煤礦綠色開(kāi)采理論與技術(shù)淺談

許家林

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221116)

1 綠色開(kāi)采概念

煤炭開(kāi)采不僅需要保證安全高效，且必須盡快形成煤礦“綠色開(kāi)采理論與技術(shù)”，便于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。事實(shí)上，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授錢(qián)鳴高院士及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組，從20世紀(jì)90年代初就已開(kāi)始了有關(guān)“綠色開(kāi)采技術(shù)”的研究和實(shí)踐。在長(zhǎng)期研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，2000年錢(qián)鳴高院士正式提出了煤礦綠色開(kāi)采(Green Mining)的理念及其技術(shù)框架。綠色開(kāi)采提出后得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和煤炭行業(yè)的積極響應(yīng)?，F(xiàn)如今，“綠色開(kāi)采”(green mining)已成為國(guó)際采礦界的通用詞匯，使行業(yè)在認(rèn)識(shí)與行動(dòng)上對(duì)采動(dòng)損害與環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)一，并成為國(guó)家綠色發(fā)展政策的一部分。經(jīng)過(guò)近20年的研究和工程實(shí)踐，我國(guó)煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新成果百花齊放，應(yīng)用實(shí)施成效顯著。綠色開(kāi)采的內(nèi)涵主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1.1 廣義資源理念

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為只有煤炭是資源，其他都是廢棄物且是有害的，如瓦斯是有害氣體，礦井水會(huì)引發(fā)水害，矸石是固體廢棄物。綠色開(kāi)采則認(rèn)為與煤炭共伴生的瓦斯、地下水、地?zé)?、土地、煤矸石、電廠粉煤灰及CO2等都是資源。該理念徹底扭轉(zhuǎn)了僅將煤炭作為礦區(qū)資源而漠視其他共伴生資源,甚至視其為有害物質(zhì)的傳統(tǒng)觀念。

1.2 基于巖層破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律理念

巖層運(yùn)動(dòng)是采動(dòng)損害與環(huán)境問(wèn)題的根源，所引起的裂隙場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及滲流場(chǎng)等分布規(guī)律是綠色開(kāi)采的理論基礎(chǔ)。因此，控制或利用采動(dòng)巖層破斷運(yùn)動(dòng)是綠色開(kāi)采的基本手段。綠色開(kāi)采研究必須高度重視采動(dòng)巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究。

1.3 源頭減損及全生命周期理念

從開(kāi)采源頭考慮煤共伴生資源及環(huán)境的保護(hù)與開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)礦井全生命周期的綠色開(kāi)采。首先，必須在礦井規(guī)劃設(shè)計(jì)階段研究具體礦井條件下煤炭及其共伴生資源與環(huán)境的特點(diǎn)，評(píng)估煤炭開(kāi)采巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)共伴生資源的影響，合理規(guī)劃礦井綠色開(kāi)采方案。在開(kāi)采煤層過(guò)程中,采用適宜的綠色開(kāi)采技術(shù),保護(hù)其他資源或?qū)崿F(xiàn)其與煤炭資源的聯(lián)合共采，如煤氣共采、煤熱共采、煤水共采等。

2 綠色開(kāi)采理論基礎(chǔ)

巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律(如裂隙演化、地表沉陷、流體運(yùn)移)是綠色開(kāi)采的理論基礎(chǔ)。采動(dòng)損害和環(huán)境問(wèn)題都與巖層破斷運(yùn)動(dòng)有關(guān)，據(jù)此提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論。關(guān)鍵層理論將覆巖作為研究整體，抓住了起控制作用的主要矛盾。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)采動(dòng)巖體運(yùn)動(dòng)起主要控制作用的僅為某一層或某幾層巖層，這些對(duì)覆巖活動(dòng)全部或局部起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層。關(guān)鍵層在采動(dòng)覆巖中的作用，上可影響至地表，下可影響至采場(chǎng)和支架，內(nèi)部影響到采動(dòng)裂隙與應(yīng)力的分布和流體的運(yùn)移，因而可作為礦山壓力、巖層移動(dòng)及地表沉陷、采動(dòng)巖體內(nèi)的流體運(yùn)移研究的統(tǒng)一方法。

煤層開(kāi)采后引起巖層移動(dòng)與破斷，形成豎向和層間采動(dòng)裂隙。采動(dòng)裂隙是開(kāi)采空洞的傳播形式及地下水、瓦斯的流動(dòng)通道，其演化會(huì)導(dǎo)致地表塌陷、突水與瓦斯涌出等工程災(zāi)害。采動(dòng)裂隙演化規(guī)律是保水采煤及水害防治、煤與瓦斯共采、覆巖注漿充填減沉等綠色開(kāi)采技術(shù)的理論基礎(chǔ)。主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下。

2.1 覆巖卸荷膨脹累積效應(yīng)

采動(dòng)覆巖經(jīng)歷了卸荷膨脹與再壓實(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，將覆巖卸荷膨脹總量隨卸荷高度及承受載荷的不斷累積而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的現(xiàn)象稱為采動(dòng)覆巖卸荷膨脹累積效應(yīng)。采動(dòng)覆巖卸荷膨脹累積效應(yīng)是巖層移動(dòng)過(guò)程中的自然現(xiàn)象，對(duì)巖層移動(dòng)規(guī)律具有重要影響。例如，卸荷膨脹累積效應(yīng)對(duì)關(guān)鍵層下離層具有顯著的抑制作用，導(dǎo)致關(guān)鍵層下最大離層量一般小于采高的10%，該發(fā)現(xiàn)指導(dǎo)了覆巖隔離注漿充填技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)及其在建筑物壓煤開(kāi)采中的成功實(shí)踐；卸荷膨脹累積效應(yīng)顯著減小了破斷巖塊的回轉(zhuǎn)角，影響上覆巖層的貫通破斷高度，進(jìn)而影響導(dǎo)水裂隙的發(fā)育高度；充分采動(dòng)條件下，覆巖殘余膨脹量與地表下沉系數(shù)呈反比關(guān)系，因此卸荷膨脹累積效應(yīng)也會(huì)對(duì)地表下沉系數(shù)產(chǎn)生影響，如分層重復(fù)開(kāi)采時(shí)，由于首次采動(dòng)后覆巖殘余膨脹量的存在，導(dǎo)致重復(fù)采動(dòng)后地表下沉系數(shù)較首次采動(dòng)時(shí)增大。

2.2 基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)

預(yù)計(jì)方法具體步驟為:收集工作面鉆孔柱狀；采用關(guān)鍵層判別軟件對(duì)所有鉆孔進(jìn)行關(guān)鍵層位置判別；確定導(dǎo)水裂隙帶高度h,當(dāng)主關(guān)鍵層位于10倍采高以內(nèi)時(shí)，h≥基巖厚度；反之h=10倍采高以外第1層關(guān)鍵層與煤層的間距。與我國(guó)現(xiàn)有《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中的“導(dǎo)高”統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式相比，基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法，充分體現(xiàn)了覆巖關(guān)鍵層位置對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響規(guī)律，彌補(bǔ)了將頂板巖性統(tǒng)計(jì)均化為堅(jiān)硬、中硬、軟弱和極軟弱進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)的不足。

3 充填減沉開(kāi)采技術(shù)

充填是防止采煤塌陷、保護(hù)建筑物與環(huán)境的源頭技術(shù)，我國(guó)出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)充填采煤的政策文件。井下充填技術(shù)在減沉開(kāi)采中起到了積極作用，但因其采充相互影響以及充填量大，存在效率低和成本高的問(wèn)題。

覆巖隔離注漿充填技術(shù)是許家林教授團(tuán)隊(duì)歷時(shí)20年研發(fā)的高效低成本充填技術(shù)，其技術(shù)原理如下：找出控制地表沉陷的關(guān)鍵層，在關(guān)鍵層破斷前，利用地面鉆孔向其下方高壓注漿充填煤基固廢漿體，通過(guò)“壓下托上”作用，將關(guān)鍵層下方碎脹巖體重新壓實(shí)形成支撐體，阻止關(guān)鍵層變形破斷，控制地表沉陷。矸石粉漿體沉析速率和塑性黏度與粉煤灰漿接近，矸石粉可替代粉煤灰用于覆巖隔離注漿充填。該技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，地表下沉系數(shù)小于0.1；噸煤充填成本40～60元，無(wú)需購(gòu)置專用充填支架；不改變?cè)胁擅汗に嚕瑔蚊娈a(chǎn)量達(dá)300萬(wàn)t/a。

覆巖隔離注漿充填技術(shù)在安徽、山西、山東、河北、河南、江蘇、內(nèi)蒙古等省的8個(gè)集團(tuán)開(kāi)展了60余項(xiàng)覆巖隔離注漿充填技術(shù)工程應(yīng)用，取得了顯著效果，共保護(hù)46個(gè)村莊、9座大型建(構(gòu))筑物，處理固廢量達(dá)1 000余萬(wàn)t，采出壓煤4 000萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。

4 保水采煤技術(shù)

保水采煤內(nèi)涵4個(gè)層次：①避免采煤工作面突水事故；②避免采煤對(duì)含水層破壞；③礦井疏排水的資源化利用；④破壞含水層的人工修補(bǔ)。

在神東補(bǔ)連塔煤礦的突水防治應(yīng)用中，突水危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)了四盤(pán)區(qū)突水災(zāi)害防治實(shí)踐，31401工作面避免了一次拆面搬家，不僅節(jié)約了搬家費(fèi)用，消除了跳采煤柱損失，保證了工作面正?；夭?，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在皖北祁東煤礦的突水防治應(yīng)用中，首采3222工作面最大水量達(dá)1 670 m3/h，礦井被淹，8個(gè)工作面共發(fā)生17起突水事故，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。揭示了松散承壓含水層下采煤壓架突水災(zāi)害機(jī)理：松散承壓含水層起到了載荷傳遞的作用，導(dǎo)致在一定條件下覆巖整體破斷，“導(dǎo)高”溝通“四含”和砌體梁結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)，引發(fā)壓架突水。在預(yù)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域基礎(chǔ)上，采用預(yù)裂下位關(guān)鍵層、增加支架阻力、長(zhǎng)觀孔水位監(jiān)測(cè)預(yù)警等措施，徹底扭轉(zhuǎn)了頻繁發(fā)生壓架突水的被動(dòng)局面。

在淮北袁二礦的充填保水應(yīng)用中，7226工作面煤層埋深463～483 m，松散層厚度平均260 m，煤層厚度4.0～5.0 m。工作面里段540 m為正常開(kāi)采，外段318 m因地面村莊壓煤實(shí)施了覆巖隔離注漿充填。水文長(zhǎng)觀孔監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，注漿充填后第四系含水層水位由明顯下降逐漸出現(xiàn)恢復(fù)，說(shuō)明覆巖隔離注漿充填具有保水效果。在郭家灘煤礦充填保水的應(yīng)用中，煤炭開(kāi)采導(dǎo)致淺層薩拉烏蘇含水層漏失，影響水源保護(hù)區(qū)，環(huán)保部批復(fù)該礦先行開(kāi)采試采區(qū)，要求必須實(shí)施保水采煤，設(shè)計(jì)了覆巖隔離注漿充填保水采煤方案，充填矸石粉150萬(wàn)t/a，采煤300萬(wàn)t/a。

5 煤與瓦斯共采

煤與瓦斯共采是解決瓦斯難抽的根本途徑。將煤與瓦斯看作兩種礦產(chǎn)資源，利用人工增透和采動(dòng)卸壓作用，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯一體化協(xié)同開(kāi)采。從煤礦開(kāi)采的時(shí)空關(guān)系來(lái)看，瓦斯抽采包括采前預(yù)抽、采動(dòng)卸壓抽采和廢棄采空區(qū)瓦斯抽采等階段，貫穿于煤礦全生命周期。煤與瓦斯共采是解決瓦斯災(zāi)害防治、礦區(qū)溫室氣體減排和瓦斯資源開(kāi)發(fā)的根本途徑，真正做到“一舉三得”。巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)瓦斯卸壓抽采的影響包括以下4個(gè)方面。

1)本煤層超前卸壓瓦斯。保證工作面煤壁至工作面前方20～25 m范圍的卸壓瓦斯抽采增長(zhǎng)期合理抽采負(fù)壓和抽采管路的完整性，即本煤層瓦斯抽采鉆孔距離工作面煤壁3 m以內(nèi)時(shí)方可拆除。從應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，工作面本煤層瓦斯抽采量平均提高了170%，瓦斯抽采率提高了98.4%。

2)鄰近層初采期卸壓瓦斯。陽(yáng)泉礦區(qū)工作面初采期易出現(xiàn)瓦斯超限問(wèn)題，這與初采期覆巖關(guān)鍵層的動(dòng)態(tài)破斷過(guò)程緊密相關(guān)。抽采鉆孔(巷道)布置應(yīng)結(jié)合覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，有利于瓦斯抽采，研發(fā)了工作面初采期“組合傾斜巷”、“高抽+立眼”抽采卸壓瓦斯技術(shù)，解決了工作面初采期瓦斯嚴(yán)重超限問(wèn)題。

3)“O形圈”理論。關(guān)鍵層破斷后采空區(qū)中部是壓實(shí)的，兩側(cè)因“砌體梁”懸臂作用無(wú)法壓實(shí)。從平面上看，采空區(qū)四周存在一個(gè)裂隙發(fā)育區(qū)，稱作“O形圈”?！癘形圈”是匯聚瓦斯的“瓦斯河”，因此，將抽采鉆孔布置到“O形圈”內(nèi)，抽采效果更好。

4)老采空區(qū)瓦斯抽采。我國(guó)存在大量廢棄采空區(qū)，并具備巨大瓦斯資源開(kāi)發(fā)價(jià)值。在陽(yáng)泉三礦開(kāi)展了老采空區(qū)瓦斯地面鉆孔抽采試驗(yàn)，獲得了有益經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)能夠有效治理瓦斯災(zāi)害，煤礦瓦斯資源可以變害為寶。

6 綠色開(kāi)采研究展望

1)采動(dòng)巖層破斷規(guī)律、采動(dòng)裂隙演化與滲流規(guī)律、采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律、開(kāi)采沉陷規(guī)律等綠色開(kāi)采的理論基礎(chǔ)深化研究與量化預(yù)測(cè)。

2)從全生命周期(從礦井建設(shè)(采前)、礦井開(kāi)采(采中)、礦井閉坑(采后))來(lái)研究和發(fā)展煤礦綠色開(kāi)采的理論與技術(shù)。

3)綠色開(kāi)采技術(shù)的高效率與低成本化研究。

4)結(jié)合“雙碳”目標(biāo)的綠色開(kāi)采技術(shù)研究。