1 绿色开采的概念与技术框架.ppt

主讲人王方田Tel13605202425E-mailwangfangtian111矿业科学中心B522室,煤矿绿色开采技术,1绿色开采的概念与技术框架,,基本要求了解煤炭资源开采引起的采动损害与环境问题，掌握煤矿绿色开采的概念和内涵，树立煤矿绿色开采的理念。,重点绿色开采的概念及内涵，绿色开采的技术框架；难点关键层位置的判别方法。,1绿色开采的概念与技术框架,,1-1绿色开采的概念1-2绿色开采的理论基础1-3绿色开采的技术框架,1-1绿色开采的概念,,一、煤炭资源开发的重要性二、采动损害与环境问题三、绿色开采的提出,一、煤炭资源开发的重要性,,,,,,中国煤炭产量预测,制约我国经济发展的突出瓶颈是能源。我国煤炭资源量超过5.5万亿吨，居世界第3位，是中国经济发展中最可靠的能源保障。煤炭占我国一次能源的70以上，2050年仍将占50以上。我国煤炭资源严重受安全与环境和区位条件制约。,2012年中国煤炭产量占世界比重,2012年中国能源结构,中国产36.6亿t,占50.2,世界其他国占49.8,二、采动损害与环境问题,,1.开采沉陷破坏土地与地面建筑物2.突水灾害与水资源破坏3.瓦斯灾害与瓦斯排放污染大气4.矸石露天排放问题,对土地资源的破坏地表塌陷、水土流失、沙漠化严重破坏土地资源。平均每采万吨原煤造成塌陷土地0.2-0.3公顷，每年新增塌陷地约3-4万公顷。以山西省为例，截至2007年，煤炭地下采空面积占全省面积的6（约5000km2）。,1.开采沉陷破坏土地与地面建筑物,,塌陷区,地面开裂,对地面建筑物及人文环境的破坏导致村庄被迫迁徙。以淮北矿业集团为例，2001年，13个村庄因采煤塌陷被迫搬迁，共计1412户、5535人迁徙。,1.开采沉陷破坏土地与地面建筑物,,“三下”压煤问题,我国的煤炭资源回收率仅为40左右，“三下”（村庄下、道路下、水体下）压煤是其重要根源。,新汶矿区“三下”压煤高达2.67亿吨，占可采储量的70多。,煤炭开采过程中，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，破坏了地下水资源。同时，造成区域含水层水位下降，形成大规模地下水降落漏斗，直接影响到区域水文地质条件。开采产生的地表变形往往影响到地表水体河流、湖泊、井泉等，从而使部分沟泉水量减少甚至干涸，影响当地居民正常的生产生活，进而影响区域植被生长，甚至土地沙漠化。这一问题在西部缺水地区显得尤为突出。,2.突水灾害与水资源破坏,,我国每年采煤破坏地下水22亿m3/a。山西省通过对5403个煤矿排水量的统计，平均开采1t煤炭，矿井排水0.87t，使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。如晋祠泉在1954年的流量为2m3/min，由于晋祠泉域内西山煤田的大规模开采，泉水流量逐渐减少，于1994年5月断流。,2.突水灾害与水资源破坏,,由于煤矿开采破坏地下水而引起当地居民失去饮用水源的情况在媒体上也时有报道。以山西为例，采煤破坏地下水4.2亿m3/a，导致井水位下降或断流共计3218个，影响水利工程433处，水库40座，输水管道793890m；造成1678个村庄、812715口人、108241头牲畜饮水困难。使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。,2.突水灾害与水资源破坏,,煤矿突水灾害与水资源破坏,我国60的矿区为石炭二叠系含煤地层,其中80受到严重的突水危险。现在，我国每年排出矿井水60亿m3左右，只利用25左右，造成矿区水源枯竭、水与生态环境的破坏。,煤矿突水,主要来自矿井排出的瓦斯和矸石山的自燃。瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重21倍的温室气体，也是导致煤矿重大安全事故的根源。同时瓦斯又是最好的清洁能源。建国以来，我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1500余次，仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数达2356人，为煤矿总死亡人数的40。煤矿每年向大气排放瓦斯70-190亿m3。,3.瓦斯灾害与瓦斯排放污染大气,,煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放,中国在地下2000m范围内具有3035万亿m3煤层气资源,每年排放煤矿瓦斯70190亿m3。,煤矿瓦斯灾害严重，2004年底至2005年初，大平煤矿、陈家山煤矿、孙家湾煤矿接连发生3起一次死亡百人以上特大瓦斯事故。,瓦斯爆炸,我国现有矸石山1600余座，堆积量超过45亿t，占地超过15000hm2。目前每年产矸量超过3.5亿t。,矸石山除了占用大量的土地资源外，还会严重污染空气和地下水，甚至存在滑坡与爆炸危险。,4.矸石露天排放问题,,1966年在英国南威尔士的阿邦芳，1座高达60m的矸石山滑塌，11万m3的矸石垮塌下来，使100多人丧生。造成这次事故的原因是矸石堆在1个矿泉上，使矸石山内水量达到饱和，降低了矸石山的稳定性。2004年2月28日，国投新集一矿煤矸石山坍塌，2人被埋。救援过程中，煤矸石再次坍塌，又导致6人被埋。2005年5月15日，河南平煤集团四矿矸石山爆炸后发生塌方，煤灰和矸石从数十米高处喷涌而下，致使100m外18间民房不同程度地受损，造成8人遇难，16日凌晨1时矸石山中部又突然发生热气煤尘（碎矸石）喷出，致使抢险救灾人员115人受伤。,4.矸石露天排放问题,,煤炭开采造成的环境破坏大大超出了矿区环境容量，我国煤炭开采是以牺牲环境为代价的。而煤炭作为我国的主要能源的状况在短期内难以改变，为了避免开采对矿区环境的继续破坏，响应国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意见的要求，国家和煤炭行业必须考虑煤炭资源与环境协调开采问题，转变煤炭开采理念，开展煤炭资源绿色开采技术研究，依靠技术进步，将煤炭生产活动对自然资源和生态环境的影响降低到最小程度。,三、绿色开采的提出,,提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术”已迫在眉睫。事实上，中国矿业大学教授钱鸣高院士及其领导的课题组，从20世纪九十年代初已开始了有关“绿色开采技术”的研究和实践。在长期研究和实践的基础上，钱鸣高院士正式提出了煤矿绿色开采的理念及其技术体系。,三、绿色开采的提出,,煤矿绿色开采的内涵,煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术,在基本概念上是从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水、土地、矸石等一切可以利用的各种资源；基本出发点是从开采的角度防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响；基本手段是控制或利用采动岩层破断运动；目标是取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益。,,煤矿绿色开采的特点之一,从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭；地下水；煤层内所涵的瓦斯；土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。,,矿井瓦斯定义矿井中主要由甲烷为主的有害气体。---------煤层气瓦斯抽放-------煤层气开采（抽采）矿井水文地质类型根据矿井水文地质条件、涌水量、水害情况和防治水难易程度，类型。,煤矿绿色开采的特点之二,从开采的角度采取措施，从源头消除或减少采矿对环境的破坏；而不是先破坏后治理。因而，矸石的井上处理与土地复垦是属于环境治理问题，而不属于绿色开采问题。,,煤矿绿色开采的特点之三,开采引起环境与主要安全问题的发生都与开采后造成的岩层运动有关（岩体不破坏上述问题都不会发生），因而，绿色开采的重大基础理论为1）采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布以及离层规律；2）开采对岩层与地表移动的影响规律,,3）水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律；4）岩体应力场分布规律及岩层控制技术岩层控制的关键层理论，为煤矿绿色开采技术的发展提供了理论基础。因而，一定程度上绿色开采技术可叫做“基于岩层控制的绿色开采技术”。,绿色开采符合科学采矿的要求煤炭循环经济发展的要求,科学采矿的三原则安全原则经济原则环保原则,循环经济运行模式,废弃物,产品,资源,,,再循环,再利用,减量化,,,,,,循环经济的三原则（3R原则）减量化原则（Reducing）－减物质化原则再利用原则（Reusing）－反复利用原则资源化原则（Recycling）－再生利用原则,建筑材料,充填材料,净化利用,充填载体,开采沉陷,矿井废水,瓦斯涌出,保水开采,充填开采,煤与瓦斯共采,绿色开采技术,,占用耕地,粉碎,破碎,洁净煤技术,,煤炭开采,煤炭循环经济技术途径,建筑材料,充填材料,净化利用,充填载体,开采沉陷,矿井废水,瓦斯涌出,保水开采,充填开采,煤与瓦斯共采,绿色开采技术,,占用耕地,粉碎,破碎,洁净煤技术,,煤炭采掘,煤炭循环经济技术途径,减量化再利用资源化,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1-2绿色开采的理论基础,,一、采动岩层破坏的基本规律二、关键层理论的基本原理,,煤炭开采引起的一系列安全和环境问题都与采动岩层破断与运动有关。,开采沉陷,应力场变化裂隙场变化地表沉陷,开采损害与环境问题与采动岩层破断与运动有关.,,煤层开采,,,,顶板事故与冲击矿压突水事故瓦斯事故,安全问题,环境问题,,,,破坏土地与建筑破坏地下水资源排放瓦斯污染大气,煤层开采后，岩层移动是如何由下往上发展直至地表的岩层移动过程中内部岩体的应力、裂隙、变形是如何分布的,一、采动岩层破坏的基本规律,,,采场覆岩移动的“横三区”与“竖三带”,A-煤壁支撑影响区；B-离层区；C-重新压实区Ⅰ-垮落带；Ⅱ-断裂带；Ⅲ-弯曲带,Ⅰ充分采动区；Ⅱ最大弯曲区；Ⅲ顶板压缩区；Ⅳ底板压缩区；Ⅴ不均匀隆起区；Ⅵ均匀隆起区,开采引起的岩层移动破坏概貌,传统研究（三个方面）●采场矿压老顶结构模型（力学模型）●岩层内部移动“三带”论（统计加模型）●地表沉陷数理统计●关键层理论思想将采动覆岩作为研究整体；抓起控制作用的主要矛盾。,二、岩层控制的关键层理论基本原理,,关键层的概念,,我们发现，对采动岩体运动起主要控制作用的仅为某一层或某几层，这些对覆岩活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。关键层在采动覆岩中的作用，上可影响至地表，下可影响至采场和支架，内部影响到采动裂隙的分布和流体的运移，因而它一定程度上可作为采场矿压、岩层移动及地表沉陷、采动岩体内的流体运移研究统一的基础。,关键层在岩体运动中的控制作用,,,,,关键层在岩体运动中的控制作用,采场覆岩一般力学模型,,,l1＜ln1,关键层判别方法,式中nsmhi第i岩层厚度γi第i岩层体积力Ei第i岩层弹性模量,关键层的刚度和强度判别条件,,关键层判别软件与实例,关键层理论研究进展,,关键层复合破断规律关键层运动对采场矿山压力影响规律关键层运动对开采沉陷影响规律关键层运动对瓦斯卸压运移影响规律关键层运动对导水裂隙演化影响规律,,载荷对关键层复合破断影响的数值模型,载荷对关键层复合破断影响的数值模拟结果,,,覆岩关键层结构是影响邻近层瓦斯动态涌出的重要因素。抽采钻孔（巷道）布置应结合覆岩关键层结构运动特点，有利于瓦斯抽采。提出了解决初采期瓦斯超限问题的倾斜后高巷抽采瓦斯技术。,,,,关键层运动对邻近层瓦斯卸压运移的影响规律,1-3绿色开采的技术框架,,一、绿色开采的技术框架二、减沉开采技术体系三、保水开采技术体系四、煤与瓦斯共采技术体系五、矸石减排技术体系,煤炭开采,岩层移动,排放矸石,地下水流失与突水事故,瓦斯卸压流动、瓦斯事故与排放瓦斯污染环境,地表塌陷、土地与建筑物损害,占用土地污染环境,保水开采,煤与瓦斯共采,减沉开采,矸石减排,地下气化开采,绿色开采,关键层理论,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,一、煤矿绿色开采的技术框架,,二、减沉开采技术体系,,二、减沉开采技术体系,,三、保水开采技术体系,,四、煤与瓦斯共采技术体系,,,五、矸石减排技术体系,,