煤礦開采新技術(shù)

羊衣紅　鄭修海

摘要：基于巖層控制的關(guān)鍵層理論提出，可將保證覆巖主關(guān)鍵層不破斷失穩(wěn)作為建筑物下采煤設(shè)計(jì)的基本原則。為了保證建筑物下采煤既具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又確保地面建筑物不受到損害，關(guān)鍵在于根據(jù)具體條件下覆巖結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵層特征來(lái)研究確定合理的減沉開采技術(shù)及參數(shù)。確定覆巖中的關(guān)鍵層位置，掌握其離層與破斷特征參數(shù)，是注漿減沉技術(shù)應(yīng)用可行性分析、鉆孔布置與注漿工藝設(shè)計(jì)及減沉效果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：煤礦開采；綠色開采技術(shù)

一、煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù)

1. 我國(guó)煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀

低透氣性瓦斯是吸附在煤炭上難于采集、資源密集度低的伴生資源。利用必然要進(jìn)行的井下工程先采瓦斯而后采煤以及利用巖層受采動(dòng)形成的裂隙場(chǎng)采集釋放的瓦斯是最經(jīng)濟(jì)而有效的辦法。對(duì)瓦斯的認(rèn)識(shí)過(guò)程如下：

瓦斯是災(zāi)害——煤礦重大災(zāi)難源是瓦斯，因此對(duì)瓦斯的定義是：礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體。

瓦斯是能源——1m3瓦斯的發(fā)熱量為35.6MJ，相當(dāng)于1.2Kg標(biāo)煤，可發(fā)電3-3.5Kwh.在陸上煙煤和無(wú)煙煤田中，埋深在300-2000米范圍內(nèi)的資源有31.46萬(wàn)億m3，相當(dāng)于天然氣儲(chǔ)量。

低透氣性瓦斯是吸附在煤炭上難于采集、資源密集度低的伴生能源---瓦斯不同于天然氣，大部分吸附于煤炭（80-90%），游離瓦斯僅占5-12%.大部分煤層透氣性低（0.005-0.1m2/mpa2.d）很難抽離。以瓦斯含量20m3/t煤計(jì)，相當(dāng)于1000Kg中含有24Kg標(biāo)煤，全部發(fā)電價(jià)值僅為30-50元的伴生物，比噸煤的價(jià)值低幾十倍。

我國(guó)是世界上煤層瓦斯資源儲(chǔ)量巨大的國(guó)家之一。據(jù)2006年國(guó)土資源部油氣中心對(duì)全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，我國(guó)煤層氣資源量居世界第三位，與我國(guó)陸上天然氣資源量相當(dāng)，資源量36.81萬(wàn)億m3，可采資源量10.86萬(wàn)億m3。

2. 我國(guó)煤層氣賦存的特征

我國(guó)煤層滲透率較低，平均在0.002～16.17毫達(dá)西。撫順煤田的滲透率相對(duì)較高，但也只有0.5-3.8md，水城、豐城、鶴崗、開灤、柳林等礦區(qū)高滲透煤層滲透率只有0.1-1.8md，其它地區(qū)絕大多數(shù)實(shí)測(cè)的滲透率值都在0.001md以下，比美國(guó)的San Juan盆地和Black Warrior盆地低3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。

我國(guó)煤層瓦斯壓力梯度大小變化幅度很大，最低值為1.2kPa/m（撫順），最大值為13.4kPa/m（天府），但大部分屬于低壓瓦斯。煤層瓦斯壓力低影響煤層氣產(chǎn)率，不利于瓦斯抽采。

煤對(duì)瓦斯的吸附能力受多種因素的影響，主要影響因素有壓力、溫度、礦物質(zhì)含量、水分含量、煤階、巖性、氣體組分等。

3、煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù)

瓦斯抽采分為地面鉆井抽采和井下抽采兩大類，如圖1-3-1、1-3-2所示。按煤層氣開采方法、卸壓瓦斯的來(lái)源及卸壓瓦斯抽采方法的不同，構(gòu)建了“煤與煤層氣共采”技術(shù)體系圖。

我國(guó)煤礦井下的瓦斯抽采始于20世紀(jì)50年代，其中撫順、陽(yáng)泉是抽采量最大的礦區(qū)。2005年瓦斯抽采量23億m3，2007年44億m3。2008年瓦斯抽采量55億m3，淮南、陽(yáng)泉、水城、松藻、寧煤等10個(gè)重點(diǎn)煤礦企業(yè)瓦斯抽采量均超過(guò)1億m3。2009年，全國(guó)煤礦瓦斯抽采量達(dá)到61.7億m3、利用量達(dá)到17.7億m3。中國(guó)計(jì)劃到2020年把地面煤層氣產(chǎn)能提升至500億m3。

1）井下瓦斯抽采技術(shù)

由于我國(guó)煤層氣低滲透率的特點(diǎn)，利用煤層開采引起巖層的移動(dòng)破壞增大煤層滲透性，在采煤的同時(shí)高效抽采卸壓瓦斯，是我國(guó)煤層氣開采的主要途徑。

a）鉆機(jī)目前，常用的鉆機(jī)有：煤炭科學(xué)研究總院西安分院生產(chǎn)的MK系列鉆機(jī)，孔深75-600m，孔徑75-200mm；煤炭科學(xué)研究總院重慶設(shè)計(jì)院生產(chǎn)的ZYG—150型鉆機(jī)，孔深150m，孔徑65-115mm。

b）瓦斯抽采方法的選擇原則

c）開采層瓦斯抽采技術(shù)

d）鄰近層瓦斯抽采技術(shù)

e）采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)

f）鉆場(chǎng)及鉆孔布置技術(shù)

2）地面鉆井瓦斯抽采技術(shù)

煤層氣地面開采技術(shù)主要包括鉆井、完井、采氣和地面集氣處理生產(chǎn)系統(tǒng)。有兩種開采情況，一是在沒(méi)有采煤作業(yè)的煤田內(nèi)開采煤層氣；二是在生產(chǎn)礦區(qū)內(nèi)開采煤層氣。圖1-3-3為晉城寺河礦井地面瓦斯抽采系統(tǒng)。

3）瓦斯綜合利用

a）、民用燃?xì)鈈）、燃?xì)忮仩tc）、瓦斯發(fā)電d）、生產(chǎn)化工產(chǎn)品

二、井下矸石充填技術(shù)

1、潔凈開采技術(shù)簡(jiǎn)介

潔凈開采技術(shù)是指在提高煤炭質(zhì)量的同時(shí)，盡量從源頭上避免污染物的產(chǎn)生或最大程度控制污染物的生成量及污染程度，使煤炭開采對(duì)環(huán)境的污染和破壞降低到最低限度的開采技術(shù)。

在煤炭生產(chǎn)中，需要將大量煤矸石排放到地面，占用了大量的土地；同時(shí)在提升過(guò)程中消耗了大量的人力、物力。隨著煤炭生產(chǎn)的發(fā)展，矸石山越堆越大，占地面積越來(lái)越大，既造成了環(huán)境污染，又給煤炭企業(yè)增加了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。煤矸石是我國(guó)工業(yè)固體廢料中產(chǎn)生量、累計(jì)積存量和占地面積最大的固體廢棄物。

為了杜絕或減少煤矸石造成的環(huán)境污染，可采取以下兩種控制煤矸石生成量的開采技術(shù)：一是采用減矸開采技術(shù)，包括開拓部署、巷道布置和采掘工藝等技術(shù)措施；二是采用矸石充填開采技術(shù)，包括將掘進(jìn)出矸充填在井下廢棄的巷道或硐室內(nèi)，或?qū)⒕蜻M(jìn)出矸直接用于采空區(qū)充填。

2、矸石充填開采的分類及特點(diǎn)

1）矸石充填的種類與方法

（a）矸石充填的種類

按矸石充填的位置不同分為：①巷道充填；②工作面充填

按充填量和充填范圍占采出煤層的比例不同分為：①全部充填；②局部充填endprint

（b）矸石充填方法

全部充填的位置只能是采空區(qū)，而局部充填的位置可以是采空區(qū)、離層區(qū)或冒落區(qū)。當(dāng)采空區(qū)傾角較大時(shí)或在傾角較大的下山，可以采用自溜和人工壘砌來(lái)完成充填；當(dāng)采空區(qū)傾角較小或在傾角較小的下山和平巷進(jìn)行矸石充填時(shí)是比較困難的，要采用一些設(shè)備進(jìn)行處理。

2）矸石充填開采技術(shù)

（a）采空區(qū)條帶充填技術(shù)

采空區(qū)條帶充填就是在煤層采出后頂板冒落前，采用矸石材料對(duì)采空區(qū)的一部分空間進(jìn)行充填，構(gòu)筑相間的充填條帶，靠充填條帶來(lái)支撐覆巖。只要保證未充填采空區(qū)的寬度小于覆巖關(guān)鍵層的初次破斷跨距，且充填條帶能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，就可有效控制地表沉陷。

（b）條帶開采冒落區(qū)注漿充填技術(shù)

目前，我國(guó)主要采用條帶開采技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑物下壓煤（“三下”）開采，其主要缺點(diǎn)是煤炭采出率偏低，一般僅為30%～50%。

條帶開采冒落區(qū)注漿充填就是條帶開采情況下，通過(guò)地面或井下鉆孔向采出條帶已冒落采空區(qū)的破碎矸石進(jìn)行注漿充填。同時(shí)利用充填材料與冒落區(qū)內(nèi)矸石形成的共同承載體來(lái)縮短留設(shè)條帶的寬度，以達(dá)到提高資源回采率的目的。

三、煤炭地下氣化技術(shù)

煤炭地下氣化是指在煤層賦存地點(diǎn)直接獲得可燃?xì)怏w的過(guò)程，即在地下將固態(tài)礦物通過(guò)熱化學(xué)過(guò)程變?yōu)闅鈶B(tài)燃料，然后由鉆孔排到地面，供給用戶。

煤炭的地下氣化原理是由原蘇聯(lián)著名化學(xué)家門捷列夫在1888年提出的。英國(guó)在1914年至1959年共進(jìn)行了62次小規(guī)模試驗(yàn)，并建成一座小型的地下氣化發(fā)電站。前蘇聯(lián)自1932年至1965年先后建立了12座地下氣化站，美國(guó)自1946年至1963年也已試驗(yàn)成功，后因經(jīng)濟(jì)效果差而停止，我國(guó)自1958年先后在鶴崗、大同、撫順、皖南等多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了煤的地下氣化試驗(yàn)，取得了熱值為3.49-5.53MJ/m3的煤氣，后因國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整而相繼停止。1994年，余力教授又在徐州新河礦、唐山劉莊礦進(jìn)行氣化試驗(yàn)，取得熱值在13.69MJ/m3以上的煤氣。首創(chuàng)“長(zhǎng)通道、大斷面、兩階段、正反向鼓風(fēng)、啟動(dòng)能源、壓抽相結(jié)合、邊氣化邊填”等工藝，建立煤炭地下氣化新工藝?yán)碚撆c實(shí)踐體系，進(jìn)行了半工業(yè)性試驗(yàn)與工業(yè)性試驗(yàn)，唐山劉莊礦地下氣化爐已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定燃燒2000天。今后煤層的地下氣化研究方向，是向埋深為800m以下的煤層發(fā)展。

建筑物下采煤與減沉技術(shù)：

基于巖層控制的關(guān)鍵層理論提出，可將保證覆巖主關(guān)鍵層不破斷失穩(wěn)作為建筑物下采煤設(shè)計(jì)的基本原則。為了保證建筑物下采煤既具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又確保地面建筑物不受到損害，關(guān)鍵在于根據(jù)具體條件下覆巖結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵層特征來(lái)研究確定合理的減沉開采技術(shù)及參數(shù)。確定覆巖中的關(guān)鍵層位置，掌握其離層與破斷特征參數(shù)，是注漿減沉技術(shù)應(yīng)用可行性分析、鉆孔布置與注漿工藝設(shè)計(jì)及減沉效果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。endprint