煤矿开采技术原理的探讨

2010-12-31夏耀炳

中国新技术新产品 2010年8期

夏耀炳

（云南省曲靖市麒麟区煤炭工业局，云南曲靖 655000）

1 提出优化开采之依据

目前，全国各地煤矿企业相对来说大多存在许多弊病，而且其中很多因素成为煤矿企业长远发展的瓶颈。如普遍科技含量低，经济效益差，原材料消耗高，环境污染大，从业人员素质低、人力资源无优势等诸多因素。因此，从煤矿发展的历史和现状分析，必须充分考虑资源相对短缺，环境比较脆弱等基本特点，建立起适合其发展的资源节约、环境友好的新型煤炭工业化发展道路。

循环经济将成为我国利用能源的一条有效途径，经济活动将有序高效地组织成一个“利用资源优化发展—循环再生”的闭合型物质与能量循环的反馈式流程。使煤炭工业生产始终处于“低能耗、低物耗、无污染、高效率”等良性循环之中，使煤炭企业的发展与自然环境相协调，对自然环境的恶劣性破坏减低到最小程度，这是与以往传统煤炭企业发展的路子大相径庭的，避免了“两高一低”(高消耗、高污染、低效能)，从而实现可持续发展目标。对煤矿来说就是要实现“优化开采”，实现“可持续发展”。

大量煤炭开采导致的环境恶化问题主要有以下方面：

1)对土地资源的破坏和占用。煤炭开采对土地资源的破坏损害主要以地表塌陷和矸石山压占为主；2)对水资源破坏和污染严重。在煤炭开采过程中进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干极大地破坏了地下水资源。同时可能由于开采而污染深层地下水资源，从而造成更大的破坏；3）为了正视开采对环境造成的恶劣影响和破坏，采取必要的对策并向有关部门提出可行性建议。因此尽快形成煤矿企业“优化开采技术”已迫在眉睫。

2 优化开采涵义与技术关键

科学技术飞速发展，资源的涵义更为广泛：煤炭地下水、煤层气(瓦斯)、煤矸石、其它矿床都可以成为将来利用的有利资源。

煤矿优化开采以及相应的优化开采技术，从更深层次上加强了对煤炭资源的开发利用，包括在采煤过程中附加的其他各种资源开发利用。防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源造成不良影响。最佳目标就是取得最好的经济效益和社会效益。

而优化开采的技术关键就在于：

1)保持水资源，形成“保水开采”技术；2)保护土地与建筑，形成“三下采煤”无影响，同时采取离层注浆和充填开采技术等辅助手段加以保护；3)充分发展地面瓦斯抽放，形成“煤与瓦斯共开发”技术；4)煤层巷道支护精细化技术应用与矸石利用技术；5)煤层地下气化技术等。

3 优化开采技术原理

煤炭开采引起环境变化与造成安全问题的根源就在于开采后造成岩层错位运动。因此，优化开采基础理论就是：动煤岩层节理裂隙场分布离层规律。采动引起上覆煤岩层与地表移动规律。瓦斯与水渗流规律。煤岩体应力场分布规律及岩层控制技术等。

4 优化开采主要内容

影响地下水分布。煤层赋存深度在300m左右，含水层比较丰富，在煤层开采后随着上覆煤岩层的破断，在采空区区域内地下水将形成下降漏斗，引起地下水渗漏，地下水位能否恢复，主要取决于上覆岩层是否有软弱岩层经重新压实导致裂隙闭合后形成隔水层。若能形成隔水层，则随着大气降水的多次补给，地下水下降漏斗将消失。根据实际观测可知，含水层水位下降与开采形成的导水裂隙通道紧密相关，因此，要想保持地下水位，封闭导水裂隙通道很重要。近年来，通过对小窑沟煤矿水文地质观测孔分析，水位下降比较明显。为了满足工业和民用水需求，煤矿除井下水抽出地面净化后作工业用水外，煤矿生活和当地民用水只能接水管到远处引水解决用水困难。因此，为了保护地下水资源，形成的保水开采技术应能使地下水位逐步恢复正常。

另外，还应该进一步观察和研究水位变化对地表生物根系的影响。对于底板承压水防治，也同样遵循优化开采与利用原则。

三下采煤与减沉技术。根据煤炭开采关键层理论，为有效控制岩层变动，保证三下采煤安全可靠要从采煤设计方面采用优化开采原则，严防煤岩失稳引起顶板下沉变形。为使建筑物、水体等不受损害又获得最大经济效益，关键在于研究具体条件下上覆煤岩地质结构与关键层特征来选择最佳的减沉开采技术和参数选取。

离层注浆减沉技术也是一种比较实用的技术，确定上覆煤岩中的关键煤岩层位置，掌握离层与破裂断开的特征参数，保证注浆减沉技术应用具有可行性可靠性，合理的布置钻孔，合理采用注浆工艺。关键层初次破断前离层区发育、离层量大，易于注浆充填而一旦关键层初次破裂断开后，关键层下离层量明显变小，仅为关键层初次破断前1/3～1/4，从而使注浆难度增加。因此，离层注浆必须在关键层临初次破裂断开前组织实施。

另外，采空区充填开采技术是优化开采技术的重要组成之一。充填采空区是解决煤矿开采环境问题的理想途径，由于当前充填开采方法材料成本相对较高在曲靖地区该项技术应用较少。充填技术关键是充填材料选取及成本。其次为充填技术合理性，如充填系统与开采系统协调性、充填运输系统畅通性、材料力学特性等方面，有效解决上述问题将使充填开采成为可能，可有效控制地表沉陷。

煤与瓦斯共开发。小窑沟煤矿煤层煤质变质程度高，为焦煤、瘦煤两个品种，有渗透率低和含气饱和度高等特点，这对开展煤层瓦斯采前预抽3个月的要求是相符的，因此，在已回采的 C801、C802、C803、C804、C805 等工作面，抽放浓度和抽放量较高的时期比较短，但是在C801、C802、C803、C804、C805 等工作面采空区预埋管道抽排瓦斯其浓度和抽放量则较高且时间比较长。实践表明，煤层开采一旦引起煤岩层位移破碎，即使是渗透率很低的煤层其渗透率也将增大几十倍至几百倍为瓦斯分子在煤岩层中移动和加大抽放量创造了条件。因此，若在开采时形成采煤和采瓦斯两个完整的系统，即形成“煤与瓦斯共开发”技术。因此不仅有利矿井安全生产，而且还可将抽放出的瓦斯用于本矿坑口瓦斯发电站利用瓦斯燃烧发电，以满足本矿工业用电，节约用电成本。因此，在开采煤与瓦斯突出和高瓦斯煤层时，利用煤岩层运动特点将煤层气埋管(主要是瓦斯)开采出来加以利用是小窑沟煤矿煤层气开发的重要途径。近几年小窑沟煤矿煤层气开采利用瓦斯发电有效的促进了煤矿安全生产和经济效益的提高。在云南省率先对煤与瓦斯突出煤层瓦斯预抽开发利用发电应用成功的一个范例。

煤巷精细支护与矸石利用。煤炭开采等采矿技术产生大量矸石，而矸石大量运输到地面处理则易造成地面环境污染与破坏。减少矸石产生量的关键所在是将各类巷道尽量设置于煤层中。大力推广使用锚杆支护，做到精细化管理，形成应力场研究计算技术以及煤巷锚杆支护理论，譬如沿空巷道维护方式与采动后岩体内应力重新分布及特殊层破裂断开和形成的结构有关，其直接影响着支护参数的选取。矸石不出井不仅涉及煤巷维护问题，而且随着矿井延伸和开采深度增加，岩石巷开掘将不可避免(如水平运输石门延伸和井巷向深部延伸)，矸石出地面也就不可避免。应考虑将矸石用于建筑材料、充填材料、或利用矸石发电等，变废为宝。

煤炭气化与液化。煤炭地下气化与液化处理技术是一种整体优化开采技术。利用生物能、化学能等将地下煤炭通过热化学反应在原位将煤炭转化为可燃气体或可流动液体，利用管道将可燃气体或可流动液体抽至地面加以利用。这样，可以减少工程，非井工开采，消除污染，杜绝危害。煤炭地下气化处理技术已在我国研究了10多年，也积累一定经验，为今后发展煤炭地下气化与液化技术打下了良好基础，预计投入实际使用至少还需要2O年的时间。