煤礦開(kāi)采技術(shù)論文：淺析我國(guó)煤礦的綠色開(kāi)采技術(shù)

煤礦開(kāi)采技術(shù)論文：淺析我國(guó)煤礦的綠色開(kāi)采技術(shù)
　摘　要：綠色開(kāi)采是煤炭開(kāi)采的發(fā)展方向,對(duì)提高煤炭采出率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。本文分析了綠色開(kāi)采技術(shù),總結(jié)了我國(guó)煤礦綠色開(kāi)采方法的發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)科學(xué)采礦具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:綠色開(kāi)采;保水開(kāi)采;煤與瓦斯共采;充填開(kāi)采;煤炭地下氣化
 煤炭開(kāi)采造成巖層移動(dòng)破壞,引起巖層中水與瓦斯的流動(dòng),導(dǎo)致煤礦瓦斯事故與井下突水事故;煤炭開(kāi)采引起巖層移動(dòng),進(jìn)而造成地表沉陷,導(dǎo)致農(nóng)田、建筑設(shè)施的損壞;煤炭開(kāi)采形成的大量堆積在地面的矸石,既占用良田,又造成環(huán)境污染;隨著我國(guó)礦井開(kāi)采深度的不斷增加,礦山壓力顯現(xiàn)及沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻次增加,強(qiáng)度增大,危及礦井的安全生產(chǎn)。上述問(wèn)題若得不到有效解決,在未來(lái)幾十年內(nèi),隨著能源總需求和煤炭產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng),煤炭資源開(kāi)采所帶來(lái)的礦區(qū)安全和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題將更為嚴(yán)重,人類的生存和社會(huì)發(fā)展環(huán)境將受到嚴(yán)重威脅。
 根據(jù)我國(guó)的能源資源狀況,煤炭作為我國(guó)最重要的一次性能源,在未來(lái)20年內(nèi),其在能源構(gòu)成中的主體地位將不會(huì)改變。2020年我國(guó)煤炭消費(fèi)量將達(dá)到40億t。屆時(shí),煤炭產(chǎn)量很可能無(wú)法滿足工業(yè)需求。不能再單純地通過(guò)提高煤炭的產(chǎn)量緩解煤炭供應(yīng)的壓力,而應(yīng)該綜合考慮發(fā)展煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì),減少煤炭開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞,而且也應(yīng)該把“發(fā)展煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì),實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開(kāi)采”作為理念,大力發(fā)展綠色的采煤技術(shù)。
 1　煤炭綠色開(kāi)采體系
 煤礦綠色開(kāi)采以及相應(yīng)的綠色開(kāi)采技術(shù),在基本概念上是要從廣義資源的角度上來(lái)認(rèn)識(shí)和對(duì)待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各種資源?；境霭l(fā)點(diǎn)是防止或盡可能減輕開(kāi)采煤炭對(duì)環(huán)境和其他資源的不良影響。目標(biāo)是取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。根據(jù)煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等,綠色開(kāi)采主要包括以下內(nèi)容:水資源保護(hù)—“保水開(kāi)采”;瓦斯抽放—“煤與瓦斯共采”;土地與建筑物保護(hù)—“充填開(kāi)采”;排放矸石占用土地污染環(huán)境—“煤炭地下氣化”等。2003年,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士首次提出了煤礦綠色開(kāi)采的概念和技術(shù)體系,隨后明確了實(shí)現(xiàn)煤炭資源開(kāi)采和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的綠色開(kāi)采研究目標(biāo),為我國(guó)綠色開(kāi)采技術(shù)的研究指明了方向。錢院士提出的綠色開(kāi)采技術(shù)體系, 綠色開(kāi)采理論依據(jù):
 (1)關(guān)鍵層理論。
 (2)開(kāi)采對(duì)巖層移動(dòng)的影響及移動(dòng)規(guī)律。
 (3)水在裂巖體中的滲流規(guī)律。
 (4)開(kāi)采后巖層內(nèi)節(jié)理裂隙分布發(fā)育規(guī)律等。
 2　保水開(kāi)采
 保水采煤在不同的礦區(qū)有不同的技術(shù)內(nèi)涵,缺水礦區(qū)要以水資源保護(hù)和利用為主;大水礦區(qū),要以減少水資源破壞和防治水災(zāi)害為主。因此,保水開(kāi)采包含水資源保護(hù)、水資源利用(煤水共采)和水災(zāi)害防治等多項(xiàng)重要內(nèi)容。煤礦開(kāi)采過(guò)程中破壞了地下含水層的原始徑流,大量排出地下水;采空區(qū)上方導(dǎo)水裂隙帶與地下水體貫通,形成大規(guī)模地下水降落漏斗,造成區(qū)域含水層水位下降,直接影響到區(qū)域水文地質(zhì)條件。采動(dòng)影響穩(wěn)定后產(chǎn)生的地表沉陷往往影響到地表水體(河流、湖泊、井泉等)的原來(lái)形態(tài),造成部分溝泉水量減少甚至干涸;影響當(dāng)?shù)鼐用裾５纳a(chǎn)生活,進(jìn)而影響區(qū)域植被生長(zhǎng),甚至土地沙漠化。我國(guó)大部分礦區(qū)處在干旱半干旱地區(qū),而每年采煤破壞地下水22億m3,可見(jiàn)保水開(kāi)采具有重要的意義。
 3　煤與瓦斯共采
 瓦斯既是礦井有害氣體也是潔凈能源。因此,應(yīng)該使其資源化,其技術(shù)途徑有:
 (1)采前抽采:若能在開(kāi)采前將煤層內(nèi)瓦斯抽出,則是利用瓦斯改善煤礦安全的最好辦法。但由于我國(guó)大部分煤體透氣性低,在本層內(nèi)抽采瓦斯有難度。
 (2)煤與瓦斯共采:開(kāi)采后圍巖壓力降低,大量瓦斯在采空區(qū)釋放,有利于瓦斯抽采,因此形成煤與瓦斯共采體系。
 (3)廢棄礦井抽采瓦斯。鑒于廢棄礦井煤層經(jīng)過(guò)采動(dòng)而充滿瓦斯,因而可以利用采動(dòng)后巖體內(nèi)裂隙場(chǎng)的分布及鉆孔,將瓦斯抽排管裝在井下、封閉井口后,抽出瓦斯。
 (4)回風(fēng)井回收瓦斯。
 (5)煤與瓦斯共采的技術(shù)主要有:留巷鉆孔法、卸壓法等。
 4　充填開(kāi)采
 我國(guó)多數(shù)煤礦存在建筑物下、水體下、鐵路下壓煤的問(wèn)題,充填采礦法對(duì)解決這類問(wèn)題具有重要的意義。充填開(kāi)采法是用充填材料充填采煤工作面采空區(qū)的巖層控制方法。該法可以緩和工作面支承壓力產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn),改善采場(chǎng)和巷道維護(hù)狀況,有效減少地表下沉和變形,提高煤礦采出率,保護(hù)地面建筑物、構(gòu)筑物、生態(tài)環(huán)境和水體。按照充填材料的不同,充填采礦法分矸石充填、水砂充填和膏體充填。
 4.1　矸石充填利用井下采空區(qū)處置煤矸石的充填采煤方法,既可以減少煤礦固體廢棄物排放,又可以減輕開(kāi)采沉陷災(zāi)害、提高礦井資源回收率,是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一。
 (1)拋?lái)窓C(jī)拋?lái)烦涮睢r巷和半煤巖巷掘進(jìn)矸石用礦車運(yùn)至井下矸石車場(chǎng),經(jīng)翻車機(jī)卸載后,矸石經(jīng)破碎機(jī)破碎,而后進(jìn)入矸石倉(cāng)。通過(guò)矸石倉(cāng)下口,膠帶或刮板輸送機(jī)將破碎后的矸石運(yùn)入上下山,而后由膠帶或刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載進(jìn)入采煤工作面回風(fēng)平巷,再由工作面采空區(qū)可伸縮膠帶輸送機(jī)運(yùn)至工作面采空區(qū)拋?lái)纺z帶輸送機(jī)尾部,由拋?lái)纺z帶輸送機(jī)向采空區(qū)拋?lái)烦涮睢?br />  (2)刮板輸送機(jī)卸矸充填。充填裝備由后端帶懸梁的自移式液壓支架和充填刮板輸送機(jī)組成。在自移式液壓支架后端增加后懸臂等配件,采用可調(diào)高但掛鏈懸掛充填刮板輸送機(jī)溜槽,懸掛是為了增加充填垂直高度。輸送機(jī)中部溜槽按順序連接,并與機(jī)頭和機(jī)尾組成整部刮板輸送機(jī)。每2節(jié)中部溜槽設(shè)置1個(gè)溜矸孔,溜矸孔開(kāi)在溜槽的中板上。由電機(jī)車牽引矸石礦車至采區(qū)矸石車場(chǎng),通過(guò)翻車機(jī)卸載,矸石經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)進(jìn)入矸石倉(cāng)。破碎后的矸石經(jīng)上下山輸送機(jī)、平巷輸送機(jī)運(yùn)至液壓支架后的充填刮板輸送機(jī),在采空區(qū)卸載。
 (3)風(fēng)力拋?lái)烦涮?。風(fēng)力充填材料粒度的直徑不宜大于充填管道的1/2~1/3。并且要求充填材料沉縮率低、不自然、腐蝕性小。矸石經(jīng)充填機(jī)、充填管路充填采空區(qū)。一般采煤機(jī)割兩刀煤充填一次,充填步距1.2~1.6 m,每次充填長(zhǎng)度6~9 m,工作面每向前推進(jìn)50~100 m,充填機(jī)前移一次。機(jī)械矸石充填對(duì)充填材料要求不嚴(yán)格,使用設(shè)備也較少,在我國(guó)山東礦區(qū)發(fā)展較快,有推廣趨勢(shì)。
 4.2　水砂充填水砂充填采煤法是利用水力通過(guò)管道把充填材料沙粒送入采空區(qū)的充填采煤法。我國(guó)早在20世紀(jì)初就開(kāi)始應(yīng)用水砂充填采煤法,目前水砂充填技術(shù)已經(jīng)十分成熟。在地面用礦車將采出、破碎及篩分后的成品砂運(yùn)到貯砂倉(cāng)貯存。在貯砂室,砂與水混合成砂漿,經(jīng)充填管路送至工作面采空區(qū),并在采空區(qū)脫水,砂子形成充填體,廢水經(jīng)采區(qū)流水上山和流水道流入采區(qū)沉淀池,經(jīng)沉淀后,澄清的水流入水倉(cāng),用水泵經(jīng)排水管將水排至地面貯水池,以供循環(huán)利用。水砂充填采煤法充填致密,可減少煤塵危害,能有效地控制地表下沉和變形,但井上下充填系統(tǒng)復(fù)雜,設(shè)備及設(shè)施投資大,充填材料昂貴,提高了噸煤成本。
 4.3　膏體充填膏體充填技術(shù)是1979年在德國(guó)的格倫德鉛鋅礦首先發(fā)展起來(lái)的,由于膏體充填具有料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、充填效率高、成本較低等優(yōu)點(diǎn),這項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)成功以后在金屬礦山得到較快的發(fā)展,在包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家得到應(yīng)用。為解放村莊壓煤,提高開(kāi)采上限,提高煤炭資源采出率,延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限,太平煤礦與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作開(kāi)展了固體廢物膏體充填不遷村采煤技術(shù)的研究。太平煤礦膏體充填系統(tǒng)是我國(guó)煤礦第一個(gè)膏體充填示范工程,2006年5月工業(yè)性試采取得成功。膏體充填采煤技術(shù)主要由三部分組成,即充填材料、充填設(shè)備與工藝、采動(dòng)巖層充填控制理論。膏體是由煤矸石、粉煤灰、水砂、水泥等組成,由地面設(shè)備加工而成的類似牙膏的流體,具有十分良好的流動(dòng)性和可泵性。充填時(shí),膏體通過(guò)巷道中的管路,由充填泵提供動(dòng)力,輸送到液壓支架后的采空區(qū)。膏體充填技術(shù)的核心是膏體充填材料,膏體充填材料的強(qiáng)度對(duì)膏體充填的效果起決定作用。膏體充填后,地表下沉減小。膏體充填開(kāi)采是綠色開(kāi)采技術(shù)的重要組成部分,是解決煤礦開(kāi)采環(huán)境問(wèn)題的理想途徑,是解決村莊等建筑物下大量壓煤開(kāi)采問(wèn)題的迫切需要。
 5　煤炭地下氣化
 煤炭地下氣化是指將地下煤炭通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)在原位把煤炭轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w?？梢圆糠窒禾块_(kāi)采對(duì)環(huán)境的污染和煤炭燃燒對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響與破壞。煤炭地下氣化是一種整體綠色開(kāi)采技術(shù)。它開(kāi)始于英國(guó)1912年,由于熱值低、成本高而未得到發(fā)展。我國(guó)于1958 -1960年曾在16個(gè)礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn),于1962年停止,1984年又開(kāi)始了新的試驗(yàn),1994年達(dá)到連續(xù)產(chǎn)氣295 d,產(chǎn)氣量為200 m3/h,熱值13. 81~17. 57 MJ /m3,采用的是有井式、長(zhǎng)通道、大斷面的煤炭地下氣化方法。2005年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與重慶中梁山礦業(yè)集團(tuán)合作實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水煤氣和混合煤氣。但是,地下煤炭氣化燃燒產(chǎn)生的苯和酚是致癌物質(zhì),有可能毒化水資源;燃燒形成的大量二氧化碳對(duì)空氣也是嚴(yán)重的污染。目前我國(guó)的地下氣化技術(shù)仍處于工業(yè)試驗(yàn)階段,有很多問(wèn)題需要去研究和探索。
 6　結(jié)　語(yǔ)
 資源與環(huán)境協(xié)調(diào)的綠色開(kāi)采是解決煤炭開(kāi)采環(huán)境問(wèn)題的根本出路。要實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采,需要綜合研究和解決經(jīng)濟(jì)與技術(shù)等方面的問(wèn)題。綠色采礦可以減少環(huán)境污染,還能帶來(lái)良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。綠色采礦是形成綠色礦業(yè)及礦區(qū)綠色家園的重要組成部分,相信隨著綠色開(kāi)采的不斷發(fā)展和完善,煤礦綠色開(kāi)采一定會(huì)發(fā)揮它應(yīng)有的作用,為人類與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
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