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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“低碳减损绿色开采新技术与实践”专题

来源:煤炭科学技术

2021年12月1日,国家九部委联合印发《“十四五”全国清洁生产推行方案》(以下简称《方案》)。《方案》指出了推行清洁生产是贯彻落实资源和保护环境基本国策的重要举措,是实现减污降碳协同增效的重要手段并提出要大力推进清洁生产科技创新和模式创新,推动清洁生产技术装备产业化。在碳达峰、碳中和新形势下,《方案》的出台对推行煤炭开采行业的清洁生产具有重要的现实意义和指导作用。煤炭开采会产生煤矸石、煤矿瓦斯和矿井水等污染物,同时引起地表沉陷和水土流失。近年来,煤炭开采行业清洁生产机制不断完善,推进了行业全面绿色转型。充填开采、煤与瓦斯共采、无煤柱开采等煤炭绿色开采技术得到全面推广,煤炭资源采出率显著提升。

基于此,非常有必要从煤炭开发源头出发,集中报道充填开采、注浆减沉开采、煤与瓦斯共采等低碳减损绿色开采成果。为此,《煤炭科学技术》于2024年第4期特别组织策划出版“低碳减损绿色开采新技术与实践”专题,共收到40余个单位的60余篇稿件,最终遴选出11篇具有代表性的论文,全面展示了我国在减损绿色开采和煤与瓦斯共采等方面的最新成果。

衷心感谢各位专家为专题撰稿!感谢评审专家对专题稿件的悉心评审!特别感谢安徽理工大学、中国矿业大学(北京)、太原理工大学、西安科技大学、中煤能源研究院有限公司、中煤科工开采研究院有限公司、国家能源投资集团等产学研单位在专题出版过程中给予的大力支持!希望以此专题为契机,推动煤炭低碳减损绿色开采领域不断涌现出更丰硕的创新性研究成果!

行业视野

煤炭科学技术

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  • 作者(Author): 来兴平, 乔浩, 单鹏飞, 吴龙泉, 朱浩宇, 赵浩州, 戴自强

    摘要:富水沟谷区域下浅埋煤层赋存条件特殊,采场上覆岩层导水裂隙发育演化特征复杂。为了揭示沟谷区浅埋煤层在回采扰动作用下覆岩裂隙演化规律,以朱家峁煤矿1305-2工作面过沟谷区回采阶段为工程背景,采用理论分析、物理相似模拟、数值模拟与现场效果验证的方法,建立了覆岩裂隙−渗流场概念模型,开展了覆岩结构发育与微震能量演化研究,分析了覆岩变形与塑性破坏分布特征,提出了针对沟谷区下浅埋煤层导水裂隙防治措施,并应用于现场工程实践。结果表明:开采扰动下裂隙−渗流场模型呈“梯台”结构,并依次划分为初渗区域、稳渗区域、紊渗区域3个区域;将所研究矿井的工况数据代入模型结构,计算出各个渗透区域范围,并根据计算结果对矿井的稳渗区域采取注浆措施。工作面回采至沟谷区段,覆岩裂隙域形态呈现“拱形-梯形-复合梯形”的扩展演化特征,裂隙纵向发育高度达到163 m,并与沟谷区地表贯通。随工作面推进,地表裂隙依次经历“滑移-挤压-撕裂”过程;沟谷区域位移云图呈现出滞后开采“高位梯形”破断形态,在沟底处下沉位移最大,达3.47 m。针对开采导致的裂隙大范围扩展贯通,提出在地面进行采动裂缝注浆处理,在工作面上覆岩层进行注浆封堵,实现过沟谷区开采“井上−井下”联合防治,保证安全开采。该研究结果可为浅埋煤层的过沟谷区开采、采动裂隙防治及富水区“保水采煤”提供新的科学依据。
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    煤炭科学技术
    2024年第04期
    79
    10
  • 作者(Author): 梁卫国, 郭凤岐, 于永军, 张泽寒, 闫俊才

    摘要:传统井下煤矸石需运输至地面处理,不仅占用地面国土空间、自燃或雨水淋滤造成大气与环境污染,而且长距离无效运输造成的能源消耗问题已成为制约煤矿低碳发展的关键瓶颈。为实现煤矿矸石不出井,从煤炭生产源头减少碳排放与单位产出能源资源消耗,实现煤炭的绿色低碳智能开采,回顾了煤矸石井下分选充填技术现状及智能化进展,并在此基础上展望煤矸石井下分选充填技术发展趋势,提出了煤矸石井下原位绿色智能分选、充填新方法,详细阐述了煤矸智能分选机及新型充填液压支架的结构及原理,以最大化缩短矸石无效运输距离。为处理采煤工作面矸石,预防煤岩动力灾害,提出了包含少矸化智能开采系统、原位智能分选系统、工作面矿压反演系统、精准科学充填系统四大子系统的煤矿井下采选充智能一体化系统,并探讨了各子系统间的新环逻辑关系,以形成采煤利于分选、分选利于充填、充填利于采煤的良性循环。为处理掘进工作面矸石,提出了包含智能快掘系统、智能分选系统、煤矸分运系统、智能充填系统四大子系统的煤矿井下掘选充智能一体化系统,并对各子系统所负责工作及智能化实现进行了阐述。所提出的新工艺有望实现煤矿矸石不出井,并为煤矸石原位智能分选充填方法及采选充一体化系统的研究提供新思路。
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    煤炭科学技术
    2024年第04期
    73
    28
  • 作者(Author): 李全生, 李淋, 方杰, 郭俊廷, 李军, 徐祝贺, 李晓斌

    摘要:针对生态脆弱区煤炭规模化高效开采造成生态影响范围大、周期长和强度高,缺乏统筹开采全周期源头减损与生态全要素系统技术,导致矿区生态修复成本高、效率低和效果差的问题,提出了生态保护型煤炭开采理念,露天开采损伤传导途径和井工开采损伤传导模型、生态损伤定量分析方法和矿区生态修复决策方法,研发了露天矿节地减损开采、生态型地层重构、分布式水资源集−储−用、基于“生态修复窗口期”协同修复技术;研发了井工开采损伤传导控制、含水层生态功能恢复、装配式楔形地下水库坝体构筑、沉陷区分时分区生态修复技术。建成蒙东矿区生态保护型露天开采示范工程,宝日希勒露天矿示范区植被盖度由开发前30%提高到59%,胜利露天矿示范区植被盖度由开发前5%提高到39%;建成神东井工生态保护型煤炭开采示范工程,植被盖度由开发前不足10%提高到70%。研究成果为生态保护型煤炭开采提供了科技支撑,具有广泛的应用和推广价值。
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    煤炭科学技术
    2024年第04期
    61
    19
  • 作者(Author): 冯国瑞, 郭伟, 李竹, 戚庭野, 崔家庆, 崔业凯, 张志城, 蔡文浩

    摘要:充填开采是控制岩层移动并降低地表沉降与环境损害的重要途径,而充填材料来源不足和充填成本高昂现成为制约井工煤矿充填开采推广应用的主要瓶颈。探寻重点区域的低充填率靶向充填新方法与配套技术是充填开采的研究热点之一。为解决上述问题,结合煤矿井下结构充填的学术思想,深入研究了顶板岩层断裂特征,明确了顶板岩层破断块体尺寸及铰接形态,识别了破断铰接块体主沉降区域,判定出结构充填的关键位置。结合关键位置确定方法,提出重点控制基本顶最大挠度位置,即板结构潜在张拉断裂位置(塑性铰发育位置)的“工字型”结构充填新方法。结合新阳矿岩层地质参数,借助FLAC3D数值模拟软件,深入分析了工作面采宽和推进方向上顶板岩层内应力、竖直沉降、塑性区分布规律,揭示了不同方案下充填体稳定性演变特征。结果表明:“工字型”充填在节省充填用量的基础上,较垮落式开采减少初采期直接顶沉降量33.47%,与全部充填仅相差2.3%。同时,关键位置充填体能有效应对顶板回转下沉引起的应力集中,保持自身稳定性,实现对顶板的长效支撑。综合分析得到了新阳矿首采工作面初采期“工字型”结构充填最佳充填方案为中部条带长度72 m,宽度7 m,两侧条带长度18 m,宽度6 m,较全部充填可减少充填材料成本33.86万元。该方案形成的密闭空间为1 980 m3,占总采出空间的44%,可用来储能或碳封存,助力实现零碳绿色开采,推动双碳目标的实现。
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    煤炭科学技术
    2024年第04期
    58
    10
  • 作者(Author): 杨胜利, 张燊, 王旭东, 张凯, 辛德林, 翟瑞昊

    摘要:我国存在大量的煤炭与天然气重叠赋存资源,出于对资源开采效率的要求,大量的煤与天然气重叠资源需要在同一时空内同步开采,传统的煤与天然气开采理论与技术难以满足协同开采出现的技术难题,煤与天然气协同开采的进程受到了严重制约。基于此,结合国内煤与天然气重叠赋存情况对煤与天然气协同开采进行了科学定义,总结了已有可借鉴的煤与天然气开采技术和相关理论。建立了天然气井近场岩体力学理论、天然气近场围岩耦合损伤理论、“围岩–水泥环–套管”耦合损伤理论、煤与天然气协同开采垂直场围岩耦合损伤理论,揭示了煤与天然气协同开采围岩的耦合损伤机理,为煤与天然气技术体系的构建提供了理论基础。提出了“煤与天然气协同开采技术”“煤炭开采通过废弃井技术”和“天然气近场小煤柱留设技术”3项技术以及“协同开采分区规划系统”“透明地质与生产信息动态监测系统”和“煤与天然气协同区安全监测与评价系统”三大系统,为煤与天然气协同开采提供技术支持,提高煤炭与天然气资源的开采效率。在此基础上,构建了煤与天然气协同开采的理论与技术体系,明确了煤与天然气协同开采未来的研究重点,提出了我国煤与天然气资源安全、绿色、高效协同开采的技术路径与研究方向。
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    煤炭科学技术
    2024年第04期
    49
    10
  • 作者(Author): 杨科, 何淑欣, 何祥, 初茉, 周伟, 袁宁, 陈登红, 龚鹏, 张元春

    摘要:我国14个大型煤炭基地及89个大宗固体废弃物综合利用示范基地建设,标志着矿区大宗固废利用已被纳入全国战略发展布局。长期以来煤炭资源高强度的开发与利用,造成矿区浅埋煤层资源临近枯竭,煤电化基地大规模固废堆积及地表沉陷,已成为制约矿区绿色低碳、高质量发展的难题。大宗煤基固废协同利用与绿色充填是解放“三下一上”压煤,延长矿井服务年限,实现固废无害化、资源化、规模化“三化”利用的有效途径。基于产煤大省山西省、“华东能源粮仓”安徽两淮基地及宁东能源化工基地的煤基固废种类和产量,详细阐述了以煤矸石、粉煤灰、炉底渣、气化渣和脱硫石膏等为主要材料的煤基固废通过重金属吸附解吸和络合钝化技术实现无害化处置,列举煤基固废分类应用于低热值煤基固废发电、制备建筑材料如水泥、砖瓦等资源化利用途径,对比分析煤基固废采煤沉陷区复垦回填及井下充填规模化利用途径,突出煤基固废井下充填的优越性。基于煤电化基地深部煤炭资源,提出绿色充填开采理论与关键技术,包括深部煤矸石源头减量与采选充协同技术、充填材料高效制备与深部井下输送技术及煤基固废充填材料深部多场耦合机理,探究多源煤基固废从源头、过程到终端的深部充填开采全过程的技术原理与方法,以解决矿区深部井下充填的技术难题。根据宁东基地任家庄煤矿、山西省霍尔辛赫煤矿及淮北矿区地质条件和充填目的,分别提出超前钻孔注充低位充填方案、关键层非典型特征条件下多离层梯级注浆方案和煤基固废协同利用关键技术,综合矿山固废处置与利用、深部煤炭资源开发利用、地表沉陷控制、生态环境保护等优势,形成煤电化基地大宗固废协同利用与绿色开采模式,为煤炭开采高质量化和环境低损伤化提供参考。
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    煤炭科学技术
    2024年第04期
    42
    9
  • 作者(Author): 刘浪, 罗屹骁, 朱梦博, 苏臣, 吴涛涛, 王建友, 杭彦龙

    摘要:我国建筑物下压煤量巨大,同时煤矸石、粉煤灰等煤基工业固体废弃物排放量日益增加,严重制约地方经济社会发展。以榆林麻黄梁煤矿为试验矿井,针对其特厚煤层、建筑物下压煤、充填成本高等问题,提出了特厚煤层全固废连采连充开采技术。采用四阶段工序并将特厚煤层分为上、下2部分二次回采压覆煤炭,最大程度控制地面沉降。为降低充填原材料成本,采用化学优化剂对镁渣进行源头改性,抑制镁渣冷却粉化,稳定水化活性,协同粉煤灰、脱硫石膏等煤基固废,研发了改性镁−煤渣基胶凝材料。采用改性镁−煤渣基胶凝材料胶结煤矸石、粉煤灰制备了全固废充填材料。针对麻黄梁煤矿四阶段强、弱充填强度要求,设计不同配比的改性镁渣基充填材料试验,优选配比并应用于井下充填。论述了膏体充填系统与充填接顶方法。麻黄梁煤矿全固废胶结充填工艺试验显示,井下28 d龄期充填体钻芯平均单轴抗压强度超设计强度27%,钻芯浸出毒性满足相关国家标准要求,成功回收了建筑物下压覆煤炭资源,社会经济效益显著。麻黄梁煤矿特厚煤层全固废胶结充填开采实践为国内类似矿井提供了有益借鉴,同时为我国大型煤炭基地的“煤−电−化−冶”固废大规模资源化利用提供了新的思路。
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    煤炭科学技术
    2024年第04期
    38
    7
  • 作者(Author): 朱磊, 古文哲, 袁超峰, 刘成勇, 潘浩, 宋天奇, 盛奉天

    摘要:为实现煤矸石原位、绿色和规模化处置,煤矸石浆体充填技术作为新兴充填技术近年来得到了快速发展与应用。论文系统回顾和总结了煤矸石浆体充填技术框架提出、浆体充填理论体系形成、工程示范应用及技术迭代创新等不同阶段下浆体充填标志性成果与关键工艺技术,形成了高位注浆、低位灌浆和邻位注浆3种充填方式,建立了煤矸石浆体采空区垮落带流动的“介入理论”和浆体管道输送的“三度一场”理论,成功开展了国内外首套煤矸石井下浆体充填和地面制浆+井下邻位注浆充填示范工程;阐述了煤矸石浆体充填技术体系,围绕煤矸石浆体充填过程中的煤矸石破碎、成品矸石粉料加水制浆、制备浆体泵送和井下目标区域充填等工艺流程,探讨了煤矸石高效分级破碎、浆体精准制备、浆体管道输送和末端充填等关键技术核心问题,分析了破碎设备、筛分设备、计量设备、搅拌设备和泵送设备等关键设备技术原理与应用场景;以张家峁煤矿小空间、多设备、高能力的煤矸石浆体充填需求为工程背景,创新研发设计了煤矸石浆体充填地面制浆、管道输送、井下充填和智能控制等不同系统的布置,年充填矸石量可达55.4万t,形成了煤矸石浆体充填工程示范,实现了矿井矸石零排放和绿色处置,树立了良好的地区示范效应;未来煤矸石浆体充填技术将围绕设备小型轻量化、系统高度集成化、技术迭代创新化等方向进一步研究发展,为构建煤矿绿色开采技术体系、实现国家“双碳”目标提供技术支撑。
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    煤炭科学技术
    2024年第04期
    114
    27

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