如何进行煤炭资源绿色开采

煤炭资源绿色开采关注聚煤网微信jcoalwx，尽享VIP权限提纲：现状、目的意义膏体充填膏体充填不迁村采煤技术发展方向膏体充填不迁村采煤技术经济环境效益1现状、目的意义1.1现行采空区处理方法的危害普遍采用顶板全部垮落法岩层移动、地表沉陷、农田、建筑设施损坏全国因煤炭开采引起塌陷地43万公顷全国平均每采万t煤塌陷土地0.2公顷每年新增塌陷地约2万公顷兖州：土地赔偿费6000多万元/年，近10年付出20多亿元。全国建筑物、水体、铁路下（三下）压煤100亿t其中:(1)兖州:村庄172个,压煤5.2亿t,占可采储量41.2%.(2)新汶:村庄压煤2.5亿t,占总储量64%.(3)徐州:村庄等建下压煤5.0亿t,占可采储量63.7%.(4)峰峰:村庄73个,压煤1.0亿t.(5)许厂:首采区建下等压煤面积达68.7%.1现状、目的意义1.1现行采空区处理方法的危害生产规模不断扩大,压煤无法开采，矿井面临过早报废（根据兖州矿业集团“5356”工程规划）矿井南屯兴隆庄鲍店东滩济二济三设计(万t/a)240300300400400500实际(万t/a)3506006007006008001现状、目的意义1.1现行采空区处理方法的危害迁村解放压煤，成本大幅增加例1:淄博许厂煤矿130南翼集中巷以东部分，长1500m，宽1400m，涉及2个自然村490户人家、8个企业、1座敬老院、一段1440m的327国道，如果搬迁，需要搬迁费用1.59亿元,吨煤成本增加19.96元/t.1现状、目的意义1.1现行采空区处理方法的危害1现状、目的意义1.1现行采空区处理方法的危害岩层移动破坏、地下水大量流失平均吨煤水代价2t，华北地区10t严重时土地沙漠化矸石堆积、占用良田、环境污染现已积存矸石30亿t，每年增加1.5~2.0亿t全国1500座矸石山中140座在自燃，对大气、土地环境严重污染。1现状、目的意义1.2国际水平（1）水力和风力充填采空区国家：波兰、德国、前苏联等材料：河砂、煤矸石、粉煤灰地表沉陷系数q=0.1~0.2（2）离层注浆国家：波兰减沉效果：比不注浆减少20~30%。（3）房柱法开采国家：美国、澳大利亚等煤炭采出率50~60%地表沉陷系数q=0.35~0.68（4）条带开采+水砂充填采空区地区：波兰托维兹、贝托姆等城市下煤炭采出率45.8~60%地表沉陷系数q=0.009~0.0361现状、目的意义1.2国际水平（5）膏体充填采空区国家：德国、美国、加拿大、南非等用途：金属矿山充填煤矿处理采空区开始试验1现状、目的意义1.2国际水平（1）条带开采我国煤矿冒落条带开采的宽度一般为1/51/10采深,地表沉陷系数q=0.10.2,能够满足不迁村采煤要求.但是,条带开采的采出率低，只有4060%，煤层越厚，采深越大，采出率越低.1现状、目的意义1.3国内水平（2）水砂充填抚顺胜利矿利用废油母页岩、河砂充填，地表沉陷系数q=0.013.新汶等矿区水砂充填，地表沉陷系数q=0.13~0.17.能实现不迁村采煤，但是系统复杂、采煤工艺落后、效率低、成本高，没能推广。1现状、目的意义1.3国内水平（3）离层区注浆减沉明显，但不能满足不迁村要求。国内部分矿井离层区注浆情况矿井采深(m)采厚(m)开采方法注采比(%)减沉率(%)老虎台60225.7条带47.265.2徐庄5292.6长壁47.130~70东滩5455.4综放38.042~80华丰8302.2长壁67.9541现状、目的意义1.3国内水平1现状、目的意义1.4技术发展方向（1）技术途径：绿色开采（2）方法：采空区局部（条带）充填材料：以煤矸石、粉煤灰为主的膏体、似膏体材料（3）目标：关键层不破断、岩层不沉降，地下水不流失，地表不破坏，建筑物不搬迁，取消矸石山。2膏体充填2.1膏体充填的基本概念膏体充填：将物料配制成不淅水的、牙膏状浆体，在重力或泵压作用下充填采空区的方法。固体废弃物膏体材料充填不迁村采煤（膏体充填不迁村采煤）利用煤矸石、粉煤灰、洗选煤泥或城镇固体垃圾等制作成不淅水的、牙膏状浆体，在重力或泵压作用下对工作面支架后方的采空区进行充填而形成必要的人工支撑体系，把采煤引起的地表移动控制在建筑物允许范围内，实现不迁村采煤的方法。2.2膏体充填材料的基本特征（6个）之：浓度高，一般重量浓度75%；加拿大矿产与能源科学技术中心：水砂充填料重量浓度~65%高浓度充填料66~75%膏体充填料76~84%2.2膏体充填材料的基本特征（6个）矿名材料组成浓度%强度MPa格隆德(德)重介细砂,浮选尾砂85~881.5~2.0多姆金(加)全尾砂77~820.43西德里方金(南非)全尾砂78国际镍公司(加)天然砂,全尾砂81~861.63阿奇塞(俄)全尾砂80~83金川(中)分级尾砂,粉煤灰,棒磨砂78~80+水泥77~794.0铜录山(中)全尾砂,炉渣87全尾砂,炉渣,水泥843.02.2膏体充填材料的基本特征（6个）之:流动状态为柱塞结构流；膏体充填浆液流速分布水砂充填浆液流速分布2.2膏体充填材料的基本特征（6个）之:料浆不沉淀、不泌水、不离析；隔离要求低;不需要过滤排水设施,系统简单；避免或减少了水对工作面的影响；静置后再启动容易;基本无泌水收缩,充填密实程度高.2.2膏体充填材料的基本特征（6个）之:无临界流速，最大颗粒料粒径达到25~35mm,流速小于1m/s仍然能够正常输送；破碎加工即可,可降低材料加工费;可低速输送,减少管道磨损.水砂充填要在临界速度以上才能正常泵送,在有25~35mm粒径骨料时,输送速度需要达到3~4m/s.2.2膏体充填材料的基本特征（6个）之:相同胶结料用量下强度较高；可降低价格较贵的胶结料用量,降低材料成本;之:泵送性能对浓度变换比较敏感,充填工艺控制要求高.比较理想的膏体充填系统,浓度变化应±0.5%.2.3膏体充填技术发展简况（在金属矿山）1979，德国（格伦德金属矿）1985，南非（库克3号金矿）1887，英国（费尔克拉夫）1988，美国（幸运星期五铜矿）1989，中国（金川镍矿）、奥地利（布莱堡矿）1992，摩洛哥（哈佳铜矿）1993，俄罗斯（诺雷尔斯克镍矿）1994，中国（铜录山铜矿）、加拿大（INCO公司）1995，澳大利亚（坎宁顿矿）1996，葡萄牙（尼维斯-科夫铜矿）2.3膏体充填技术发展简况（在煤矿）1988，德国摩纳泊尔煤矿：长壁面，采深1000m，充填泵流量100m3/h，泵压6MPa.1990，德国沃尔萨姆煤矿：长壁面，采深900m，煤层1.5m，泵流量100m3/h，泵压12MPa，1990，德国帕斯科夫煤矿：长壁面，采深1000m，泵流量60m3/h，泵压6MPa.现有煤矿膏体充填主要目的是固体废弃物处理；大采深，薄煤层；工作面后方直接顶垮落后非胶结充填；减沉效果不够好，下沉系数q=0.3~0.4。2.3膏体充填技术发展简况（在煤矿）全世界膏体充填控制煤矿开采地表沉陷的工作还开展不多,对于我国兖州等矿区4~8m厚煤层使用膏体充填实现不迁村采煤更无先例,所以,在我国针对华东地区兖州等矿区条件,开展膏体充填不迁村采煤研究与开发是开创性的工作.3膏体充填不迁村采煤技术发展方向发展模式:短壁间隔条带膏体充填最近完成了“许厂煤矿膏体充填不迁村采煤与提高开采上限的技术与装备”可行性研究.长壁膏体部分充填3膏体充填不迁村采煤技术发展方向岩层控制理论:关键层理论：控制地表移动，首先要控制关键层结构的稳定性。三维强度理论：利用上述理论优化条带布置，科学确定充填材料力学性能要求,合理减少充填量，降低充填成本，提高采出率。短壁间隔条带膏体充填布置B开采宽度与充填宽度；b煤柱宽度；H采深b开采顺序132BbBBH5476bbBBBBbb条带编号ⅠⅢⅡⅤⅣⅦⅥ许厂煤矿膏体充填试验点及其巷道布置顶板冒落带膏体充填带长壁回采工作面膏体充填带顶板冒落带膏体充填带长璧条带膏体充填布置平面示意图长璧条带膏体充填布置剖面示意图典型煤矿膏体充填材料制备方法胶结料2称量斗称量斗皮带机水泵称量斗皮带机称量斗螺旋机称量斗螺旋机水池煤矸石料仓斜皮带一破机水6mm料仓斜皮带25mm6mm二破机前装机料仓斗提机粉煤灰料仓散装车胶结料1称量斗螺旋机称量斗螺旋机料仓斗提机外加剂料仓散装车球磨机螺旋机料仓散装车螺旋机称量斗搅拌机料浆斗充填泵搅拌机充填钻孔清刮器传感器清刮器回采工作面充填区域闸阀典型煤矿膏体充填泵送系统典型煤矿短壁间隔条带膏体充填工作面技术指标年产煤60万t/a;系统充填能力150m3/h;年充填量33.5万m3/a;年处理:煤矸石30万t/a;粉煤灰20万t/a.4.1膏体充填控制地表沉陷效果——计算方案NO方案名称采高(m)采出率(%)采深(m)基岩厚(m)主关键层一条采44026470有二间隔充填48026470有三条采44023238有四间隔充填48023238有五间隔充填48017015无六全部充填48017015无4.1膏体充填控制地表沉陷效果——地表下沉变形最大值模拟计算结果模拟方案一二三四五六下沉量(mm)252291273305915108水平变形(mm/m)0.540.630.600.660.830.17倾斜变形(mm/m)1.61.81.92.112.20.5对地表建筑的损害I级I级I级I级倾斜III级I级图7下沉曲线图-0.35-0.3-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.05030060090012001500X(m)W(m)条带开采,不充填条带开采,加充填方案一与方案二地表下沉比较图6水平变形图-0.8-0.6-0.4-0.200.20.4030060090012001500X(m)ε(mm/m)条带开采,不充填条带开采,加充填方案一与方案二地表水平变形比较图9曲率曲线图-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.03030060090012001500X(m)K(mm/m2)条带开采,不充填条带开采,加充填方案一与方案二地表曲率比较-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2030060090012001500X(m)W(m)条采全充条采间隔充填方案五与方案六地表下沉比较-0.15-0.1-0.0500.050.10.15030060090012001500X(m)U(m)条采全充条采间隔充填方案五与方案六地表水平移动比较-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8030060090012001500X(m)ε(mm/m)条采全充条采间隔充填方案五与方案六地表水平变形比较4.2膏体充填不迁村采煤经济效益典型150m3/h膏体充填系统建设费用2000万元±.4.2膏体充填不迁村采煤经济效益——吨煤成本增加量N0项目单价增加成本(元/t煤)1胶结料购置15元/m38.382固定资产折旧4.363充填运行水电费2.204充填系统人工费1.265粉煤灰购置费10元/t2.676其它1.507合计(考虑节省的矸石占土地费2.5元/t)17.874.3膏体充填不迁村采煤社会环境效益(以许厂煤矿条件为例)(1)提高开采上限（从40m提高到20m）：试验区域多回收煤炭150万t；全矿预计多回收煤炭600余万t。(2)年处理固体废弃物50万t/a,减少了土地占用15~22.5ha;(3)比普通条带开采提高采出率1倍,达到80%,全矿可多回收煤炭1090万t;(4)减少土地破坏，保护了矿井生态环境。