“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
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非均布载荷下充填开采岩层连续弯曲移动力学模型

作者(Author)：孙运江, 徐丞谊, 左建平, 李蒙蒙, 史月, 周钰博

摘要：为了通过采空区充填控制顶板岩层连续弯曲移动，实现保护矿区生态，提出了充填开采覆岩移动“四带”划分：充填体压缩带、连续弯曲下沉带、关键层承载带和生态保护稳定带。试验研究了不同配比（2:1、3:1、4:1、5:1、6:1）矸石和粉煤灰的压缩力学特性，得出充填体的“应力-应变”关系近似呈抛物线关系。充填体压缩初期（0～2 MPa）快速变形，压缩后期（>6 MPa），变形量增长较缓慢，可知充填体初期捣实对岩层变形控制起重要作用。当矸石和粉煤灰配比为4∶1时，充填体抗压变形性能最好。分析了工作面后方应力降低和近似线性恢复的关键层承载保护机制。基于充填体压缩特性和工作面后方应力非均匀分布，建立了非均布载荷作用下充填顶板岩层连续弯曲力学模型，得出了充填开采顶板岩层连续弯曲变形的力学条件，实现对充填开采顶板连续弯曲移动的准确判定。数值模拟分析了不同充填率时上覆岩层移动规律，得知当充填率大于90%时，顶板岩层近似发生连续变形移动，且直接顶和地表最大下沉量的模拟结果与理论预测非常接近。

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受限空间煤粒瓦斯吸附扩散特性及模型适配差异分析

作者(Author)：赵伟, 王亮, 陈向军, 潘荣锟

摘要：瓦斯吸附扩散系数与解吸扩散系数存在差异，而直接采用定压边界的单孔扩散模型拟含吸附数据从而获得定容条件下的吸附扩散系数有所欠妥。为了对比定压扩散模型和定容扩散模型的拟合差异，正确评价不同边界条件下的瓦斯扩散过程，采用工业分析、等温吸附及吸附扩散动力学试验的方法，对不同初始压力下煤粒的吸附平衡过程及扩散系数变化进行了试验研究。研究发现，定容条件下试验煤样吸附压力随吸附时间呈对数曲线逐渐降低，而吸附平衡时间的长短由煤体的孔隙结构决定。另外，根据真实气体状态方程，可将压降规律转换为吸附规律。利用定容和定压2种扩散模型对瓦斯吸附扩散规律进行拟合，可以发现定容扩散模型要比定压扩散模型拟合效果好，且定压模型测得的扩散系数较之真正的定容扩散系数要大约2倍，并随着初始压力的增加其倍数逐渐增大。恒定压力的边界相当于给了瓦斯分子一个容易逸散的空间，相较于浓度逐渐升高的定容边界来说，扩散难度更小，扩散系数更大。最后，根据定压扩散系数以及定容扩散系数的差异，确定了试验中以及工程中2种扩散系数的应用范围：定压扩散模型适合描述试验中的定压解吸试验或者定压吸附试验，以及工程中煤层卸压区等高渗区的瓦斯运移规律。相对地，定容扩散模型则适合描述试验中的定容吸附或解吸试验，以及工程中被煤层低渗区隔绝的瓦斯运移规律，如应力集中区隔绝的区域或断层、褶曲等构造煤发育的部位。

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褐煤负载纳米FeS吸附材料制备及其除铬性能研究

作者(Author)：郭旭颖, 付赛欧, 狄军贞, 董艳荣

摘要：矿山开采等过程排放的酸性含铬废水造成了严重的环境污染，纳米FeS虽然能迅速将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，降低含铬废水毒性，但其易氧化、易团聚。褐煤具有良好吸附性能，且储量丰富、结构稳定，因此可以作为载体以增强纳米FeS的稳定性。采用超声沉淀法制备褐煤负载纳米FeS（nFeS-L）复合吸附材料，并检测其除铬性能。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）对nFeS-L进行表征，利用单因素试验考察褐煤粒级、Na2S物质的量浓度和铁硫物质的量之比对Cr(Ⅵ)和总铬去除率的影响，采用Box-Behnken响应曲面法研究各因素交互性影响，确定nFeS-L去除Cr(Ⅵ)和总铬的优化条件。结果表明：①超声沉淀法可将平均长度为40～80 nm的棒状纳米FeS负载于褐煤颗粒。②通过单因素试验发现当反应进行90 min时，nFeS-L对Cr(Ⅵ)和总铬的去除速率均趋于平缓，确定nFeS-L的较优制备条件为褐煤粒级0.18～0.25 mm，Na2S物质的量浓度0.25 mol/L，铁硫物质的量之比2∶1，在此条件下Cr(Ⅵ)和总铬的去除率分别为79.3%和71.9%。③响应曲面试验拟合出Cr(Ⅵ)去除率和总铬去除率回归模型拒绝原假设值P均小于0.01，校正决定系数均大于0.9，说明模型达到显著水平，适用对Cr(Ⅵ)和总铬去除率进行分析、预测和优化。3个单因素对Cr(Ⅵ)和总铬去除率的影响均达到高度显著水平，且影响显著程度均为Na2S物质的量浓度>铁硫物质的量之比>褐煤粒级，但3个因素彼此之间交互作用不显著。④经响应曲面法进一步优化制备nFeS-L条件为褐煤粒级0.18～0.25 mm，Na2S物质的量浓度0.30 mol/L，铁硫物质的量之比2.5∶1，在此条件下Cr(Ⅵ)和总铬的去除率分别为87.5%和75.6%。

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分散碱性基质法处理闭坑煤矿酸性矿井水试验研究

作者(Author)：李向东, 蔡洁莹, 冯启言, 王锋利

摘要：贵州凯里鱼洞河区域多数关闭煤矿产生大量酸性矿山排水，造成严重水环境污染。为探讨石灰石和木屑构成的分散碱性基质系统处理闭坑煤矿酸性矿井水的效果，共进行50 d酸性矿井水处理模拟试验。采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定不同时间反应进出水中Fe、Al、Mn、Zn、Cd金属离子浓度，滴定法测定酸碱度，便携式测定仪测定pH、氧化还原电位ORP和温度等。结果表明，试验结束时，分散碱性基质处理柱可有效提高酸性矿井水的pH，使出水pH维持在6以上。随着时间推移，系统的反应区段不断下移，反应结束时，可有效释放碱度的区段已移至系统的最深层，此时对应Al、Fe、Zn各元素去除效率分别可达98.58%、51.51%、35.45%，但对Mn、Cd无明显去除效果。由反应柱中固体沉淀物的X射线衍射仪(XRD)矿物成分分析、扫描电子显微镜(SEM)微观形貌分析和能量色散X-射线光谱(EDX)微观化学成分分析可得，Fe2+经过氧化后形成Fe3+，再通过水合或沉淀作用形成氢氧化铁，氢氧化铁不稳定导致一部分会转为其水解产物（针铁矿，纤铁矿等），一部分则会通过与SO42-的络合作用形成纤铁矾等从溶液中去除。通过对不同深度下各金属离子矿物形式的饱和度计算可得，系统表层0～8 cm还可能存在Al的相关矿物沉淀，如羟矾石，一水软铝石，一水硬铝石等。

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含氟矿井水混凝吸附联合除氟技术工业化应用研究

作者(Author)：赵焰, 陆梦楠, 孙斌, 李井峰, 徐志清, 腾东玉

摘要：我国西部矿区大多属于高氟地层，煤炭开采使地层中的氟转移至地下水造成地下水及矿井水氟含量超标。为解决氟污染问题，内蒙古矿区要求矿井水经过处理后必须达到地表Ⅲ类水标准（氟化物排放限值为1 mg/L），这使得原本可以达标的矿井水因微量超标的氟化物而禁止排放，煤炭行业环保压力巨大。针对含氟矿井水氟化物排放限值低、处理水量大的特点，提出“聚合氯化铝混凝沉淀+羟基磷灰石吸附”的梯级除氟方法，可不拆除原有矿井水处理站进行原位除氟。结果表明：①絮凝除氟时，PACl作为除氟剂对典型矿区含氟矿井水的除氟效果较好，其中35%Al2O3PACl的氟去除率高达91.37%，单独处理后氟化物浓度低于0.6 mg/L，低于地表Ⅲ类水标准的氟化物排放限值；②吸附性能试验以羟基磷灰石作为滤料时，准二级动力学模型可以较好地描述F-在羟基磷灰石表面的吸附，吸附等温线符合Freundlich模型，即吸附原理为多层化学吸附，主要为OH-与F-的置换。动态吸附试验结果表明，以2 BV/h的水力条件吸附54 BV后出现穿透点，碱作为再生液多次再生后吸附剂性能恢复较好，建议使用1.5%或2%NaOH溶液再生。PACl加药与羟基磷灰石梯级除氟工艺经济性较好，可有效避免因过量加药导致的TDS显著增高和大水量吸附时因进水浓度高或水质波动导致出水不达标的问题。

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