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安徽理工大学涂敏教授博士采矿学科前沿讲座（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1.全国煤炭产量2.煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放3.煤矿突水灾害与水资源破坏4.煤矸石的露天排放问题5.“三下”压煤问题6.煤矿安全与环境问题的特殊性1.全国煤炭产量国有地方,3.24,13%乡镇,9.59,38%国有重点,12.4,49%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2000m范围内具有30~35万亿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。高瓦斯及煤与瓦斯突出低瓦斯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15000hm2。目前每年产矸量超过3.5亿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20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煤层气共采条带开采充填开采矸石不出井与煤巷支护煤炭地下气化二、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。若干待研究的问题煤矿绿色开采采动岩体结构运动理论采动裂隙岩体渗流理论煤与瓦斯共采保水采煤矸石充填采煤绿色开采技术框架三、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.煤与瓦斯共采效果采后抽采采前抽采（预抽）采中抽采（边采边抽）煤矿瓦斯抽采方法1.瓦斯抽采方法分类三、煤与瓦斯共采技术采前抽采(预抽)邻近层抽采本煤层抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采顺层钻孔抽采交叉钻孔抽采煤层巷道抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采走向巷道抽采倾向巷道抽采水平长钻孔抽采三、煤与瓦斯共采技术采中抽采(边采边抽)掘进工作面抽采回采工作面抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采顺层钻孔抽采煤层巷道抽采采空区埋管抽采巷帮钻孔抽采迎头钻孔抽采相邻巷道抽采三、煤与瓦斯共采技术采后抽采采空区抽采地面钻井抽采密闭插管抽采密闭钻孔抽采以上各种方法的组合构成了煤矿瓦斯的综合抽采三、煤与瓦斯共采技术首采煤层地表2.采动卸压瓦斯抽采三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术Ⅰ-冒落带，Ⅱ-裂隙带，Ⅲ-弯曲下沉带A-煤壁支撑影响区，B-离层裂隙区，C-重新压实区冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷走向高抽巷三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷倾向高抽巷三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷倾向穿层孔三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷顶板走向孔三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷地面钻井三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷底板巷穿层钻孔三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷底板巷穿层钻孔三、煤与瓦斯共采技术中国煤矿瓦斯抽采量的增长情况050010001500200025003000350040004500瓦斯抽采量/Mm319652007199519851506004400328阳泉、淮南、水城、盘江、松藻、晋城、抚顺、淮北等10个矿业集团年抽采量超过1亿立方米山西、辽宁、安徽、重庆等5个省市年抽采量超过2亿立方米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37864942699570166877547425.59.995.52000400060008000100001977198219871992199720022007年份死亡人数/人010203040年产量/亿t死亡人数产量三、煤与瓦斯共采技术四、煤矿突水灾害防治技术1.研究现状与不足2.关键科学问题3.重点研究内容4.主要研究进展5.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%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2053m3/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、