减少了资源的浪费。
煤矿绿色开采技术可以降低开采的难度，提高工作效率，有利于煤矿企业的长远发展和经济利益的提升。
二、煤矿绿色开采的相关技术2.1保水开采技术保水开采是指在煤炭开采过程中保护周边水域不受污染的绿色开采技術。
煤矿绿色开采技术的研究与实践
煤矿绿色开采技术的研究与实践Revised by Hanlin on 10 January 2021煤矿绿色开采技术的研究与实践[摘要]阐述了煤矿绿色开采的提出、概念及绿色开采技术体系。
绿色开采技术的主要内容应包括: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、煤巷支护与部分研石的井下处理、煤炭地下气化等，介绍了基于岩层控制的关键层理论开展的绿色开采技术研究与实践成果。
[关键词]绿色开采;关键层理论;岩层移动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，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(recyclingeconomy)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[’}，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”。
“绿色开采”的内涵是努力遵循循环经济中绿色工业的原则，形成一种与环境协调一致的，努力去实现“低开采、高利用、低排放”的开采技术。
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。
煤矿绿色开采技术的研究与实践_1
煤矿绿色开采技术的研究与实践发布时间：2022-10-11T09:34:39.320Z 来源：《科学与技术》2022年第11期作者：任浩[导读] 煤矿在开采过程中会对岩层移动产生破坏，导致岩层当中水和瓦斯形成流动状态，加大了煤矿瓦斯与井下突水发生的概率任浩子长县洪水沟煤矿陕西 717300摘要：煤矿在开采过程中会对岩层移动产生破坏，导致岩层当中水和瓦斯形成流动状态，加大了煤矿瓦斯与井下突水发生的概率；煤矿开采还会引发岩层移动，地表沉陷也会因此产生，大量农田、建筑设施也会出现损害；同时，在开采过程中会出现大量矸石堆积，既破坏了良田，又促使环境污染；随着矿井开采深度的不断增遭受加，还会出现大量动力灾害，如矿山压力显现和冲击地压生成频次不断加大，持续性续增大的强度会对矿井的安全生产带来一定程度的威胁。
上述问题如果没有采取有效的解决措施，随着对能源的需要和煤炭产量的攀升，开采煤矿资源会造成矿区出现安全和生态环境问题，进而对生产和生活造成巨大风险。
关键词：煤矿；绿色开采；技术1 煤矿开采引发的问题1.1 造成水资源污染煤矿中含有许多硫元素成分，企业在开发煤矿的过程中需经由洗煤工序才能实现脱硫处理。
但是，目前仍有部分企业将处理后所形成的酸性水直接排放进河水中，这不但带来了水资源污染问题，还对人类以及动植物的健康产生了不利影响。
1.2 造成大气污染据了解，美国每年都有数千人患有黑肺病，而这些患者中有30%都是矿工人员。
相较于美国，我国每年新增的黑肺病例也已超千。
之所以出现此问题，究其原因，是由于大量煤炭作为燃料焚烧后形成有害气体，随着这些气体被排放到大气环境中，对空气会造成极大的污染。
而人们吸入这些污浊空气后，会对肺部及其他身体机能产生极大的影响，甚至引发一系列健康问题。
1.3 造成土资源污染井下巷道采掘以及露天开采都是我国较为传统的煤炭开采技术。
采用露天开采技术进行采掘的煤矿，通常煤层较浅，基本分布在地表上。
探究煤矿绿色开采技术研究与应用
探究煤矿绿色开采技术研究与应用煤矿绿色开采技术是指以减少对环境的损害为目标，通过优化矿山设计、采矿方法和装备设施，降低煤矿开采过程中对自然资源的消耗和对环境的污染，实现煤矿的可持续发展。
随着环境保护和可持续发展理念的普及，煤矿绿色开采技术逐渐受到煤矿企业和政府的关注和重视。
煤矿绿色开采技术的研究内容主要包括以下几个方面：1. 矿山设计优化：通过对矿山地质、地质构造、矿石品位等进行全面分析和评估，合理确定开采方案和方法，减少开采过程中的资源浪费和环境破坏。
2. 采矿方法改进：传统的煤矿采矿方法存在废石带大、煤矸石回采困难等问题，绿色采矿技术要通过引入新的采矿方法，如无炸药爆破、高效回采等，提高煤矿的采收率，减少资源的浪费。
3. 煤矸石综合利用：煤矸石是煤矿开采过程中产生的废料，绿色开采技术要通过研发煤矸石综合利用技术，将煤矸石转化为资源，如再生建材、燃料等，减少煤矸石对环境的污染。
4. 环境监测与控制：煤矿绿色开采技术要通过引入先进的环境监测技术和控制手段，对煤矿开采过程中的空气、水质、土壤等进行实时监测和控制，防止环境污染和生态破坏。
5. 智能化装备和管理：绿色开采技术要通过引入智能化装备和管理系统，实现煤矿开采过程的自动化和信息化，提高生产效率和资源利用率，减少对环境的破坏。
1. 节约能源和资源：通过优化矿山设计和采矿方法，减少不必要的资源浪费，推动煤矿行业向高效、低耗的方向发展，提高煤矿采收率和资源利用率。
2. 减少环境污染：通过控制煤矿开采过程中的废气、废水和废渣的排放，减少污染物的产生和排放，保护周边环境和生态系统的健康。
4. 增加企业竞争力：绿色开采技术符合社会对环境保护和可持续发展的需求，有利于提升企业形象和品牌价值，增强企业的竞争力。
资源与环境协调(绿色)开采
资源与环境协调(绿色)开采钱鸣高（中国矿业大学，xx徐州221008）摘要：为了满足国家经济发展对能源的要求，实现资源开发与环境的协调，绿色开采技术必然将受到充分的重视，绿色开采中的部分技术可以成为产业。
通过矸究资源与环境协调绿色）开采的内涵，包括煤矸石的利用和土地恢复，瓦斯的开采利用，保水开采，减沉技术等方面，提出了绿色开采技术涉及到的上覆岩层关键层理论，采动裂隙“o”，形圈理论，软弱层对上覆岩体水的影响等基础理论，以及技术应用和经济原则。
绿色采矿是形成绿色矿业及矿区绿色家园的重要组成部分。
建议政府针对赞源经济”的特点，从煤炭开采到利用的整个系统来综合考虑加以宏观调控，在政策与税收等方面给予支持，使煤炭企业健康发展。
关键词：资源;环境;绿色开采中图分类号：td821文献标识码：a1资源与环境协调绿色开采的提出由于经济高速发展特显出发展对环境的影响，新型工业化道路以及循环经济的提出迫使人们考虑“绿色矿业”问题。
近期国务院《关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》中更对煤炭工业提出了具体要求。
如：在指导思想中提出“走资源利用率高、安全有保障、经济效益好、环境污染少和可持续的煤炭工业发展道路”。
同时提出“统筹煤炭工业与相关产业协调发展，统筹煤炭开发与生态环境协调发展，统筹矿山经济与区域经济协调发展”的要求。
三个统筹就是要把矿区资源优势变成经济优势，就是要把矿区变成矿工的绿色家园。
煤炭是否能成为主体能源，关键是要解决煤炭开发与利用中对环境的影响问题。
而煤炭工业能否健康发展，则需要综合矸究资源经济特点，解决政策、机制、规划、价格、技术等诸多问题，并相应地提出举措，才能成功。
在煤炭开发与生态环境协调发展方面应该如何应对。
以生产煤炭为主的煤炭企业已作了不少很有成效的探索，如：①利用劣质煤和煤矸石发电、制砖。
很多矿山原来堆积的矸石山已不复存在。
②煤矿坑下排水净化后利用。
③利用瓦斯发电。
④开采塌陷区的复垦和景观化等。
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专论与综述煤矿绿色开采技术的研究与实践钱鸣高,许家林,缪协兴(中国矿业大学,江苏徐州221008)[摘 要] 阐述了煤矿绿色开采的提出、概念及绿色开采技术体系。
绿色开采技术的主要内容应包括: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、煤巷支护与部分矸石的井下处理、煤炭地下气化等,介绍了基于岩层控制的关键层理论开展的绿色开采技术研究与实践成果。
[关键词] 绿色开采;关键层理论;岩层移动[中图分类号] TD823 [文献标识码] A [文章编号] 1003-6083(2004)01-0001-041 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,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”。
“绿色开采”的内涵是努力遵循循环经济中绿色工业的原则,形成一种与环境协调一致的,努力去实现“低开采、高利用、低排放”的开采技术。
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(59674011,50374066);国家杰出青年科学基金项目(50225414)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,井下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抽放和煤矿矸石山的自燃。
以山西省为例,1949～1998年共生产原煤56亿多t,地面塌陷破坏面积达666000多hm2,其中40%是耕地。
矸石山占地2000多hm2。
至1998年煤炭地下采空面积达1300km2(全省面积的1%)。
采煤破坏地下水4.2亿m3/a,地表水迳流减少,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。
平均每采万t 原煤造成塌陷土地0.2hm 2,每年新增塌陷地约2万hm 2。
矿井瓦斯即煤层气,它是比CO 2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2000m 浅范围内具有30～35万亿m 3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2356人,为煤矿总死亡人数的40%。
煤矿每年排放瓦斯70～190亿m 3。
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。
事实上,笔者从20世纪90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,正式提出了煤矿绿色开采的理念及其技术体系[2]。
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矸石排放技术;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。
图1煤矿绿色开采技术体系3 基于关键层理论的绿色开采技术研究与实践采场老顶岩层“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[3]。
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。
因而,关键层理论将为绿色开采的研究提供理论平台。
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,上覆岩层中有否软弱岩层(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。
把地下水视为资源,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。
底板突水是在采动和水压共同作用下底板破坏所致,因此,底板突水机理及防治研究应重视采动底板破坏规律的研究。
岩层控制的关键层理论的原理可以用于采场底板突水治理研究中,即在采场底板隔水层中,找出起主要控制作用的岩层———隔水关键层,由此展开相应的力学分析。
在采场底板突水事故统计分析的基础上,对无断层底板关键层的破断与突水机理及有断层底板关键层的破断与突水机理进行了研究,据此提出了底板突水预测预报的原理与方法,在淮北朱庄矿6313工作面底板突水危险性的预测预报中得到了应用与验证[4,5]。
基于岩层控制的关键层理论提出: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。
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[6,7]。
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。
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。
在关键层理论指导下,开展了多个矿井建筑物下条带采煤试验和巨厚火成岩下离层充填减沉试验,累计安全采出建筑物下压煤数百万t,取得了显著的经济与社会效益。
目前,关键层理论正应用于多个矿井的建筑物下采煤实践。
我国煤层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3000m3/d的也只有约30口[8]。
而如何提高煤层采前渗透率是尚未解决的难题。
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,为煤层气运移和开采创造了条件。
因而,卸压煤层气抽放将是我国煤层气开采的重要途径。
我国煤矿卸压瓦斯抽放工作一直在进行并取得了很大进展,但我国煤矿抽放瓦斯的主要目的还是为了采煤的安全,而不是将瓦斯作为一种有用的资源进行开采,大部分矿井抽放瓦斯未能利用而直接排放到大气中。
目前,我国卸压瓦斯抽放总体上仍存在抽出率低及钻孔工程量大的问题,瓦斯总体抽出率仅为23%。
如何基于岩层移动规律进行卸压瓦斯抽放方案的优化、提高瓦斯采出率将是我国煤矿卸压瓦斯抽放进一步研究的主要方向。
基于岩层控制的关键层理论及煤矿绿色开采思想提出的“煤与煤层气共采”的基本观点为:将煤层气作为一种资源,充分利用采煤过程中岩层移动对瓦斯卸压作用并根据岩层移动规律来优化抽放方案、提高抽出率,在煤层开采时形成采煤和采煤层气两个完整的开采系统,即形成“煤与煤层气共采”技术,煤矿从采掘部署上把瓦斯抽放当作正规的开采工艺流程,从时间、空间与资金上给于保证,对抽放瓦斯进行利用。
若在开采时形成采煤和采瓦斯两个完整的系统,利用岩层运动的特点将煤层气高效开采出来,即形成“煤与瓦斯共采”技术。
关键层理论所得出的节理裂隙场分布规律将对瓦斯抽出技术有重要参考作用。
将关键层理论及有关采动裂隙分布规律的研究成果应用于我国卸压瓦斯抽放的研究与工程实践,取得了以下主要成果[9～11]:(1)建立了卸压瓦斯抽放“O”形圈理论,它是指导卸压瓦斯抽放钻孔布置的理论依据,并已在淮北、淮南、阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功试验与应用。
(2)理论与实测研究证明,上覆远距离煤层能充分卸压,其卸压煤层气可通过“O”形圈大面积抽放出来。
首次在桃园矿进行了上覆远距离卸压煤层气抽放的工业性试验,取得了较好的抽放效果,为我国低透气性煤田煤层气开采开辟了一条新途径。