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矿区绿色开采 绿色开采是一种遵循循环经济绿色工业的原则，形成开采与环境协调一致，实现“低开采、高效率、低排放”的开采技术。 （1）消耗速度比再生速度快 （2）物种数量大幅减少 （3）人类必须改变生活习惯 二、我国煤炭资源及其开采历史 1、煤炭资源情况 我国煤炭资源丰富，品种齐全，尤其是适用于动力用煤的煤种，比如气煤、长焰煤、不粘煤、褐煤、无烟煤等储量较大。 另外，包括3317亿t基础储量和6872亿t资源量，共计约 1万亿t 的资源，可以留给后人勘探开发。 2000年全球探明可采储量分布如上图 。 截至2002年年底，中国探明可直接利用的煤炭储量1886亿t，地下深度1000m以内的储量已超过1100亿t，列于美、俄之后居世界第三位，可以开采上百年。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，在我国的能源生产和消费结构中，煤炭一直占有主导地位，煤炭产量约占全国一次能源生产总量的70％。 三、 煤炭开采对环境的影响及其表现形式 煤炭开采过程中产生的有毒有害气体对水资源、土地和空气都造成了不同程度的污染破坏，其主要表现形式有以下三个方面。 1、 煤矿开采对水资源的破坏 对水资源的破坏主要表现在两个方面一是导致地下水位的大幅度下降，水源枯竭，地表植被干枯，自然景观破坏，农业产量下降，严重时可引起地表土壤沙化；二是开采造成地表及地下水污染。图为山西保德县煤矿开采采空区沉陷引起的严重水土流失 。采空区沉陷引起的水土流失 2、 煤矿开采造成土地资源的破坏 煤炭开采对土地资源的破坏损害，井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。 安家岭露天矿采场 采空区沉陷引起土地破坏 3、 地下矿层中赋存的大量有毒有害气体，如CH4、CO、CO2、SO、SO2、H2S等。由于开采，经矿井通风风流并携带大量粉尘及有害气体排至大气。 煤炭开采对空气造成的污染 4、传统采煤方法所造成的环境破坏问题 （1）煤炭开采造成岩层移动破坏，引起岩层中水与瓦斯的流动，导致煤矿瓦斯事故与井下突水事故。同时，瓦斯排放到大气中会引起环境污染。煤炭开采又直接影响到地下水的流失，甚至引起土地沙漠化。据测算，煤炭开采全国平均吨煤水代价是2t，华北地区10t，最高达47t，煤矿排水量已占北方地区岩溶水资源的19，利用率仅有30。 （2）煤炭开采引起岩层移动，进而造成地表沉陷，导致农田、建筑设施的损坏。据统计资料，全国因煤炭开采引起的破坏和占压土地43万hm2，平均每采万吨煤塌陷土地0.2hm2，每年新增塌陷地约2万hm2。 （3）煤炭开采形成的大量堆积在地面的矸石，既占用良田，又造成环境污染。现已积存矸石30亿t，且每年仍以1.5～2亿t的数量在增加。全国1500座矸石山中有140座在自燃，对大气、土地和环境造成严重污染。 （4）随着我国矿井开采深度的不断增加，矿山压力显现及冲击地压等动力灾害发生的频次增加，强度增大，危及矿井的安全生产。 上述问题若得不到有效解决，在未来几十年内，随着能源总需求和煤炭产量的不断增长，煤炭资源开采所带来的矿区安全和生态环境问题将更为严重，人类的生存和社会发展环境将受到严重威胁。 土地复垦技术细菌快速生物复垦法、无覆土生物复垦法、抗侵蚀被法和基于城市污泥的水力播洒法等。 植被修复技术是一项新兴的、有潜力的绿色植物技术，植物修复环境技术经过近10年的研究，有些研究成果即将进入市场。 四、矿区生态治理与修复 矿区生态治理与修复包括土地复垦、废弃地治理与利用和植被修复等三个方面。 五、绿色开采的重要意义和技术体系 1、国内外绿色开采简介 国外一些发达的采煤国家非常注重煤炭开采与开采区环境的保护问题。近百年来，为了控制地表沉陷并实现在建筑物下采煤，逐渐发展形成了包括充填开采、联合开采、协调开采、条带开采、房柱式开采和离层区注浆等多种开采方法。充填开采法在波兰、德国应用较多，主要采用水力和风力充填方式，将河砂、煤矸石和电厂粉煤灰等充填材料进行采空区充填，充填后地表下沉系数为0.1～0.2。以房柱式开采法控制地表沉陷主要应用在美国、澳大利亚等国家，其煤炭采出率一般50～60，地表下沉系数为0.35～0.68。膏体充填技术是20世纪70年代末在德国金属矿山发展起来的，90年代初应用在煤矿进行工作面采空区的充填，由于德国矿井相继关闭等原因，该项技术并没有得到深入研究和应用。但该项技术所具有的技术优势和良好效果在加拿大、美国、南非等国家的金属矿山得到推广应用，现已成为21世纪金属矿山充填技术的重要发展方向。 我国自20世纪60年代初首先在抚顺胜利矿通过水砂充填法进行控制地表沉陷的研究，成功地进行了车辆修理厂和大型石油炼油厂下的煤炭开采。此后，在新汶矿区的孙村、良庄、协庄矿进行了水砂充填试验。条带开采法在我国抚顺、阜新、蛟河、峰峰、平顶山、徐州等矿区得到了推广应用，煤炭采出率一般在40～68，但在煤层厚度较厚、采深较深的条件下，其采出率却较低。20世纪80年代后期，我国在多个矿区进行了离层区注浆减沉试验，但由于其减沉效果的局限性，推广应用受到了限制。尽管我国在煤炭开采中的地表控制方面进行了广泛深入地研究，并取得了一定的成效，但与美国、德国、波兰等发达采煤国家相比还存在一定差距。在煤矿开采的矸石处理技术、采空区充填技术、短壁开采技术等方面还需要开展大量的工作。近年来，中国矿业大学在低成本膏体充填材料的开发和充填工艺的研究方面取得了突破性的进展。围绕高效与绿色开采方面，与兖州矿区、淄博矿区和淮北矿区等共同合作进行了相关内容的企业重大合作项目的研究。 20世纪80年代初联合国呼吁“必须研究自然的、社会的、生态的、经济的以及利用自然资源过程中的基本关系，确保全球持续发展。”至此，“可持续发展”的概念在全球引起各界人士的广泛关注与认同。 近期提出的循环经济是指遵循自然生态系统的物质循环和能量流动规律，重构经济系统，将经济活动高效有序地组成一个“资源利用绿色工业资源再生”的封闭型物质能量循环的反馈式流程，保持经济生产的低消耗、高质量、低废弃，从而将经济活动对自然环境的影响破坏降低到最低程度。 塔山工程循环经济的定位“资源产品废弃物再生资源” 的反馈式循环经济； 3.5km长的现代化全封闭输煤栈桥，把矿井和洗煤厂紧紧相连；原煤全部入洗，精煤就地装入万吨专列或储煤罐外运，煤泥等副产品由专用通道送往电厂和高岭岩厂，电厂排出的粉煤灰作水泥厂的原料，水泥厂排放的废渣又供砌体建材厂使用。如按传统方法开采，塔山每年将排出450万t矸石。现在矸石进了电厂，还可通过电厂尾气取代周边56座燃煤锅炉，供热550万m2，创效上亿元。 “资源开采-环境保护-矿区可持续发展”的平衡关系，是我国21世纪资源开发的全局性课题，即煤炭“绿色开采”，符合这一平衡关系的矿区开发模式，称之为可持续发展的“绿色矿区”模式。其核心内容之一就是要实现“绿色开采”。“绿色开采”重大意义在于 （1）绿色开采要求开采技术水平提升。我国煤炭行业整体技术水平较低，长期走的是粗放型发展路子，生产集约化程度很低。绿色开采必然要求多层面、多角度的技术创新。 （2）绿色开采要求系统高效利用产品。绿色开采要求从广义资源的角度看待矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气、土地、煤矸石以及在煤层附近的其他矿床等可用资源，在追求最佳经济效益和社会效益的同时，尽可能减少对环境的负面影响。 （3）绿色开采要求全面评价企业效益，综合考虑生态环境。绿色开采以生态大系统的观念来看待、评价企业的经济活动，实现生态大系统的可持续发展。这自然要求企业在追求自身经济效益的同时，要全面考虑社会效益与环境效益。 第一部分 保水开采技术 一、开采对地下水分布的影响 1、 地下水的来源与分类 （1） 地下水的来源 绝大部分的地下水来自于降水，降水渗入地下后，因重力作用而向下渗透。当水分下渗达到某一深度，遇到不透水的地层如黏土、页岩等时就贮存起来，逐渐往上充填于土壤或岩石的间隙中形成饱和状态（图2-1），其顶部即为地下水面。地下水面之上称不饱和带；相对地，地下水面之下的土壤或岩石孔隙是充满水的成为饱和带（图2-2）。 （2）地下水的分类 ① 按含水空隙的类型，地下水被分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。 孔隙水指赋存于松散沉积物颗粒间孔隙中的地下水（图2-3），裂隙水指赋存于岩体裂隙中的地下水（图2-4），岩溶水又称喀斯特水，指存在于可溶岩石（如石灰岩、白云岩等）的洞隙中的地下水。贵州喀 ②根据地下埋藏条件的不同，地下水可分为包气带水、上层滞水、潜水、自流水和承压水五大类。 2 、开采对地下水的影响 （1）对浅、中层地下水的影响煤系地层的水快速向下渗透，形成区域性地下水降落漏斗，浅、中层地下水逐年被疏干,造成煤矿周围村民吃水困难；2对深层地下水的影响 导致对深层地下水位逐年下降；（3）矿井疏排地下水的影响 对地下水水位水量的影响；对地下水水质的影响（图2-5）。 二、 保水开采技术的主要影响因素 1 、开采与地下水分布 开采后，随着地表的沉陷将改变地表水的流向；同时随着上覆岩层移动破坏和地下水渗漏，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水能否恢复，则决定于上覆岩层中是否有软弱岩层。随着工作面的推进，经重新压实并导致裂隙闭合而形成隔水带。若有隔水带，则随着雨水的再次补给，下降漏斗也将随之消失。 采煤不可能不造成一定的地下水渗漏，但保水开采到底保到什么程度，才算是保了水一般认为，保水程度至少应考核以下两个指标首先是对地下水的影响不大，最起码应该不使地下水干涸而最终导致河流的大面积断流；其次是植被的生长状态问题。地下水位埋深增大时，部分植被不适合生长，一些植被出现病态，甚至枯萎，尤其是对乔木的影响最大。 2 、主要影响因素 （1）地质构造 地质构造对地下水、地面水起着重要的控制与导水作用，局部也起着阻溢作用，地质构造愈复杂，断裂愈多，开采煤层离断层愈近，补给充分，则排水量就愈大。 （2）水文地质条件 主要是含水层的厚度、富水性、节理、裂隙、岩溶发育程度和补给来源。 （3）煤矿开采阶段 煤矿开采初期，揭露的含水层相对多，各含水层处于自然饱和状态，含水性强，随着开采面积的增大，就会逐步发生顶板冒落，勾通裂隙导水带，煤系顶部含水层中地下水就会直接渗入矿坑，造成保水开采难度的加大。 矿井开采中期，由于一般不会大面积揭露新的含水层，随着开采时间的增长，含水层水位不断降低，以矿井为中心的降落漏斗趋于稳定，部分含水层由承压转为无压，矿井排水量靠入渗量补给，处于补、径、排平衡状态。 矿井开采后期，由于含水层部分被疏干，导水裂隙带和节理裂隙逐步被充填，地表入渗补给量逐步减少，则矿井渗水量逐步衰减。 矿井开采末期（停采），在其影响范围内，矿坑渗水变小或不排水。但由于煤系底部有隔水层存在，采空区逐步积水成为“地下水库”。在这种情况下，实施保水开采是必要的。 影响保水开采技术的因素还包括采煤方法、覆岩结构、覆岩厚度及其力学性质等。 三、 保水开采技术和矿井水循环使用技术 1、保水开采技术 保水开采的目标是在防治采场突水的同时，对水资源进行有意识的保护，使煤炭开采对矿区水文环境的扰动量小于区域水文环境容量。 研究在开采后上覆岩层的破断规律和地下水漏斗的形成机理，从采矿方法、地面注浆等方面采取措施，实现矿井水资源的保护和综合利用。 实现保水开采的主要途径有 （1）合理选择开采区域 对不同的地质环境条件应该区别对待，并分为以下几种类型 （1）对于不存在含水层或煤层埋藏适中、有含水层、同时其底部有厚度较大的隔水层的地区。 该区域煤层开采的冒裂带和导水裂隙带发育不到含水层底部，不至于破坏含水层结构，可以实现保水开采。 （2）有隔水层分布，但隔水层的厚度有限，煤层开采后，需要采取一定的措施，才可以保护地下水不受破坏的地区。 （3）对于煤层埋藏浅、又富含水，煤层开采会造成地下水全部渗漏地区。一旦开采，矿井突水可以通过提前疏降水工程保证，但不能保证地下水含水结构、生态环境不受破坏，在没有彻底解决地下水渗漏问题之前，暂缓开发。 （2） 防水（砂）煤（岩）柱留设 目前在松散含水层等水体下采煤，一般是根据开采区域岩煤地质及水文地质条件、煤（岩）柱两侧的开采状况及采矿技术条件等因素，采取留设防水（砂）煤（岩）柱的方法进行开采。首先研究确定导水裂隙带高度，其次，厚松散层下近风化带保水开采的GIS研究，可用于保水条件下的安全煤柱留设设计。 （3）保水开采方法 ①减小导水裂隙带高度的开采方法 减小裂隙带高度和减小地表下沉的开采方法是一致的； ②以底板加固为主导技术的保水开采技术。 中国矿业大学提出一种浅埋煤层长壁工作面保水开采方法。工作面长度≥200m；液压支架的工作阻力≥8000kN；工作面日推进速度≥15m；在开切眼区域附近10～50m范围和老顶初次来压区域附近10～50m范围内局部充填或局部降低采高，以减少采动覆岩贯通裂缝，使基岩不发生整体错动式破坏，而形成较为稳定的砌体梁结构，增强采动覆岩阻水作用。该方法水资源保护效果好，能实现安全生产、减少浪费、环保、煤炭资源回收率高。 条带采煤法是目前实现保水采煤的一种行之有效的方法，关键技术是根据具体的水文地质条件，科学设计所采煤层的采留比。需要进行“围岩-煤柱群”整体力学模型计算，只有煤柱群的长时稳定，才能保证水体含水层不受破坏,以达到保水采煤的目的 。 2、矿井水的合理利用及循环使用技术 （1） 矿井水合理利用的意义 矿井水的主要来源是地下水。由于煤层及其围岩中硫铁矿的氧化作用，使矿井水呈现酸性或和高铁性。目前我国按照对环境影响以及作为生活饮用水的可行性，将矿井水分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含有毒有害元素或放射性元素五类。 长期以来 ，由于技术所限和认识不足 ， 矿井水被当作水害排掉而未加以综合利用和保护。随着科学技术的发展和人们环境保护意识的提高，开始将矿井水作为一种水资源加以处理利用，即矿井水资源化。据估计，如果目前矿区水资源利用率达到40％～50％，煤矿自用水就基本上得到解决，而且还能为社会提供用水。这对我国西部矿区具有更重要的意义。 （2）矿井水循环使用处理工艺 矿井水一般采用物理和化学方法进行处理。物理方法主要是过滤法和自然沉降法；化学处理方法主要是混凝法。矿井水经处理后应本着先生产后生活、先井下后井上的原则优先供给。 神东矿区水循环模式发明了井下水采空区矸石过滤专利技术，实现了井下水循环利用。 一般矿井水采用城市给水净化工艺（见图2-18）。其中a、b两种工艺适用水量大处理的，c种适用处理水量小的。对普通中性淡水质的矿井水用作对水质要求不高的生产项目可将工艺中的过滤工序去掉。如处理的矿井水用作洗煤厂生产补充用水等。一般情况下处理l m3矿井水可间接创产值20元。 四、 榆神府矿区保水开采实例 1、 概述 陕北侏罗纪煤田榆神府矿区位于鄂尔多斯煤盆地的中部。东西宽约84km，南北长约85km，面积 7139.7 km2，属陕西神木、府谷、榆林三县。榆神府矿区被划分为榆神与神府两大矿区。 2、榆神府矿区保水开采的地质条件 （1）矿区地层及岩土类型 第四系的风积沙、马兰组、萨拉乌苏组、离石组、三门组，第三系上新统三趾马组，白垩系洛河组，侏罗系安定组、直罗组、延安组和富县组。见 表2-1。 （2）矿 区水文地质条件 矿区内对保水开采有意义的主要含水层为砂层萨拉乌苏和风积沙和烧变岩水。离石黄土和三趾马红土共同组成砂层含水层的隔水底板。 3、防治对策研究 （1）保水开采分区 ①保水开采区Ⅰ 该区主要分布在大保当区2-2煤烧变岩以西地区，其次是秃尾河以东的青草界泉域和神北矿区柠条塔以南地区。 ②采煤失水区Ⅱ 第1亚区Ⅱ1分布在秃尾河以东，青草界以外和神北矿区活鸡兔一带。第2亚区Ⅱ2分布在神北石圪台大柳塔井田之间地带。 ③采煤无水区Ⅲ 主要分布在秃尾河以东及神北矿区。 （2）保水开采技术途径 ①保水开采区煤层浅埋区留设防水安全煤柱；在烧变岩带施工供水井建立水源地；在开采顺序上，应先采富水性相对较弱、隔水性能良好的地段，如大保当区一期工程首采区应选在南部红柳沟泉域；为防止地下水遭受严重破坏，建议设计为开井工采方式；大保当区一、二期工程以外的煤层浅埋地区，地下水极为丰富，但隔水层相对较薄，建议该地区最后开采。 ②采煤失水区在采煤之前预先疏排地下水；在疏排基础上，留设防塌或防砂煤柱；为减少矿井疏排水量，大保当区秃尾河与2-2煤烧变岩之间地带，应在西部浅层煤开采完后再进行开采。 ③采煤无水区该类型区采煤不受水体威胁，可在覆岩结构类型为土基地段适当留设防塌煤柱 4、榆神府矿区保水开采的采煤方法划分体系 由现场开采实践和相似模拟试验，建立了榆神府矿区保水开采的采煤方法划分体系。 5、保水开采需采取的工程技术措施 （1）合理的留设防水安全煤柱 浅埋型近水平煤层，合理确定防水煤岩柱高度，控制冒裂带发育在含水层以下，对尽可能减少压煤，又能保住萨拉乌苏组水，实现保水开采是关键。 （2）建立浅排供水水源地 即充分利用萨拉乌苏组含水层水资源作为矿区供水，又能起到保护生态环境的最关键措施。根据煤矿安全规程，为防止烧变岩水老窑积水对采煤影响，从烧变岩边界处必须向深部划定警戒线图2-21。 唐山分院先后成功地完成了小凌河、淮河、漳河、乐安江、资江、右江、南洪水库等大型水体下及承压水上采煤，总结出一整套水体下采煤的安全技术措施，在覆岩破坏规律研究等方面技术上达到国际先进水平。其中，“淮河水体下采煤”、“乐安江水体下采煤”、“资江水体下采煤”、“厚煤层综采快速推进条件下覆岩破坏规律的研究”等多项成果获得国家科技进步二等奖、省部级科技进步奖。 铁法煤业（集团）有限责任公司、沈阳煤炭科学研究所进行大平煤矿水库下北一南一段工作面综放开采。单一工作面综放开采条件下，覆岩导水裂缝带最大高度是采出煤层厚度的17.0724.55倍。保护煤柱隔水性能好。弯曲沉降带内离层带发育高度是采出煤层厚度的32.8335.22倍。 第一部分 洁净开采技术 第一部分 洁净开采技术 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。 为了杜绝或减少煤矸石造成的环境污染，可采取以下两种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。 一、 概 论 我国目前每年由于煤炭开采塌陷土地面积约4万公顷，受煤炭开采影响下沉的土地面积约60万公顷，直接经济损失约20亿元。煤矿开采造成的土地破坏不仅使农民失去赖以生存的土地，而且还导致了一系列严重的社会与生态环境问题。 此外，我国目前全国历年累计堆放的煤矸石约45亿t，规模较大的矸石山有1600多座，占用土地约1.5万公顷，而且堆积量每年还以1.5～2.0亿t的速度增加。排放矸石对人类的生存环境和条件带来很大的威胁与危害。 鉴于以上原因，科研人员研发出充填开采法，将矸石或其它固体废物充填至采空区，减轻开采引起的塌陷，同时进行土地复垦。 近来正致力研究和正在推广的充填开采技术有 （1）巷道矿石充填技术； （2）长壁综采矸石充填采煤技术； （3）长壁普采（或炮采）矸石充填采煤技术； （4）矸石充填置换永久煤柱技术； （5）矸石胶结充填采煤技术。 总体技术框架如图1.1所示。 二、减矸开采技术 1 矿井开拓与巷道布置 1.1全煤巷开拓 全煤巷开拓是矿井实现洁净开采的优选方案。 美国、澳大利亚、德国等国的各类矿井几乎都采用多煤巷并行的开拓方法。 我国的东胜、神府矿区和山东济宁3号井等大型矿井的设计都是按全煤巷开拓考虑的。目前大多数新建中小型矿井及小煤窑，基本上都是无岩巷开拓。 全煤巷开拓技术依据⑴机械化开采强度高、回采速度快、生产高度集中，同时维护使用的巷道长度和时间均有所缩短；⑵支护材料和支护技术的发展，使大断面煤层巷道在高强度稳定支护条件下能长期维护使用；⑶高强度长距离胶带输送机、新的辅助运输技术和装备的出现，使井下运输不再依赖于矿车。 1.2利用自然条件划分采区边界 开拓巷道也可沿断层带、变薄带或火成岩侵入带等掘进，采区内尽量避免有这些地质构造，以利掘进和回采时少破岩石，减少矸石混入。 1.3煤层配采与取消岩集 ⑴实施不同煤层搭配开采 在多煤层矿井中，开拓部署要考虑各煤层的开采程序和灰分、硫分高低煤层之间搭配开采，这样有利于煤质稳定。为避免出现压茬现象，厚、薄煤层也要搭配开采，以降低矿井产煤的灰分。 ⑵取消岩石集中巷 为集中运输和巷道维护，许多矿井都沿用岩石集中巷进行采区准备，这样就要产出大量矸石。但近几年都在逐渐用煤层集中巷来进行采区准备，这在技术经济上都取得了减少矸石的良好效益。 1.4沿空留巷 回采巷道采用沿空留巷（无煤柱开采）可减少矿井排矸量和煤中混入矸石的几率，特别是对薄煤层来说，其技术经济效益更大。 2.1采煤工艺 ⑴加大采高、全厚开采 随着采煤机械化技术的发展，采高由原来的2.5m提高到4～6m，使过去需用分层开采的煤层改为单一长壁工作面全厚开采,这样就减少了分层开采时矸石和其它杂物混入煤中的几率，降低了原煤含矸率和灰分。 2 采掘工艺 近年来对特厚煤层已广泛采用放顶煤技术，在煤层底部采出2.5m左右的厚度，其上部的顶煤在矿压作用下冒落在支架的后部，然后将冒落的煤从支架后部运输机运出工作面（见图1.2）。这种方法需要选择合理的放煤参数，否则会增加原煤灰分。 图1.2 放顶煤采煤 a普采放顶煤采煤； b综采放顶煤采煤 ⑵煤岩分采 当煤层中夹石厚度超过0.3m而又不能分层时，应实行煤岩分采。 煤、岩分采适用于炮采工艺，其回采顺序是先爆破采出夹石层上部的煤，并用临时支护管理暴露的顶板，然后剥采夹石层，并将其弃于采空区，最后采出下部煤层，架好永久支架，工作面完成一个采煤作业循环。工作面煤岩分采顺序如图1.3所示。 ⑶留顶（底）煤开采 当煤层有较厚的伪顶或直接顶破碎难以维护时，工作面可实行留顶煤开采，以避免伪顶或破碎顶板冒落混入煤中影响煤质。 在底板松软的情况下，为防止支柱钻底或采煤机啃底影响煤质，工作面就要用留底煤方法回采。 如煤层顶部或底部煤质很差，为保证原煤质量，开采时也常采用留顶煤（或底煤）回采，将劣质煤直接弃于采空区。 2.2掘进工艺 ⑴分掘分运 半煤岩巷道断面中的煤层和岩层的分布位置有图1.4所示的几种情况。选择破岩位置时，在符合巷道使用条件的情况下，应尽量避免破坏煤层顶板，使煤层在巷道断面内占的面积最大，并尽可能掘进硬度小的岩石。 图1.4 半煤岩巷道中煤岩分布位置 a-缓倾斜煤层；b-倾斜煤层；c-急倾斜煤层 为提高掘进速度，开掘半煤岩巷道时一般先采煤后破岩。对煤层厚度小于0.5m、灰分大于40的半煤岩巷道，可全断面一次开挖，煤、岩混运排至地面矸石山。煤层厚度大于0.5m时，必须对煤岩分掘、分运。当煤层厚度大于1.3m时，可根据煤岩位置，煤层超前岩层采用台阶式掘进（图1.5），这有利于煤岩分掘、分运。同时可提高掘进速度。 图1.5 半煤岩巷道煤超前岩层掘进 ⑵宽巷掘进、矸石充填 宽巷掘进常用于薄煤层采准巷道。在半煤岩巷道掘进时，开挖煤层宽度大于巷道宽度，巷道掘出的矸石，由人工或用机械充填于巷道一侧或两侧被挖空的煤层空间中或支架壁后，不仅可煤岩分掘，且矸石不出井就地处理（图1.6）。 在英国、德国的煤矿中，采用前进式采煤采后成巷时，用挑顶或卧底的矸石用人工或机械构筑巷旁和支架壁后充填（图1.7），不仅加强了巷道维护，也免除了矸石混入煤中出井。 三、 井下矸石充填技术 1.1矸石充填的种类 按矸石充填的位置不同分 ⑴巷道充填 巷道充填系统简单，占用设备少，但缺点是矸石充填量少，不能从根本上解决矸石污染问题; ⑵工作面充填 工作面充填系统复杂，除煤炭运输系统外，还要有排矸系统，设备占用多，但优点是矸石处理量大，且还能多出煤。 1 矸石充填开采的分类及特点 按充填量和充填范围不同分 ⑴全部充填 即在煤层采出后顶板未冒落前，对所有采空区域进行充填，充填量和充填范围与采出煤量大体一致，靠采空区充填体支撑上覆岩层控制开采沉陷； ⑵局部充填 局部充填是相对全部充填而言的，其充填量和充填范围仅是采出煤量的一部分，它仅对采空区的局部或离层区或冒落区进行充填，靠覆岩关键层结构、充填体及部分煤柱共同支撑覆岩控制开采沉陷。 1.2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，可采用自溜来完成充填，其做法是用单轨吊车、齿轨车或卡轨车等辅助运输工具把矸石由掘进工作面直接运输、倾卸到采空区；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，要用一些设备进行处理，如扒装机、胶带输送机、刮板输送机等。 ⑴扒装机利用扒装机台铲和扒斗，将台铲固定在卸矸点外，回头轮固定在废弃巷道充填面上端，用扒斗将矸石扒向充填面。 ⑵胶带输送机用改造后的皮带机，将矸石送往充填面，输送机固定在卸矸点外，胶带机机尾可采用悬壁梁架，且可调坡度，将矸石送高或送低，机身也可加长或缩短，以保证卸矸的适应性。 ⑶刮板输送机同胶带输送机。 在述三种方式中，以胶带输送方式为最好。 1.3矸石充填开采技术 ⑴ 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，控制地表沉陷，如图1.8所示。 采空区条带充填技术有两种模式其一是长壁条带充填开采模式，沿推进方向在采空区相间构筑充填条带；其二是短壁间隔条带充填开采模式（见图1.9），工作面布置成短壁条带开采，隔1个工作面充填1个工作面。 ⑵ 条带开采冒落区注浆充填技术 条带开采技术主要用来实现建筑物下压煤开采，其主要缺点是煤炭采出率偏低，一般仅为30～50。条带冒落区失去承载能力并将其上部岩层的载荷转移到两侧留设的煤岩柱上。 条带开采冒落区注浆充填就是在建筑物压煤条带开采情况下，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，充填破碎矸石空隙，加固破碎岩石，使得采出条带冒落区重新起到承载作用，从而减缓覆岩移动往地表的传播;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。 2 矸石充填设备与工艺 矸石充填设备主要有破碎机、给料机、可伸缩胶带输送机、抛射皮带等组成。 2.1巷道矿石充填技术 矸石充填设备的总体结构如图1.10所示。可伸缩带式输送机的机头布置在充填巷道外端 ，为受料端。充填部布置在充填巷道内端 ，为卸料抛填端。矸石由矸石仓给料机装载到皮带机机头受料处 ，再由输送机运至机尾卸载滚筒处，将矸石卸载到布置在充填部前端的抛射皮带上，由抛射皮带将矸石抛射到充填巷道。 当巷道内端迎头填满后，充填部向后退移一个步距约0.5m。输送机的储带与自动张紧装置能将松弛的胶带自动张紧，使矸石充填设备继续工作。 2.2长壁综采矸石充填采煤技术 （1）技术思路 本项技术在村下布置长壁工作面，在开采过程中利用井上、下矸石充填采空区。其开采方法为在村下保护煤柱中布置长壁工作面，采用自行研制的矸石充填开采液压支架、矸石充填机等设备进行开采、充填。 （2）充填采煤工艺 矸石充填工艺是在工作面每班割煤两刀后进行，其工艺过程如下 每班按照正规循环割两刀煤（也即进尺1.2m），然后停止割煤，移直自压式矸石充填机的机头与机尾。检查充填系统的完好情况，起动工作面自压式矸石充填机进行充填，充填开采示意如图1.11所示。 （3）主要装备 该技术得以成功实施，基于研制了高效机械化矸石充填配套的液压支架、自压式矸石充填机等设备。 （4）应用效果 该技术中实现“三下”压煤大范围、大面积高效开采，减少了矸石井上提升量，降低了矸石山存矸量及矸石山占地面积；减少了征用土地费用，保护了生态环境；同时缓解了矸石升井导致辅助提升紧张，为矿井的安全高效生产提供了保障。可使村下压煤的回采率由传统的30左右提高到85以上，提高回收率50以上。 2.3 长壁普采（或炮采）矸石充填采煤技术 （1）技术思路 利用煤矿固体废弃物煤矸石进行井下充填，将采掘工作面地面产生的矸石全部充填到工作面采空区，实现矸石不升井的目的与“三下”开采地表沉陷控制的目标。 （2）充填采煤工艺 工作面采用见七充四顶板控顶方式，每推进4m进行1次矸石充填，按充填量确定推采时间。在矸石充填完毕前，工作面推采4m，以实现间断开采，连续充填。工作面排距1.0m，柱距0.8m，单体液压支柱配金属铰接顶梁支护顶板。工作面下巷运煤，上巷运矸，工作面铺设一部运煤溜子和一部矸石充填溜子，运煤溜子随工作面推进前移，矸石充填溜子随充填随缩短，充填工作面采用的开采方法是走向长壁采煤法，采用的回采工艺是炮采。矸石排放系统如图1.12所示。 （3）主要装备 主要装备为抛矸机，矸石充填就是采用该抛矸机进行机械充填。 （4）应用效果 该技术基本实现矸石零上井，有效控制了地表变形，保证了地表建筑物的安全使用。矸石接顶率达到95以上，充填效果较好，并取得了良好的经济社会效益。 2.4矸石胶结充填采煤技术 （1）技术思路 本技术是将矸石充填和膏体充填结合起来，在工作面先采用抛矸技术进行矸石充填，然后再在矸石中进行加压注浆，以充满矸石之间的空隙，同时使矸石凝固成整体，以达到控制顶板下沉的目的。 （2）充填采煤工艺 本充填技术中的矸石充填系统可直接利用采煤过程中的“原生”矸石或地面矸石山的废弃矸石，不需要任何的加工处理，经矸石运输系统送至工作面，由抛矸机直接充进采空区。矸石充填系统布置如图1.13所示。 （3）主要装备 矸石充填设备包括运矸皮带输送机，工作面的充填刮板输送机和抛矸机。 （4）应用效果 在本充填工艺中，工作面采用抛矸技术进行充填，除上隅角少量空间不能充满外，其余地方均可以使矸石充满采空区，实现接顶；然后进行膏体注浆，利用膏体的流动性和注浆压力，可填满矸石之间的空隙，通过调整注浆的间距，可以达到很好的效果。 2.5 矸石充填置换永久煤柱技术 （1）技术思路 基本思路为在村下压煤中布置矸石充填巷，先对矸石充填巷掘进采煤，然后采用自行研制的抛矸机依次对采出煤炭的矸石巷由内向外充填矸石。 （2）充填采煤工艺 矸石充填开采的主要流程为岩巷掘进头产生的矸石→（装车后经各运输巷道）轨道大巷→矸石运输上部车场→矸石仓上口→矸石仓→给料机→矸石充填配巷胶带输送机→充填巷机尾驱动式胶带输送机→矸石充填机→充填巷迎头充填，如图1.14所示。 充填迎头采用单班正规循环作业，每个循环充填进度1.0m。充填的同时，每小班有专人清扫巷道和回撤风筒等。 （3）主要装备 矸石充填主要设备为矸石充填机等。 （4）应用效果 在控制地表的变形以保证村庄的安全使用的前提下，实现村下煤炭回收率不低于50与矿井井下矸石不上井，地表不新堆矸石山。 为提高矸石充填效果,可采取如下措施 1 充填巷道尽可能布置成下山俯填，为了防止巷道变形，应坚持快速掘进、快速充填； 2 充填时尽量采取充满充实的措施，采用高压注浆泵实施巷道注浆，以提高充实度，尽量减少地表移动变形影响； 3 为避免相邻巷道掘进顶板应力过分集中，扰动已有巷道产生过量变形，影响实际充填效果，掘进时应选择合理的巷道布局和掘进、充填顺序。 3 提高矸石充填效果的技术措施 四、技术经济评价 井下矸石直接用于采空区充填，从经济角度考虑，会增加矸石在井下运输的费用，增加工作面充填作业所需的设备和人工费用;但可以省去运出井口和运至矸石山或复垦地点的费用，减少复垦费用，免去矸石山的排矸作业的费用。如果将矸石山的土地购置费用和长时期的各种污染的治理和赔偿费用计算在一起，则在多数情况下，井下充填所增加的费用将远小于后者。 从理论上来说，充填开采是解决煤矿开采环境问题的理想途径，尤其在经济发达地区解决建筑物下压煤开采更应受到重视。 矸石充填技术具有以下特点 ⑴减少了复杂的提矸、运矸环节和人员，相应地减少了运矸设备和工作量； ⑵在矿井全部实现矸石充填时，地面矸石山占地及其所造成的环境污染等问题，可以得到彻底解决； ⑶由于大量矸石的采空区充填，提高了回采煤工作面顶板的安全程度，而且有效地防止了由于采空区冒落所造成的地表塌陷； ⑷回采后顶板的有效控制，给无煤柱护巷制造了有利条件； ⑸因为没有像其他充填方法那样的复杂环节和工艺过程，又减少了向地面运矸、翻矸和没有地面堆积占林，占地，可达到保护地面建筑物的目的。 但回采工作面增加了人员和设备，又采充平行作业，使工作面劳动组织复杂化，要求工人、干部有较好的组织能力和技术素质，否则会影响采煤工作的正常进行。 矸石充填开采技术，取得了以矸换煤、矸石不升井、不占用耕地的洁净开采效果，不但解决了“三下”压煤问题，而且延长了矿井寿命，是一种具