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浅埋煤层环境影响的源头控制型安全开采技术

时间:2011-05-21作者:刘玉德 ,张东升 李健慧来源:中国论文库
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摘要:以神东矿区为研究对象,对其生态环境的特点、影响因素等进行深入分析研究,综合运用
现场观测、理论分析、物理模拟、数值计算、系统优化与工程实践等方法,开发出适合

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摘要:以神东矿区为研究对象,对其生态环境的特点、影响因素等进行深入分析研究,综合运用
现场观测、理论分析、物理模拟、数值计算、系统优化与工程实践等方法,开发出适合于西北部煤
炭开采区的生态型矿区源头控制型安全开采技术,并在矿区建设中加以应用,取得了显著效果,
为我国西部煤炭开发起到了垂范作用。
关键词:浅埋煤层;源头治理;水循环;矸石零堆积;煤层零发火
中图分类号:TD823.99文献标志码:B文章编号:1003-496X(2011)04-0065-04
    我国西北部广泛赋存着浅埋侏罗纪煤田,因其可采煤层多、煤层厚、煤质优良、构造简单、开采技术条件优越而为世人瞩目;且其地理位置

又具承东启西的作用,在我国能源发展战略中具有重要地位,是西部大开发乃至全国经济发展的能源基础。由于矿区开发引起的自然条件的变

化,有可能导致环境的逆向演变与恶性循环,从而使生态系统彻底破坏〔1〕。
    1神东矿区地质概况
    神府东胜煤田面积3 124 km2,探明储量2 236亿t,约占全国探明储量的1/3〔2〕,是我国储量最大的煤田之一。
    神东矿区系鄂尔多斯巨型聚煤盆地的一部分,为向西平缓倾斜的单斜地层,构造简单,岩层裂隙不发育;以陆相含煤的侏罗系地层为主,为

大型浅湖泊三角洲沉积,发育广泛,厚度170.52~221.82 m,一般185 m,具有浅埋深、薄基岩、厚松沙、富潜水的赋存特点。
    煤层上覆基岩层一般由多个岩层分层构成;主要由砂岩和泥岩组成,多属于中等难冒落型顶板。
    基岩层上部为风化带,中部一般不含厚层软弱岩层,下部紧邻煤层。
    由于古冲沟和现代冲沟的存在,松散层结构复杂,呈透镜状分布,从而使部分地带的水文地质条件变化较大。大气降水是地表水和地下水

的主要补给来源;地表水系以乌兰木伦河和悖牛川河及其支沟所构成的具有强烈季节性水流系统为主。地下水分3类:新生界松散层孔隙潜水、中

生界裂隙潜水和承压水、烧变岩孔洞裂隙潜水;主要隔水层为基岩风化带和第三系黄土层。
    2井下开采对生态环境影响的源头分析(1)开采导致潜水流失。采煤过程中顶板基岩的破断,必然会波及上覆潜水含水层,顶板基岩全厚度

切落形成的裂缝以及冒落形成的“天窗”为水资源流失提供了必要的空间通道和场所,从而破坏潜水资源。
    (2)开采造成的污水排放。矿井水是矿区水资源系统的特定的组成部分,是交替性较差的水体,是具有补给机制的含水系统的特殊单元,其

补给水源主要是采动区域的地表水或浅层地下水。
    一般情况下,由于采动裂隙扩展贯通,使地下渗流场和渗流条件发生改变,不同水文地质单元的地下水直接快速向采空区渗流汇集,并在

汇集过程中因物化作用与时间效应遭受污染而变成矿井水。根据水质变化情况,矿井水分为4类:①一般悬浮物矿井水;②高矿化度矿井水;③酸

性矿井水(pH值<6);④洁净矿井水。
    (3)开采带来的废矸堆积。井下煤矸石是煤矿在建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选过程中排出的固煤、炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩

、砂岩、硫铁矿等组成;其岩石和矿物成分主要为高岭石、伊利石和绿伊混层等粘土矿物,其余为煤、石英和黄铁矿等。
    (4)开采引发的煤层自燃。采空区自然发火的产生和发展是诸多因素共同影响、相互作用的结果。
    受顶板及煤质的制约,不同程度地留有一定量(0.3~1.0 m)的顶煤,顶板冒落破碎后造成采空区大量浮煤存在。
    采用连续采煤机双巷掘进每隔50 m左右形成一条联络巷,大大破坏了煤柱的完整性,使多个采空区相互连通,加之封闭不及时、封闭质量

不好,导致采空区漏风联系复杂且难以避免;长走向、大采高综采长壁工作面开采,使工作面开采时间长,采空区面积大,其内高温火源点位置

和范围难以确定。
    3环境影响的源头控制型开采技术3.1保水开采技术(1)技术目标。约占全国1/3面积的西北地区,水资源量仅占全国的8%,为全国缺水最严

重的地区之一〔2〕。因此,保水开采技术既可实现地表潜水零流失的目标,又是西部煤炭资源开发成败的关键。
    (2)保水开采机理。长壁工作面煤层采空区上部导水裂隙发育程度及形态直接影响水资源流失程度和流失水量的大小,而导水裂隙的发育程

度和形态结构都是由煤层关键层的岩石成份与结构及其破断后所形成“砌体梁”的空间特征与稳定程度所控制。
    加快工作面推进速度的开采技术可减少对顶板岩体的破坏,使工作面在覆岩破断裂隙未发育完全时推过富水区域,实现保水开采。反之,

如果推进速度慢,覆岩破断裂隙发育充分,工作面上方含水层水体便可能沿裂隙进入工作面,造成水资源流失〔3〕。
    (3)保水开采基本条件与技术内容。通过理论分析、物理模拟和数值分析可知,在工作面快速推进条件下,整体破断的顶板岩块可以铰接挤

压并快速闭合,具有阻水作用;另外对易导水的采场顶板四角,采用局部注浆或局部充填等措施,使工作面保水开采具有可行性。
    因此,神东矿区浅埋煤层保水开采的基本条件及技术为:①大尺寸工作面快速推进技术:以高可靠性的设备合理配套为前提,结合快速过断

层技术保证大尺寸工作面快速推进;②支架合理选型:通过优化支架-围岩的合理关系模型,确定合理的支护阻力,选择适用于不同条件的工作

面支架;③局部处理技术,有局部充填法、局部降低采高法、局部注浆法、适当调整开采次序等。
    (4)浅埋煤层保水开采适用条件初步分类。根据神东矿区的开采技术条件,由模拟结论和计算的裂隙、垮落高度结果综合分析,将神东矿区

浅埋煤层保水开采适用条件进行初步分类,形成浅埋煤层保水开采分类体系〔6〕,见表1。
    表1浅埋煤层保水开采分类体系
    类号分类基岩厚度/m强或中等含水层弱含水层Ⅰ安全防水开采区≥85≥80Ⅱ长壁连续保水开采容易区75~85 70~80Ⅲ长壁连续保水开采中

等区65~75 60~70Ⅳ长壁连续保水开采困难区55~65 50~60Ⅴ短壁保水连采连续区40~55 35~50Ⅵ短壁保水连采间隔区20~40 15~35Ⅶ短

壁保水连采单硐区≤20≤153.2矿井水综合处理技术〔4〕(1)技术目标。根据矿井水质和采空区充填物的矿物与物理特征,通过合理的流程,

使矿井污水成为净水而被利用,实现矿区污水零排放。
    (2)矿井水采空区过滤与净化机理。矿井水在采空区中经历了过滤、沉淀、吸附与离子交换和自生矿物生成等物理、化学过程,通过自然净

化,实现矿井水资源化。见图1。
    图1矿井水采空区净化机理
    (3)矿井水在采空区净化的工艺流程。在煤层的特定区域构筑集水区,在采空区边缘修筑挡水设施和蓄水池,阻隔水的泄漏,并使之充分沉

淀;引导岩层潜水自导水裂隙带经冒落带导入采空区;经采空区矸石过滤渗流后汇集到集水区;将过滤后的矿井水通过管道引入专用水仓蓄水,进

行二次沉淀,将沉淀后的净化水经由专用水仓和排水设施管排至矿区工业用水管网。具体净化流程见图2。
    图2矿井水采空区净化流程
    3.3防灭火处理技术〔5〕(1)技术目标。神东煤田属Ⅰ级发火煤层,加之埋藏浅、采动后,易漏风形成火区。通过由被动的火灾传统治理

,转化为从源头上控制的主动型防治,实现矿区煤层零发火,保护和改善地面植被。
    (2)主要内容。①降“压”防火技术:在满足生产能力的前提下,合理分配矿井通风阻力,以“大断面、低风压、大风量”的通风系统实现

低风压通风;
    ②以“快”治火技术:工作面快速掘进、快速开采、快速搬家、快速密闭,不仅达到了高产、高效的生产效果,而且化被动防火为主动防火

,有效缩短了煤氧复合时间,为防止采空区煤炭自然发火创造了十分有利的条件;③以“砂”灭火技术:针对陕蒙开采区的特殊情况,研制出了

一种能确保山砂不沉降、不堵管等特点的悬浮山砂稠化添加剂材料,以砂充填采空区,防止了采空区遗煤的自燃。
    3.4井下无岩巷布置及矸石处理技术(1)技术目标。从源头上减少矸石产出量,辅以地面矸石回填及矸石发电技术,实现矿区矸石零堆放,

消除矸石侵占土地、污染环境的影响。
    (2)主要内容。无岩巷布置技术:①无轨胶轮运输全煤巷掘进(不破顶、不拉底);②分层开拓(取消集中开拓,各煤层形成独立的生产系统);

③无盘区划分(从大巷两翼直接布置长条带);④立交巷道平交化布置;⑤无矸过断层(在断层两侧预先掘撤出、安装巷道,迅速跨过断层)。
    井下矸石处理技术:①废巷充填(利用废弃巷道和采空区作为充填空间);②贮矸硐室充填(在永久煤柱内开掘井下贮矸硐室,实现煤与矸石置

换);
    ③井下资源化利用(用作工程填筑材料、喷浆石料及防爆岩粉等)。
    地面矸石处理技术:①回填与土地复垦;②集中发电(洗选矸石)。
    4应用效果
    神东矿区以源头控制型开采技术进行建设,取得了显著的经济效益和生态环境效益。
    (1)生态环境效益。经长期的保护性开采,杜绝了污染源,生态环境得到显著改观。每年可取得17.88亿元的可观的生态效益,实现了资源

开发与环境保护的双赢。矿区已建成稳定的生态系统,植被覆盖率由治理前的3%,达到现在的59.4%,并获得2005年度“中华环境奖”。
    (2)经济效益。源头控制型开采技术在近十多年的应用过程中,取得了近百亿元的经济效益;形成了煤炭开采与环境保护的良性循环。①应

用易自燃煤层防灭火技术:神东矿区累计采出煤炭5亿多吨,实现了煤层零发火的目标,为矿区生态功能圈的构建奠定了基础;②应用水循环利用

系统技术:矿井水复用量达496万t/a,产生经济效益1 586万元/a,节省排污费342万元/a,总直接经济效益1 928万元/a。实现了废水的零排放

、零流失,基本消除了矿井水引起的地表水体与土壤污染;同时,减少了地表水体水量的利用,有利于地表生态环境的维持与改善,节约了宝贵

的净水资源;③运用无岩巷布置技术:岩巷万吨掘进率由15 m降到0.14 m,吨煤出矸率由5.52%降到0.05%。经过井上、下矸石处理技术,实现

了矸石零堆积的目标。
    5结语
    (1)针对陕蒙开采区生态环境特点和浅埋煤层赋存特征,从控制源头入手,开发出一系列适合于脆弱生态环境大型矿区建设的保护性开采技

术,有效控制了对环境影响的“水流失、矸石堆积、煤层发火”等严重破坏源,解决了传统煤矿难以根治的诸多环保问题,使开采区生态系统

得到加强,并趋于稳定;同时,产生了可观的效益。
    (2)陕蒙开采区生态型矿区源头控制型开采模体物,来源于相关煤系地层中的沉积岩层,主要由残式,既为大型矿区解决资源开发与环境保

护的矛盾闯出了一条新型绿色矿业之路,又为我国西部开发中同类型矿区的建设起到示范指导作用。
    参考文献:
    〔1〕聂伟雄.浅埋煤层长壁保水开采探究〔J〕.煤矿现代化,2005,67(4):29-30.
    〔2〕程晓冰.水资源保护概况〔J〕.水资源保护,2001,66(4):8-12.
    〔3〕刘玉德.沙基型浅埋煤层保水开采技术及适用条件分类〔D〕.徐州:中国矿业大学,2008.
    〔4〕王安.现代化亿吨矿区生产技术〔M〕.北京:煤炭工〔5〕王安,尤文顺.神东矿区煤层自然发火的机理分析及其防治措施〔J〕.煤

炭科学技术,2002,30(add):58-64.
    〔6〕Zhang Dong-Sheng,Liu Yu-De.Integrated controllingtechnique of ecological environment in Shendong MiningArea〔J〕

.Journal of Coal Science&Engineering.2007,13(4):471-475.
    作者简介:刘玉德(1965-),男,山东青州人,博士,副教授,主要从事开采方法、矿压控制、系统工程及矿业可持续发展等方向的研究。

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