“绿色开采技术20年研究与展望”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“绿色开采技术20年研究与展望”专题

来源：《煤炭科学技术》2020年第9期

煤炭作为工业的食粮，为国家经济发展提供了充足而坚实的能源保障，但也应看到，其开采过程引发了一系列采动损害与环境问题。在经济快速发展的今天，由于开采规模与强度剧增，导致这些问题越来越突出，与生态文明建设相矛盾。煤层作为一种典型的沉积矿床，其覆岩通常是层状岩体，在开采后出现大规模的移动、变形与破断，形成各种采动裂隙，成为水与瓦斯等地质流体的运移通道，若不加以控制会带来矿井突水、含水层破坏、瓦斯突(涌)出等工程灾害。岩层移动进而导致了地表沉陷，对建(构)筑物、土地和生态环境造成影响。可以说，自煤炭开采业形成以来，采动损害与环境问题就一直存在。

为了解决上述问题，钱鸣高院士于21世纪初提出了煤矿绿色开采理念，并对其技术框架进行了系统阐述，为解决采动损害与环境问题指明了方向。绿色开采提出后得到了国内外学术界和煤炭行业的积极响应，“绿色开采”(Green Mining)已成为国际采矿界的通用词汇，网络词条高达4亿次、相关文献上万篇。绿色开采也使行业对采动损害与环境问题有了统一的认识与行动，并成为国家绿色发展政策的一部分。《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》(中发〔2015〕12号)和《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出发展绿色矿业，加快推进绿色矿山建设。2017年，国家六部委《关于加快建设绿色矿山的实施意见》的印发，使社会各界对于绿色矿山建设重视达到了前所未有的程度，更是加快了绿色矿山建设的步伐。相关部门先后制定了一系列促进绿色开采技术应用与发展的政策、规范，如《关于加快煤层气抽采有关税收政策问题的通知(财税〔2007〕16号)》《关于印发<煤矿充填开采工作指导意见>的通知(国能煤炭〔2013〕19号)》《关于实施煤炭资源税改革的通知(财税〔2014〕72号)》《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见(国能煤炭〔2014〕571号)》，DZT 0315—2018《煤炭行业绿色矿山建设规范》等。经过20年的研究和工程实践，我国煤矿绿色开采技术创新百花齐放，实施成效显著，尤其在煤与瓦斯共采技术、充填减沉开采技术、保水开采技术、环境修复技术等方面得到了大力发展，促进了我国煤炭工业的健康持续发展。

为了展示我国煤矿绿色开采技术研究成果，《煤炭科学技术》2020年第9期组织策划了“绿色开采技术20年研究与展望”专题。自专题撰稿邀请函及征文通知发出以后，共收到稿件100余篇，经过初审、外审、主编终审，录用24篇稿件，受限于期刊版面，本期刊登21篇，集中报道了岩层移动与开采沉陷、充填开采、煤与瓦斯共采、保水开采、“三下一上”采煤、矿井水处理、生态修复等绿色开采相关研究成果及进展。在此，向本期专题奉献佳作的所有论文作者表示感谢!

应该认识到，尽管绿色开采技术取得了显著进展，但尚不能满足煤炭行业不断发展的需求，需要不断深化研究，如在采动岩层运动规律深化研究、适合不同矿区特点的绿色开采技术模式探索、煤矿全生命周期绿色开采设计、高效率和低成本的绿色开采技术研发等方面须持续深入研究。希望本期专题对促进我国煤矿绿色开采技术发展起到积极作用。期待我国煤矿绿色开采技术取得更大进步!

行业视野: 采矿
类别; 91个
关键词; 80位
专家; 21篇
论文; 19387IP
点击量; 20558次
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保水采煤技术规范的技术要点分析

作者(Author)：范立民, 马雄德, 吴群英, 蒋泽泉, 迟宝锁, 王碧清, 王宏科, 仵拨云, 宋飞, 郭亮亮

摘要：保水采煤是绿色开采的重要组成部分，是解决西北干旱半干旱矿区煤炭开采与水资源和生态环境保护问题的有效途径之一。为了规范保水采煤工作思路与方法，指导煤矿企业在高效开采煤炭资源的同时保护含水层结构稳定，制定了陕西省地方标准《保水采煤技术规范》，规定了矿区水资源保护目标层（体）、地质工作要求、导水裂隙带高度确定、保水采煤主要技术以及保水采煤技术论证报告的提纲等。在详细阐述《保水采煤技术规范》研制背景的基础上，对规范的相关要点进行了进一步梳理和解释，这包括：煤层开采使地下水位埋深发生变化时，必须符合最大允许埋深和最小允许埋深要求；煤层开采过程中，矿区及周边河流流量不小于河道最小生态需水量；陕北侏罗纪煤田开采1-2、2-2（榆横矿区为3号煤层）、3-1、4-2、5-2号煤层时，主要目标含水层为第四系萨拉乌苏组含水层、烧变岩含水层和地表水体（湖泊、水库）；黄陇侏罗纪煤田开采3、4号煤层时，主要目标含水层为白垩系洛河组含水层和地表水体（湖泊、水库）；渭北石炭二叠纪煤田开采5、10、11号煤层时，主要目标含水层为包括但不限于奥陶系岩溶含水层。导水裂隙带高度的确定方法主要有探测法、经验公式法、数值模拟和相似模拟等；适于陕西省地质生态环境条件的保水采煤技术包括充填保水采煤技术、分层保水采煤技术、短壁保水采煤技术和注浆保水采煤技术等。为了加快推进矿山生态文明建设步伐，实现绿色开采，应加强保水采煤技术规范的贯彻和落实。

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2020年第09期

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巨厚砂岩含水层下厚煤层综放减水开采技术

作者(Author)：靳德武, 刘英锋, 王甜甜

摘要：彬长矿区是典型的综放高强度开采矿区，矿井生产长期面临顶板巨厚洛河组砂岩涌水影响与威胁，减水（减少涌水量）开采是矿区实现可持续发展的重大课题之一。基于巨厚砂岩含水层水文地质条件的精细探查,总结了巨厚含水层具备垂向非均质的总体特征，指出了该特征是彬长矿区减水开采的水文地质基础。根据区域覆岩导水裂隙带发育高度探查成果的分析，总结了矿区综放覆岩破坏总体规律。通过对矿区含水层厚度、富水性及覆岩厚度等涌水量主控因素的分析，建立了矿区受顶板水影响指数P评价模型，将顶板含水层对开采影响划分为弱影响、中等影响、强影响等3个等级，并给出了影响分区划分指标表；首次提出含水层“楔入比”的概念，并分析了其基本原理及适用条件，并针对不同影响程度分区的开采水文地质条件，建立了采高控制型、限高-限宽型、隔离-注浆型等3种减水模式。矿区典型矿井开展了综放减水开采的工程实践，实现了弱影响区采后含水层水位恢复，中等影响区采后涌水量小幅增长（基本控制在100 m3/h以内），强影响区注浆隔离减水的绿色开采目标，取得了较好的应用效果。

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2020年第09期

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闭坑矿井积水对相邻生产矿井防治水的影响

作者(Author)：许延春, 盖秋凯, 黄磊, 禹云雷, 沈星宇, 庞龙

摘要：为研究闭坑矿井积水对相邻生产矿井安全开采的影响，以三河尖煤矿闭坑为工程背景，采用理论分析、数值模拟等方法多角度评价了三河尖-姚桥煤矿井田边界隔水煤（岩）柱安全性；并通过分析井田边界可能成为导水通道的钻孔、地质构造研究了三河尖煤矿闭坑积水对姚桥矿西翼采区安全开采的影响。研究结果表明：姚桥矿距F19断层留设了平面距离为160 m的煤（岩）柱宽度，可抵抗由于三河尖煤矿闭坑导致的顺煤层方向上的水压，危险位置剖面Ⅰ—Ⅴ在充水前后边界隔水煤（岩）柱宽度Ha均满足安全要求；封闭不良钻孔与陷落柱造成姚桥矿严重突水的可能性较低；边界断层整体富水性差、导水性弱，但在采掘活化后存在导水的可能性。分析认为：姚桥矿规划的7煤防水煤柱线位置合理，可实现姚桥西翼采区的安全开采，研究成果可为姚桥矿及类似条件下闭坑水害防治提供技术依据。

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采动含水层生态功能修复研究进展

作者(Author)：鞠金峰, 李全生, 许家林, 曹志国

摘要：地下采煤活动显著影响、甚至改变地下水系环境，对区域生态环境和矿井安全生产极为不利；研究实施促进采损含水层恢复其生态赋存状态的修复技术和方法对实现煤矿绿色开采意义重大。受采煤扰动程度差异的影响，不同采损条件对应其含水层的生态功能修复策略也不同。含水层未受采动裂隙或破坏带沟通时，其赋水仅发生区域富集和流场变迁，不出现水体流失，但易出现地下潜水出露地表形成积水的不利局面，多以景观改造对其开展生态治理。含水层受采动破坏时，则形成了注浆封堵采动含水层导水通道以阻隔水源补给或流失路径的修复技术与方法，成功实现了底板采动含水层的加固与改造，但应用顶板采动含水层注浆修复时，常面临“注不进”、“堵不住”、“成本高”等问题；据此利用采动岩体导水裂隙易呈现水渗流能力自然降低的“自修复”特性和规律，探索提出了人工引导裂隙自修复的含水层生态恢复方法。针对已有修复手段侧重以“改造”或“防治”思路，从近自然生态修复角度对采动含水层生态功能修复尚需研究的问题进行了总结，提出了利用裂隙自修复特性开展含水层引导恢复研究的必要性。

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渭北煤田地下水特征及保水采煤研究进展

作者(Author)：马雄德, 严戈, 冀瑞君, 李勇, 贺旭波

摘要：绿色开采已经成为矿山建设的最基本要求。保水采煤作为绿色开采技术体系的重要组成部分，重点在于解决矿区煤层开采过程中地下水资源和生态环境保护问题。通过总结渭北煤田岩溶地下水的水文地质特征，阐明煤层开采与奥灰岩溶水的关系，综述渭北煤田开展保水采煤研究中取得的成果。结果表明：渭北煤田奥灰岩溶水位整体上呈下降趋势，近30年内水位下降了18.5 m左右，下降速率为0.64 m/a。澄合矿区东部及韩城矿区5号煤层均处于岩溶水位水平之下，煤层开采受到岩溶水的严重威胁。5号煤层底板突水机理包括：①底板有效隔水层较厚，断层切割K2（上石炭统太原组石英砂岩和灰岩含水岩组）与峰峰组二段灰岩含水层之间的铝质泥岩隔水层，水压破坏与采动底板破坏区相互导通，产生突水；②有效隔水层相对较薄，高承压水头产生的破坏区与采动底板破坏区相连，发生突水。将K2及以下隔水层全面进行注浆改造，使其产生25～30 m的有效隔水层，能实现保水采煤。围绕着注浆改造保水采煤，渭北煤田在地质条件综合探测、注浆材料研发、带压开采预测、地下水监测等方面都取得长足进展。渭北煤田承压水体上保水采煤技术在类似地区具有借鉴意义。

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煤矸石胶结充填管路输送不满管流及其防治方法研究

作者(Author)：黄玉诚, 段晓博, 王瑜敏, 罗浩天, 郝宇鑫

摘要：煤矸石胶结充填料浆质量浓度高，若管路布置和管输参数不合理，充填过程中容易发生不满管流及管路输送故障。为了探究煤矸石胶结充填管路输送不满管流产生的原因与危害，提出相应的防治对策，结合矸石高浓度充填料浆管路输送的实践，建立了泵送充填管路输送模型；基于浆体管道输送基本理论，研究了充填不满管流的产生原因，提出了不满管流状态的理论判别式；根据不满管流输送过程中浆体的运动特征，探讨了不满管流对管路输送系统的危害；结合实例分析提出了不满管流输送状态的防治途径。结果表明：影响充填料浆输送状态的主要因素有充填流量、管道的几何参数和布置方式、料浆的流变特性和密度。输送过程中，充填料浆及输送参量匹配不合理，在垂直钻孔管顶部，高浓度料浆将出现拉断现象，由连续体变为不连续体，导致了管道输送的不满管流状态。随着浆体拉断区的进一步发展，垂直钻孔管上部出现空管段，并呈现一定的真空度，处于负压状态，浆体由固、液两相流状态转变成固、液、气（汽）三相流。浆体状态的变化，恶化了充填管路输送的稳定性，对管路输送系统产生明显的影响和危害：“水锤”冲击作用、对管壁的冲蚀磨损、水平管道振动、料浆发生淤积堵塞、损害充填泵。为了避免管路输送不满管流状态的发生，管路建设中要合理选定垂直钻孔位置；实际充填工作中，可以适当提高料浆浓度或减小非主干管道的内径以增大管道摩擦阻力，以保持浆体满管流输送状态。

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无煤柱自成巷工法留巷全周期矿压显现规律研究

作者(Author)：迟宝锁, 王建文, 刘辉, 明灿, 李珅

摘要：为了稳定控制无煤柱自成巷工法开采条件下的沿空巷道，以柠条塔煤矿S12012工作面为工程背景，采用现场实测的研究方法，对留巷及留巷复用期间的支护结构受力和顶板变形特征进行了研究。结果表明：留巷期间，巷道变形与切顶护帮支架压力演化过程可分为初始稳定期、剧烈变形期、缓慢过渡期、压实稳定期4个阶段。S12012工作面后方约0～30 m为初始稳定期，巷道变形量较小，结构受力增加不明显；工作面后方30～150 m为剧烈变形期，巷道变形量快速增大，巷内支护结构受力明显增加；工作面后方150～200 m为缓慢过渡期，巷道变形和巷内支护结构受力逐渐趋于平稳；工作面后方200 m以外为压实稳定期，巷道变形量保持稳定，支护结构受力也不再发生明显变化。留巷复用期间，巷道变形与切顶护帮支架压力演化过程可分为矿压稳定期、矿压渐变期、矿压剧烈期3个阶段。超前工作面约90 m以外范围内为矿压稳定期，巷道变形量普遍较小，超前临时支护受力无明显增大；超前工作面25～90 m为矿压渐变期，巷道变形量增长较慢，超前临时支护受力开始逐渐增大；超前工作面0～25 m为矿压剧烈期，巷道变形量和超前临时支护受力均急剧增大。全周期围岩变形控制在200 mm以内，研究结果可为做好现场巷道支护工作提供借鉴。

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基于松散层拱结构理论的岩层控制研究

作者(Author)：汪锋, 陈绍杰, 许家林, 马波, 丁希阳, 刘尊欣

摘要：针对我国华东和华北部分矿区厚松散层下采煤诱发工作面压架、突水和地表塌陷等问题，在系统总结采动覆岩承载结构理论相关学术进展的基础上，基于前人研究成果，提出了厚松散层的松散层拱结构模型，综合理论分析、数值模拟、现场探测和工程应用等方法研究揭示了松散层拱对载荷传递、岩层运动及地表沉陷、覆岩破断失稳的影响机理。研究结果表明：松散层拱的形态为长轴位于工作面走向的椭圆，当松散层厚度大于松散层拱矢高和厚度之和时，松散层在运动变形过程中能够形成松散层拱。工作面回采过程中，松散层拱周期性失稳并逐渐向上部发展，控制着其上覆岩层移动和变形，同时将上覆地层载荷向采空区四周转移，受松散层拱承载作用影响，松散层下部岩层载荷分布可以划分为松散层拱内卸压区、松散层拱基增压区和松散层拱外原岩应力区，进一步获得了考虑松散层拱载荷传递效应的松散层载荷折减系数计算公式，修正了关键层判别时的松散层载荷折减系数的计算方法。松散层拱的破断和失稳将导致地表快速下沉，地表下沉速度会随松散层拱周期性破断失稳而呈现出跳跃性变化，当松散层中能形成松散层拱且关键块体能够保持稳定，厚松散层地质条件下开采时采空地层不会出现切落，地表不会出现塌陷，据此得到了厚松散层下开采地表不发生塌陷的工作面临界采宽和临界采高。松散层拱载荷传递作用下，基本顶的初次破断距增大、周期破断距增大，关键块不易发生滑落失稳和回转变形失稳，得到了适用于厚松散层条件下的工作面支架工作阻力的计算公式。研究成果在山东某矿6304工作面进行了工程应用，共计开采煤炭资源35万t，实现了厚松散层下工作面的安全开采。

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