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)計的基本原則。為了保證建筑物下采煤既具有較好的經(jīng)濟效益，同時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)計及減沉效果評價的基礎(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。利用必然要進行的井下工程先采瓦斯而后采煤以及利用巖層受采動形成的裂隙場采集釋放的瓦斯是最經(jīng)濟而有效的辦法。對瓦斯的認識過程如下：

瓦斯是災害——煤礦重大災難源是瓦斯，因此對瓦斯的定義是：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，相當于1.2Kg標煤，可發(fā)電3-3.5Kwh.在陸上煙煤和無煙煤田中，埋深在300-2000米范圍內(nèi)的資源有31.46萬億m3，相當于天然氣儲量。

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，相當于1000Kg中含有24Kg標煤，全部發(fā)電價值僅為30-50元的伴生物，比噸煤的價值低幾十倍。

我國是世界上煤層瓦斯資源儲量巨大的國家之一。據(jù)2006年國土資源部油氣中心對全國煤層氣資源評價結(jié)果，我國煤層氣資源量居世界第三位，與我國陸上天然氣資源量相當，資源量36.81萬億m3，可采資源量10.86萬億m3。

2. 我國煤層氣賦存的特征

我國煤層滲透率較低，平均在0.002～16.17毫達西。撫順煤田的滲透率相對較高，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)實測的滲透率值都在0.001md以下，比美國的San Juan盆地和Black Warrior盆地低3-4個數(shù)量級。

我國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。

我國煤礦井下的瓦斯抽采始于20世紀50年代，其中撫順、陽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、陽泉、水城、松藻、寧煤等10個重點煤礦企業(yè)瓦斯抽采量均超過1億m3。2009年，全國煤礦瓦斯抽采量達到61.7億m3、利用量達到17.7億m3。中國計劃到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)

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

a）鉆機目前，常用的鉆機有：煤炭科學研究總院西安分院生產(chǎn)的MK系列鉆機，孔深75-600m，孔徑75-200mm；煤炭科學研究總院重慶設(shè)計院生產(chǎn)的ZYG—150型鉆機，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）、民用燃氣b）、燃氣鍋爐c）、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)簡介

潔凈開采技術(shù)是指在提高煤炭質(zhì)量的同時，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；同時在提升過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，占地面積越來越大，既造成了環(huán)境污染，又給煤炭企業(yè)增加了經(jīng)濟負擔。煤矸石是我國工業(yè)固體廢料中產(chǎn)生量、累計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)，包括將掘進出矸充填在井下廢棄的巷道或硐室內(nèi)，或?qū)⒕蜻M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

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)。當采空區(qū)傾角較大時或在傾角較大的下山，可以采用自溜和人工壘砌來完成充填；當采空區(qū)傾角較小或在傾角較小的下山和平巷進行矸石充填時是比較困難的，要采用一些設(shè)備進行處理。

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，采用矸石材料對采空區(qū)的一部分空間進行充填，構(gòu)筑相間的充填條帶，靠充填條帶來支撐覆巖。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，我國主要采用條帶開采技術(shù)來實現(xiàn)建筑物下壓煤（“三下”）開采，其主要缺點是煤炭采出率偏低，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)的破碎矸石進行注漿充填。同時利用充填材料與冒落區(qū)內(nèi)矸石形成的共同承載體來縮短留設(shè)條帶的寬度，以達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直接獲得可燃氣體的過程，即在地下將固態(tài)礦物通過熱化學過程變?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)著名化學家門捷列夫在1888年提出的。英國在1914年至1959年共進行了62次小規(guī)模試驗，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，美國自1946年至1963年也已試驗成功，后因經(jīng)濟效果差而停止，我國自1958年先后在鶴崗、大同、撫順、皖南等多個礦區(qū)進行了煤的地下氣化試驗，取得了熱值為3.49-5.53MJ/m3的煤氣，后因國民經(jīng)濟調(diào)整而相繼停止。1994年，余力教授又在徐州新河礦、唐山劉莊礦進行氣化試驗，取得熱值在13.69MJ/m3以上的煤氣。首創(chuàng)“長通道、大斷面、兩階段、正反向鼓風、啟動能源、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理論與實踐體系，進行了半工業(yè)性試驗與工業(yè)性試驗，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)計的基本原則。為了保證建筑物下采煤既具有較好的經(jīng)濟效益，同時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)計及減沉效果評價的基礎(chǔ)。endprint