我國煤礦優化開采關鍵技術研究

摘 要：煤礦污染與地表破壞是重要污染源和危險源之一，煤礦優化開采技術具有深刻的理論內涵和實用價值。本文分析了大量的煤炭開采導致礦區環境惡化，提出煤礦應用優化開采技術的必要性，闡述了優化開采技術原理主要內容。

關鍵詞：優化開采；特殊層規律；離層規律；滲流規律

中圖分類號：X752 文獻標識碼：A

1 提出優化開采之依據

循環經濟將成為我國利用能源的一條有效途徑，經濟活動將有序高效地組織成一個“利用資源—優化發展—循環再生”的閉合型物質與能量循環的反饋式流程。使煤炭工業生產始終處于“低能耗、低物耗、無污染、高效率”等良性循環之中，使煤炭企業的發展與自然環境相協調，對自然環境的惡劣性破壞減低到最小程度，這是與以往傳統煤炭企業發展的路子大相徑庭的，避免了“兩高一低”（高消耗、高污染、低效能），從而實現可持續發展目標。對煤礦來說就是要實現“優化開采”，實現“可持續發展”。強烈的人為活動使得周邊環境發生巨大變化。大量煤炭開采導致的環境惡化問題主要表現在以下方面：

（1）對土地資源的破壞和占用。煤炭開采對土地資源的破壞損害主要以地表塌陷和矸石山壓占為主。

（2）對水資源破壞和污染嚴重。在煤炭開采過程中進行的人為疏干排水和采動形成的導水裂隙對煤系含水層的自然疏干極大地破壞了地下水資源。同時可能由于開采而污染深層地下水資源，從而造成更大的破壞。

（3）涌出瓦斯排入大氣對環境污染嚴重，引起溫室效應；為了正視開采對環境造成的惡劣影響和破壞，采取必要的對策并向有關部門提出可行性建議。因此，盡快形成煤礦企業“優化開采技術”已迫在眉睫。

2 優化開采涵義與技術關鍵

（1）保持水資源，形成“保水開采”技術。

（2）保護土地與建筑，形成“三下采煤”無影響，同時采取離層注漿和充填開采技術等輔助手段加以保護。

（3）充分發展地面瓦斯抽放，形成“煤與瓦斯共開發”技術。

（4）煤層巷道支護精細化技術應用與矸石利用技術。

（5）煤層地下氣化技術等。

3 優化開采技術原理

煤炭開采引起環境變化與造成安全問題的根源就在于開采后造成巖層錯位運動。因此，優化開采基礎理論就是：

（1）采動煤巖層節理裂隙場分布離層規律。

（2）采動引起上覆煤巖層與地表移動規律。

（3）瓦斯與水滲流規律。

（4）煤巖體應力場分布規律及巖層控制技術等。

4 優化開采主要內容

（1）影響地下水分布。煤層賦存深度在300 m左右，含水層比較豐富，在煤層開采后隨著上覆煤巖層的破斷，在采空區區域內地下水將形成下降漏斗，引起地下水滲漏，地下水位能否恢復，主要取決于上覆巖層是否有軟弱巖層經重新壓實導致裂隙閉合后形成隔水層。若能形成隔水層，則隨著大氣降水的多次補給，地下水下降漏斗將消失。根據實際觀測可知，含水層水位下降與開采形成的導水裂隙通道緊密相關，因此，要想保持地下水位，封閉導水裂隙通道很重要。近年來，通過水文地質觀測孔分析，水位下降比較明顯。因此，為了保護地下水資源，形成的保水開采技術應能使地下水位逐步恢復正常。另外，還應該進一步觀察和研究水位變化對地表生物根系的影響。對于底板承壓水防治，也同樣遵循優化開采與利用原則。

（2）三下采煤與減沉技術。根據煤炭開采關鍵層理論，為有效控制巖層變動，保證三下采煤安全可靠，要從采煤設計方面采用優化開采原則，嚴防煤巖失穩引起頂板下沉變形。為使建筑物、水體等不受損害，又獲得最大經濟效益，關鍵在于研究具體條件下上覆煤巖地質結構與關鍵層特征來選擇最佳的減沉開采技術和參數選取。

離層注漿減沉技術也是一種比較實用的技術，確定上覆煤巖中的關鍵煤巖層位置，掌握離層與破裂斷開的特征參數，保證注漿減沉技術應用具有可行性、可靠性，合理的布置鉆孔，合理采用注漿工藝。關鍵層初次破斷前離層區發育、離層量大，易于注漿充填；而一旦關鍵層初次破裂斷開后，關鍵層下離層量明顯變小，僅為關鍵層初次破斷前1/3～1/4，從而使注漿難度增加。因此，離層注漿必須在關鍵層臨初次破裂斷開前組織。

（3）煤與瓦斯共開發。煤層煤質變質程度高，為貧煤、瘦煤兩個品種，有滲透率低和含氣飽和度低特點，這對開展煤層瓦斯采前預抽3個月的要求是不相符的，因此，在已回采的工作面，抽放濃度和抽放量較高的時期比較短。實踐表明，煤層開采一旦引起煤巖層位移破碎，即使是滲透率很低的煤層其滲透率也將增大幾十倍至幾百倍，為瓦斯分子在煤巖層中移動和加大抽放量創造了條件。

（4）煤巷精細支護與矸石利用。煤炭開采等采礦技術產生大量矸石，而矸石大量運輸到地面處理則易造成地面環境污染與破壞。減少矸石產生量的關鍵所在是將各類巷道盡量設置于煤層中。大力推廣使用錨桿支護，做到精細化管理，形成應力場研究計算技術以及煤巷錨桿支護理論，譬如沿空巷道維護方式與采動后巖體內應力重新分布及特殊層破裂斷開和形成的結構有關，其直接影響著支護參數的選取。矸石不上井不僅涉及煤巷維護問題，而且隨著礦井延伸和開采深度增加，巖石巷開掘將不可避免。應考慮將矸石用于建筑材料、充填材料、或利用矸石發電等，變廢為寶。

（5）煤炭氣化與液化。煤炭地下氣化與液化處理技術是一種整體優化開采技術。利用生物能、化學能等將地下煤炭通過熱化學反應在原位將煤炭轉化為可燃氣體或可流動液體，利用管道將可燃氣體或可流動液體抽至地面加以利用。這樣，可以減少工程，非井工開采，消除污染，杜絕危害。煤炭地下氣化處理技術已在我國研究了10多年，也積累一定經驗，為今后發展煤炭地下氣化與液化技術打下了良好基礎，預計投入實際使用至少還需要20年的時間。

結語

優化開采是一個新技術，將是我國煤炭行業未來發展的導向。煤礦企業都會向清潔型、可持續型、經濟型發展。使瓦斯、煤矸、地下水作為資源綜合開發利用；根據具體條件，形成充填開采、離層注漿等保護技術，并進行煤炭地下氣化或液化技術研究，實現經濟、社會、環境、效益相統一。

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