煤矿开采新技术

摘要：基于岩层控制的关键层理论提出，可将保证覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的基本原则。为了保证建筑物下采煤既具有较好的经济效益，同时又确保地面建筑物不受到损害，关键在于根据具体条件下覆岩结构与关键层特征来研究确定合理的减沉开采技术及参数。确定覆岩中的关键层位置，掌握其离层与破断特征参数，是注浆减沉技术应用可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础。

关键词：煤矿开采；绿色开采技术

一、煤与瓦斯协调开采技术

1. 我国煤层气开发利用现状

低透气性瓦斯是吸附在煤炭上难于采集、资源密集度低的伴生资源。利用必然要进行的井下工程先采瓦斯而后采煤以及利用岩层受采动形成的裂隙场采集释放的瓦斯是最经济而有效的办法。对瓦斯的认识过程如下：

瓦斯是灾害――煤矿重大灾难源是瓦斯，因此对瓦斯的定义是：矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。

瓦斯是能源――1m3瓦斯的发热量为35.6MJ，相当于1.2Kg标煤，可发电3-3.5Kwh.在陆上烟煤和无烟煤田中，埋深在300-2000米范围内的资源有31.46万亿m3，相当于天然气储量。

低透气性瓦斯是吸附在煤炭上难于采集、资源密集度低的伴生能源---瓦斯不同于天然气，大部分吸附于煤炭（80-90%），游离瓦斯仅占5-12%.大部分煤层透气性低（0.005-0.1m2/mpa2.d）很难抽离。以瓦斯含量20m3/t煤计，相当于1000Kg中含有24Kg标煤，全部发电价值仅为30-50元的伴生物，比吨煤的价值低几十倍。

我国是世界上煤层瓦斯资源储量巨大的国家之一。据2006年国土资源部油气中心对全国煤层气资源评价结果，我国煤层气资源量居世界第三位，与我国陆上天然气资源量相当，资源量36.81万亿m3，可采资源量10.86万亿m3。

2. 我国煤层气赋存的特征

我国煤层渗透率较低，平均在0.002～16.17毫达西。抚顺煤田的渗透率相对较高，但也只有0.5-3.8md，水城、丰城、鹤岗、开滦、柳林等矿区高渗透煤层渗透率只有0.1-1.8md，其它地区绝大多数实测的渗透率值都在0.001md以下，比美国的San Juan盆地和Black Warrior盆地低3-4个数量级。

我国煤层瓦斯压力梯度大小变化幅度很大，最低值为1.2kPa/m（抚顺），最大值为13.4kPa/m（天府），但大部分属于低压瓦斯。煤层瓦斯压力低影响煤层气产率，不利于瓦斯抽采。

煤对瓦斯的吸附能力受多种因素的影响，主要影响因素有压力、温度、矿物质含量、水分含量、煤阶、岩性、气体组分等。

3、煤与瓦斯协调开采技术

瓦斯抽采分为地面钻井抽采和井下抽采两大类，如图1-3-1、1-3-2所示。按煤层气开采方法、卸压瓦斯的来源及卸压瓦斯抽采方法的不同，构建了“煤与煤层气共采”技术体系图。

我国煤矿井下的瓦斯抽采始于20世纪50年代，其中抚顺、阳泉是抽采量最大的矿区。2005年瓦斯抽采量23亿m3，2007年44亿m3。2008年瓦斯抽采量55亿m3，淮南、阳泉、水城、松藻、宁煤等10个重点煤矿企业瓦斯抽采量均超过1亿m3。2009年，全国煤矿瓦斯抽采量达到61.7亿m3、利用量达到17.7亿m3。中国计划到2020年把地面煤层气产能提升至500亿m3。

1）井下瓦斯抽采技术

由于我国煤层气低渗透率的特点，利用煤层开采引起岩层的移动破坏增大煤层渗透性，在采煤的同时高效抽采卸压瓦斯，是我国煤层气开采的主要途径。

a）钻机目前，常用的钻机有：煤炭科学研究总院西安分院生产的MK系列钻机，孔深75-600m，孔径75-200mm；煤炭科学研究总院重庆设计院生产的ZYG―150型钻机，孔深150m，孔径65-115mm。

b）瓦斯抽采方法的选择原则

c）开采层瓦斯抽采技术

d）邻近层瓦斯抽采技术

e）采空区瓦斯抽采技术

f）钻场及钻孔布置技术

2）地面钻井瓦斯抽采技术

煤层气地面开采技术主要包括钻井、完井、采气和地面集气处理生产系统。有两种开采情况，一是在没有采煤作业的煤田内开采煤层气；二是在生产矿区内开采煤层气。图1-3-3为晋城寺河矿井地面瓦斯抽采系统。

3）瓦斯综合利用

a）、民用燃气b）、燃气锅炉c）、瓦斯发电d）、生产化工产品

二、井下矸石充填技术

1、洁净开采技术简介

洁净开采技术是指在提高煤炭质量的同时，尽量从源头上避免污染物的产生或最大程度控制污染物的生成量及污染程度，使煤炭开采对环境的污染和破坏降低到最低限度的开采技术。

在煤炭生产中，需要将大量煤矸石排放到地面，占用了大量的土地；同时在提升过程中消耗了大量的人力、物力。随着煤炭生产的发展，矸石山越堆越大，占地面积越来越大，既造成了环境污染，又给煤炭企业增加了经济负担。煤矸石是我国工业固体废料中产生量、累计积存量和占地面积最大的固体废弃物。

为了杜绝或减少煤矸石造成的环境污染，可采取以下两种控制煤矸石生成量的开采技术：一是采用减矸开采技术，包括开拓部署、巷道布置和采掘工艺等技术措施；二是采用矸石充填开采技术，包括将掘进出矸充填在井下废弃的巷道或硐室内，或将掘进出矸直接用于采空区充填。

2、矸石充填开采的分类及特点

1）矸石充填的种类与方法

（a）矸石充填的种类

按矸石充填的位置不同分为：①巷道充填；②工作面充填

按充填量和充填范围占采出煤层的比例不同分为：①全部充填；②局部充填

（b）矸石充填方法

全部充填的位置只能是采空区，而局部充填的位置可以是采空区、离层区或冒落区。当采空区倾角较大时或在倾角较大的下山，可以采用自溜和人工垒砌来完成充填；当采空区倾角较小或在倾角较小的下山和平巷进行矸石充填时是比较困难的，要采用一些设备进行处理。

2）矸石充填开采技术

（a）采空区条带充填技术

采空区条带充填就是在煤层采出后顶板冒落前，采用矸石材料对采空区的一部分空间进行充填，构筑相间的充填条带，靠充填条带来支撑覆岩。只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩关键层的初次破断跨距，且充填条带能保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷。

（b）条带开采冒落区注浆充填技术

目前，我国主要采用条带开采技术来实现建筑物下压煤（“三下”）开采，其主要缺点是煤炭采出率偏低，一般仅为30%～50%。

条带开采冒落区注浆充填就是条带开采情况下，通过地面或井下钻孔向采出条带已冒落采空区的破碎矸石进行注浆充填。同时利用充填材料与冒落区内矸石形成的共同承载体来缩短留设条带的宽度，以达到提高资源回采率的目的。

三、煤炭地下气化技术

煤炭地下气化是指在煤层赋存地点直接获得可燃气体的过程，即在地下将固态矿物通过热化学过程变为气态燃料，然后由钻孔排到地面，供给用户。

煤炭的地下气化原理是由原苏联著名化学家门捷列夫在1888年提出的。英国在1914年至1959年共进行了62次小规模试验，并建成一座小型的地下气化发电站。前苏联自1932年至1965年先后建立了12座地下气化站，美国自1946年至1963年也已试验成功，后因经济效果差而停止，我国自1958年先后在鹤岗、大同、抚顺、皖南等多个矿区进行了煤的地下气化试验，取得了热值为3.49-5.53MJ/m3的煤气，后因国民经济调整而相继停止。1994年，余力教授又在徐州新河矿、唐山刘庄矿进行气化试验，取得热值在13.69MJ/m3以上的煤气。首创“长通道、大断面、两阶段、正反向鼓风、启动能源、压抽相结合、边气化边填”等工艺，建立煤炭地下气化新工艺理论与实践体系，进行了半工业性试验与工业性试验，唐山刘庄矿地下气化炉已经连续稳定燃烧2000天。今后煤层的地下气化研究方向，是向埋深为800m以下的煤层发展。

建筑物下采煤与减沉技术：

基于岩层控制的关键层理论提出，可将保证覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的基本原则。为了保证建筑物下采煤既具有较好的经济效益，同时又确保地面建筑物不受到损害，关键在于根据具体条件下覆岩结构与关键层特征来研究确定合理的减沉开采技术及参数。确定覆岩中的关键层位置，掌握其离层与破断特征参数，是注浆减沉技术应用可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础。