中国煤炭资源绿色开采研究进展

学术报告会二○○八年十一月八日中国矿业大学缪协兴学术报告会主要内容一、煤炭资源环境与安全问题二、绿色开采技术的基本框架三、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、矸石充填采煤技术学术报告会一、中国煤炭资源环境与安全问题1.2007年全国煤炭产量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学术报告会1.2007年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%2007年全国煤炭产量25.5亿吨其中95％以上为井工开采一、煤炭资源环境与安全问题学术报告会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学术报告会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学术报告会一、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，甚至存在爆炸危险。学术报告会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。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学术报告会一、煤炭资源环境与安全问题6.煤矿安全与环境问题的特殊性中国经济高速增长依赖于煤炭资源中国煤层赋存条件中国煤层瓦斯地质条件中国煤层水文地质条件中国“三下”压煤与土地资源条件欧美国家立法为先（上世纪70年代）中国——创新绿色采煤技术为核心学术报告会二、绿色开采技术的基本框架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学术报告会三、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.煤与瓦斯共采效果学术报告会采后抽采采前抽采（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、煤与瓦斯共采技术学术报告会采前抽采(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、煤与瓦斯共采技术学术报告会采中抽采(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、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会首采煤层地表2.采动卸压瓦斯抽采三、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会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、煤与瓦斯共采技术学术报告会四、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.重点研究内容与方案4.主要研究进展5.工程应用实例学术报告会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学术报告会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.研究现状与不足学术报告会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学术报告会科学问题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学术报告会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学术报告会科学问题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学术报告会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学术报告会科学问题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学术报告会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、矿井突水的水文地质结构特征及形成条件重点研究内容3.重点研究内容与方案四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会8个研究课题1、矿井突水的水文地质结构模式及形成条件3、采动岩体裂隙演化及隔水关键层的形成条件6、矿井突水的水量预测理论与方法5、矿井突水的危险性评价理论与方法7、突水前兆信息演化规律及实时监测理论8、控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法2、矿井突水的动力学特征及控制因素4、采动岩体渗流规律与突变机理四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会煤矿突水机理与突水防治理论理论分析数值模拟物理模拟现场测试水文地质学工程地质学构造地质学采矿工程地球物理勘探矿井突水灾害治理研究对象研究内容研究方法涉及学科科学问题预期成果矿井突水的含导水构造地质特征及条件采动岩体结构破坏与裂隙演化及渗流突变规律矿井突水预测与控制的基础理论与方法矿井突水的水文地质结构特征及形成条件采动岩体破裂结构运动及采动岩体渗流突变理论矿井突水的预测预报理论与方法控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法岩石力学渗流理论信息科学安全工程四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会突水水源隔水关键层天然构造采动裂隙突水通道内容1地质结构特征与条件内容2裂隙演化与渗流突变内容3预测预报理论与方法内容4控制突水的采煤方法四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会内容1地质结构特征与条件内容2裂隙演化与渗流突变内容3预测预报理论与方法内容4控制突水的采煤方法突水水源隔水关键层天然构造采动裂隙突水通道课题8保水采煤与煤水共采课题5危险评价理论与方法课题6水量预测理论与方法课题7前兆信息与临突预报课题1地质结构模式及条件课题2地质动力学及控制因素课题3隔水关键层与裂隙演化课题4采动裂隙渗流与突变四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会隔水关键层的定义水最终要穿透的岩层或最终被阻隔住的岩层被称为隔水关键层。隔水关键层的三种类型其一，坚硬结构关键层；其二，泥质软弱岩性隔水层；其三，坚硬与软弱组合岩层隔水层。4.主要研究进展四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会隔水关键层结构与渗流稳定性结构稳定判据1113niniiiiihhE311nsiiiiiiEhh＜刚度：强度：l1＜ln+1渗流稳定判据00112114()nnjjnijijaaniiihppcckh＜1四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会采动破碎岩体渗流突变理论研究220tx-10001002003004005000306090120150180t/s渗透系数/×10-6cm/s5MPa10MPa15MPa混沌吸引子渗流失稳判据渗流方程实测与试验渗流特性四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会试验原理、方法与装置原位采动破碎岩体水渗流特性试验装置堆积采动破碎岩体水渗流特性试验装置盖板透水板毛毡岩样缸筒单向阀毛毡密封圈3毛毡2密封圈2密封圈1透水板1透水板2底座套筒活塞四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会采动覆岩裂隙演化与渗流规律0.000.010.020.030.040.05-80-4004080120160200采场推进距离(m)垂直渗流速度(m/s)0.000.010.020.030.040.0504080120160200采场推进距离(m)垂直渗流速度(m/s)-80-40(a)采场推进40m(b)采场推进60m(a)采场推进40m(b)采场推进60m采动覆岩渗流矢量分布图采空区上方垂直渗流速度分布图四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会突水水源隔水关键层天然构造采动裂隙突水通道判别隔水关键层的位置井下电法探测、开采地质条件等判别隔水关键层结构稳定性开采设计、关键层理论分析等判别隔水关键层渗流稳定性渗流突变理论、井下电法探测等渗流突变通道的控制优化采场设计、注浆改造加固等安全开采隔水关键层保护原理稳定稳定四、煤矿突水灾害防治技术学术报告会采场底板突水防治——龙固矿21201工作面为例5.工程应用实例四、煤矿突水灾害防治技术目标：安全开采采矿地质条件分析太原组21煤,距奥灰45m,水压4.0MPa;突水系数是临界值的1.5倍;采深460m，采高1.5m;底板隔水关键层6.3m，σ=5.5MPa隔水关键层结构稳定性判别井下电法探测，3条隐伏含水断层，发育深度16~30m；关键层破断分析，破断裂隙