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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“绿色开采技术20年研究与展望”专题

来源:《煤炭科学技术》2020年第9期

煤炭作为工业的食粮,为国家经济发展提供了充足而坚实的能源保障,但也应看到,其开采过程引发了一系列采动损害与环境问题。在经济快速发展的今天,由于开采规模与强度剧增,导致这些问题越来越突出,与生态文明建设相矛盾。煤层作为一种典型的沉积矿床,其覆岩通常是层状岩体,在开采后出现大规模的移动、变形与破断,形成各种采动裂隙,成为水与瓦斯等地质流体的运移通道,若不加以控制会带来矿井突水、含水层破坏、瓦斯突(涌)出等工程灾害。岩层移动进而导致了地表沉陷,对建(构)筑物、土地和生态环境造成影响。可以说,自煤炭开采业形成以来,采动损害与环境问题就一直存在。

为了解决上述问题,钱鸣高院士于21世纪初提出了煤矿绿色开采理念,并对其技术框架进行了系统阐述,为解决采动损害与环境问题指明了方向。绿色开采提出后得到了国内外学术界和煤炭行业的积极响应,“绿色开采”(Green Mining)已成为国际采矿界的通用词汇,网络词条高达4亿次、相关文献上万篇。绿色开采也使行业对采动损害与环境问题有了统一的认识与行动,并成为国家绿色发展政策的一部分。《中共中央 国务院关于加快推进生态文明建设的意见》(中发〔2015〕12号)和《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出发展绿色矿业,加快推进绿色矿山建设。2017年,国家六部委《关于加快建设绿色矿山的实施意见》的印发,使社会各界对于绿色矿山建设重视达到了前所未有的程度,更是加快了绿色矿山建设的步伐。相关部门先后制定了一系列促进绿色开采技术应用与发展的政策、规范,如《关于加快煤层气抽采有关税收政策问题的通知(财税〔2007〕16号)》《关于印发<煤矿充填开采工作指导意见>的通知(国能煤炭〔2013〕19号)》《关于实施煤炭资源税改革的通知(财税〔2014〕72号)》《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见(国能煤炭〔2014〕571号)》,DZT 0315—2018《煤炭行业绿色矿山建设规范》等。经过20年的研究和工程实践,我国煤矿绿色开采技术创新百花齐放,实施成效显著,尤其在煤与瓦斯共采技术、充填减沉开采技术、保水开采技术、环境修复技术等方面得到了大力发展,促进了我国煤炭工业的健康持续发展。

为了展示我国煤矿绿色开采技术研究成果,《煤炭科学技术》2020年第9期组织策划了“绿色开采技术20年研究与展望”专题。自专题撰稿邀请函及征文通知发出以后,共收到稿件100余篇,经过初审、外审、主编终审,录用24篇稿件,受限于期刊版面,本期刊登21篇,集中报道了岩层移动与开采沉陷、充填开采、煤与瓦斯共采、保水开采、“三下一上”采煤、矿井水处理、生态修复等绿色开采相关研究成果及进展。在此,向本期专题奉献佳作的所有论文作者表示感谢!

应该认识到,尽管绿色开采技术取得了显著进展,但尚不能满足煤炭行业不断发展的需求,需要不断深化研究,如在采动岩层运动规律深化研究、适合不同矿区特点的绿色开采技术模式探索、煤矿全生命周期绿色开采设计、高效率和低成本的绿色开采技术研发等方面须持续深入研究。希望本期专题对促进我国煤矿绿色开采技术发展起到积极作用。期待我国煤矿绿色开采技术取得更大进步!

行业视野

采矿

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  • 作者(Author): 许家林

    摘要:煤层开采引起的岩层破断运动导致了一系列采动损害与环境问题。绿色开采从广义资源的角度出发,通过控制或利用采动岩层破断运动,从源头减轻采煤对环境的影响,实现对煤层及共伴生资源的共采或保护。该理念得到了业界的广泛认同,绿色开采技术的研究与应用也取得了重要进展。从广义资源概念、基于岩层破断运动规律原则、源头减损及全生命周期理念等方面进一步论述了绿色开采的内涵,提出了全生命周期绿色开采技术框架,包括保水采煤、煤与瓦斯共采、矸石减排、减沉开采与环境修复,对近20年来我国煤矿绿色开采的研究历程进行了回顾。关键层理论是绿色开采技术研究的重要理论基础,其基本学术思想强调将覆岩作为整体进行研究,将采动矿压、水与瓦斯及地表沉陷研究有机统一起来;同时强调抓主要矛盾,即找出覆岩中对岩层运动起控制作用的关键层,避免采用传统研究中对覆岩岩性进行均化处理的方法。综述了在岩层移动与采动裂隙演化规律方面的理论研究成果,主要包括基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法、覆岩卸荷膨胀累积效应与瓦斯卸压抽采“三带”原理,论述了保水采煤、煤与瓦斯共采、充填减沉开采等方面的技术进展、现状及工程应用成效。提出了促进绿色开采技术进一步发展的建议,包括深化采动岩层运动规律研究、确定适合不同矿区特点的绿色开采技术模式、建立煤矿绿色开采的评价指标体系、开展煤矿全生命周期绿色开采设计、绿色开采技术的高效率和低成本化研究等,为我国煤矿绿色开采指明了方向。
  • 作者(Author): 郭文兵, 马志宝, 白二虎

    摘要:我国“三下一上”(建筑物、水体、铁路等线性构筑物下及承压水上)煤炭资源储量大,“三下一上”采煤是我国煤炭资源枯竭型矿井提高资源采出率,延长矿井服务年限及实现可持续发展的有效举措。在分析建筑物下采煤现状的基础上,阐述了源头减沉控损开采技术措施,主要包括充填开采、部分开采,协调开采及弱化建筑物变形环境的覆岩离层注浆技术措施等。结合我国不同地区对水资源保护的要求,将水体下采煤分为地表水下开采和含水层下开采,通过分析煤炭开采引起的覆岩破坏传递过程,提出了基于该过程的覆岩破坏充分采动程度判据及其高度计算方法,揭示了煤层开采覆岩破坏高度形成机制,采用地面钻孔观测及协调开采法成功进行了水体及坝体下等不同地质采矿条件下采煤,并针对西北高强度开采对松散含水层破坏特征进行了大地电磁探测,分析了采动影响下松散含水层破坏特征,揭示了松散含水层破坏机理并验证了大地电磁法用于探测含水层破坏的可行性。结合我国在“三下一上”采煤研究现状及进展,总结了煤层安全开采的预测方法及安全技术措施。研究认为我国煤矿“三下一上”采煤技术将以源头减沉控损开采方法,覆岩破坏控制技术及采空区稳定性评价及其利用研究为主,地下煤炭原位保护开采技术将是未来含水层下开采的发展趋势。
  • 作者(Author): 刘建功, 王翰秋, 赵家巍

    摘要:介绍了我国煤矿充填开采现状。分析了充填开采上覆岩层运移规律和连续曲形梁形成的基本条件,得出了连续曲形梁和充填密实度与关键层的量化关系;描述了充填材料的制备及运输、固体充填装备、巷道固体充填及工作面固体充填技术的特点及其工艺。分析了固体充填开采采充平行作业、充填自动控制和煤矿井下“采选充留”一体化的技术装备体系。提出为保证充填的长期效果的散装固体改性充填技术方法。认为充填开采要向精准充填开采,建设全过程生态矿山努力。
  • 作者(Author): 胡炳南, 刘鹏亮, 崔锋

    摘要:煤矿充填开采技术在固体废弃物处置、控制采煤沉陷、提高资源采出率和建设生态矿山等方面发挥着举足轻重的作用。自20世纪初至今,世界矿山充填开采技术已有百年的发展历史。根据资料分析,按照充填材料类型划分,20世纪矿山充填技术经历了废石干式充填、水砂充填、低浓度尾砂胶结充填和膏体充填4个发展阶段,回顾了当时我国充填采煤技术的应用和发展历程以及水砂充填、矸石自溜充填等主要充填工艺。21世纪以来,我国充填采煤技术取得了快速发展,形成了固体、膏体和超高水3种充填材料和应用于综采、连采工作面的2种充填工艺,固体废弃物利用种类、充填效果、机械化程度、整体技术水平大幅提升,对充填材料及其制备输送,工作面充填工艺特点进行了归纳总结,尤其是剖析了综采面充填的特点及生产效率制约因素,提出应从新型装备研发、临时护顶技术、充填空间高效密封措施等方面减少充填各环节时间。最后,结合实践效果,从充填采煤能力、地表下沉系数、充填开采增加成本、资源采出率和技术适用条件方面对固体充填综采、膏体充填综采、超高水充填综采、固体充填连采、膏体充填连采5种充填采煤方式进行了分析,为各矿选择适合自身的充填方式提供了依据。
  • 作者(Author): 孙希奎

    摘要:基于国家绿色工业和循环经济发展的要求,从煤炭工业绿色开采的科学内涵与技术体系出发,阐明了煤炭开采后形成的采空区是造成岩层移动变形、矿区地表沉陷、水土流失、矸石堆排、土地压占等生态环境问题的根源,指明了矿山采空区充填是有效保护矿区生态环境的根本途径。综述了矿山充填发展主要历程及我国煤矿绿色充填开采的主要类型,重点介绍了膏体充填、矸石固体充填、超高水充填及覆岩离层分区隔离注浆充填4种充填开采方法的技术原理、工艺流程及技术特点,并分别介绍了相应的研究现状与应用成果。重点从充填设备特点、充填工序特征、材料来源、膏体输送特性及稳定性、精准控制及标准化建设等9个方面明确了煤矿绿色充填开采当前面临的主要问题与挑战。指出了实现煤矿绿色充填开采需要从大采高充填岩层控制理论研究、生态脆弱区充填技术、智能化充填工艺、充填物料的精准输送及充填政策保障5个方面进行重点研究,从创新开发新型充填材料、关键充填装备的研发、构建智能化充填新工艺、标准化体系建设与政策扶持及研发矸石高效充填处理技术5个方面进行关键突破,并对煤矿绿色充填开采技术的发展与应用前景进行了展望。
  • 作者(Author): 杨俊哲

    摘要:为解决超大规模煤炭资源开采与脆弱生态环境保护之间的突出矛盾,以神东矿区井上井下生态环境为研究对象,研究了神东矿区煤矿高强度开采条件下对生态环境带来的破坏,提出了煤矿井上井下立体生态环境概念,包括煤矿井下生态环境、地表生态环境和矿区大气生态环境,开发了井上井下生态环境治理技术,并在神东矿区成功应用。结果表明:①对煤矿井下通风、瓦斯、粉尘、采空区浮煤、水资源、矸石等进行综合治理,可构建一个良好的煤矿井下生态环境;②利用地表生态系统的自我恢复能力,辅以人工措施,使遭到破坏的生态系统逐步恢复或使生态系统向良性循环方向发展,打造一个宜人的地表生态环境;③对洗选装车外运粉尘、锅炉烟气、抽采瓦斯进行治理和利用,打造一个适宜的矿区大气生态环境。
  • 作者(Author): 张建国

    摘要:为解决深部煤层高瓦斯含量、低渗透率、上覆岩层赋存不稳定等复杂条件保护层开采的典型工程技术难题,基于平顶山矿区地质条件,研发了深部“复杂条件保护层开采方法→煤矸井下分选→瓦斯立体抽采→被保护层混采→瓦斯地面发电”集成的“采选抽充用”协同开采技术。提出了“采选抽充用”协同开采技术的需求与现实意义,揭示了在复杂条件下保护层开采的技术方法与基本原理,建立了井下重介浅槽煤矸分选系统,实现了煤流矸石分选;在原生产系统的基础上,研发了充填垮落协同式开采方法,并设计了固体充填与传统综采混合开采工作面,实现了煤炭开采与分选矸石井下回填,同时建立瓦斯立体抽采及地面瓦斯发电系统,实现了被保护层瓦斯安全卸压抽采及清洁利用。将“采选抽充用”协同开采技术在平顶山矿区十二矿己14-己15煤层进行了工程实践,实践结果表明:宽度150 m的复杂条件保护层工作面月推进度达120 m,井下分选系统入选能力达400万t/a,充填与垮落式工作面长达220 m,生产能力达300万t/a,矸石全部井下就地处理。协同开采技术在十二矿自2015年应用以来,共解放煤炭资源588.0万t,安全回采煤炭资源381.5万t,抽采瓦斯9 087.9万m3,瓦斯发电6 084.8万kW·h,取得了显著的经济效益,实现了煤与瓦斯安全高效绿色共采。
  • 作者(Author): 吴群英, 王宏科, 倪建宇, 杜云飞, 崔 凡

    摘要:土壤介电常数和体积含水率定量关系的确定是发展基于探地雷达(GPR)技术测定土壤体积含水率的重要基础。传统的探地雷达技术计算土壤体积含水率一般基于经典的Topp公式,但计算值与实测数值误差较大,难以满足不同地质条件下土壤体积含水率的计算精度。为解决该问题,采用探地雷达与浅层钻探相结合的方法,利用浅层钻探对介质层位的描述和深度标定,通过精确计算雷达数据剖面中雷达波到达各反射界面的双程走时,获得各层介质界面上方更加准确的相对介电常数,并通过对各介质的实测含水率进行回归分析,建立了适用于中国西部不同粒径砂壤的体积含水率精确计算的Topp公式形式的修正模型。结果表明:修正后的Topp公式形式的计算模型获取的体积含水率平均误差较修正前细砂降低了42 %,中砂降低了56%,平均误差率较修正前细砂下降了近58%,中砂下降了近67%,2种粒径砂壤使用修正后计算模型的体积含水率计算准确度均获得大幅提高。对比结果说明了利用实测含水率对Topp公式修正的计算模型的准确性,同时验证了基于探地雷达与浅层钻探相结合的GPR波速标定方法对中国西部砂壤介质含水率的精确计算方法的合理性。

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