煤礦開(kāi)采技術(shù)原理的探討

夏耀炳

（云南省曲靖市麒麟?yún)^(qū)煤炭工業(yè)局，云南 曲靖 655000）

1 提出優(yōu)化開(kāi)采之依據(jù)

目前，全國(guó)各地煤礦企業(yè)相對(duì)來(lái)說(shuō)大多存在許多弊病，而且其中很多因素成為煤礦企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的瓶頸。如普遍科技含量低，經(jīng)濟(jì)效益差，原材料消耗高，環(huán)境污染大，從業(yè)人員素質(zhì)低、人力資源無(wú)優(yōu)勢(shì)等諸多因素。因此，從煤礦發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀分析，必須充分考慮資源相對(duì)短缺，環(huán)境比較脆弱等基本特點(diǎn)，建立起適合其發(fā)展的資源節(jié)約、環(huán)境友好的新型煤炭工業(yè)化發(fā)展道路。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)將成為我國(guó)利用能源的一條有效途徑，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)將有序高效地組織成一個(gè)“利用資源優(yōu)化發(fā)展—循環(huán)再生”的閉合型物質(zhì)與能量循環(huán)的反饋式流程。使煤炭工業(yè)生產(chǎn)始終處于“低能耗、低物耗、無(wú)污染、高效率”等良性循環(huán)之中，使煤炭企業(yè)的發(fā)展與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，對(duì)自然環(huán)境的惡劣性破壞減低到最小程度，這是與以往傳統(tǒng)煤炭企業(yè)發(fā)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。對(duì)煤礦來(lái)說(shuō)就是要實(shí)現(xiàn)“優(yōu)化開(kāi)采”，實(shí)現(xiàn)“可持續(xù)發(fā)展”。

大量煤炭開(kāi)采導(dǎo)致的環(huán)境惡化問(wèn)題主要有以下方面：

1)對(duì)土地資源的破壞和占用。煤炭開(kāi)采對(duì)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(duì)水資源破壞和污染嚴(yán)重。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中進(jìn)行的人為疏干排水和采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙對(duì)煤系含水層的自然疏干極大地破壞了地下水資源。同時(shí)可能由于開(kāi)采而污染深層地下水資源，從而造成更大的破壞；3）為了正視開(kāi)采對(duì)環(huán)境造成的惡劣影響和破壞，采取必要的對(duì)策并向有關(guān)部門提出可行性建議。因此盡快形成煤礦企業(yè)“優(yōu)化開(kāi)采技術(shù)”已迫在眉睫。

2 優(yōu)化開(kāi)采涵義與技術(shù)關(guān)鍵

科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，資源的涵義更為廣泛：煤炭地下水、煤層氣(瓦斯)、煤矸石、其它礦床都可以成為將來(lái)利用的有利資源。

煤礦優(yōu)化開(kāi)采以及相應(yīng)的優(yōu)化開(kāi)采技術(shù)，從更深層次上加強(qiáng)了對(duì)煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用，包括在采煤過(guò)程中附加的其他各種資源開(kāi)發(fā)利用。防止或盡可能減輕開(kāi)采煤炭對(duì)環(huán)境和其他資源造成不良影響。最佳目標(biāo)就是取得最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

而優(yōu)化開(kāi)采的技術(shù)關(guān)鍵就在于：

1)保持水資源，形成“保水開(kāi)采”技術(shù)；2)保護(hù)土地與建筑，形成“三下采煤”無(wú)影響，同時(shí)采取離層注漿和充填開(kāi)采技術(shù)等輔助手段加以保護(hù)；3)充分發(fā)展地面瓦斯抽放，形成“煤與瓦斯共開(kāi)發(fā)”技術(shù)；4)煤層巷道支護(hù)精細(xì)化技術(shù)應(yīng)用與矸石利用技術(shù)；5)煤層地下氣化技術(shù)等。

3 優(yōu)化開(kāi)采技術(shù)原理

煤炭開(kāi)采引起環(huán)境變化與造成安全問(wèn)題的根源就在于開(kāi)采后造成巖層錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)。因此，優(yōu)化開(kāi)采基礎(chǔ)理論就是：動(dòng)煤巖層節(jié)理裂隙場(chǎng)分布離層規(guī)律。采動(dòng)引起上覆煤巖層與地表移動(dòng)規(guī)律。瓦斯與水滲流規(guī)律。煤巖體應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及巖層控制技術(shù)等。

4 優(yōu)化開(kāi)采主要內(nèi)容

影響地下水分布。煤層賦存深度在300m左右，含水層比較豐富，在煤層開(kāi)采后隨著上覆煤巖層的破斷，在采空區(qū)區(qū)域內(nèi)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(fù)，主要取決于上覆巖層是否有軟弱巖層經(jīng)重新壓實(shí)導(dǎo)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(bǔ)給，地下水下降漏斗將消失。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)可知，含水層水位下降與開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂隙通道緊密相關(guān)，因此，要想保持地下水位，封閉導(dǎo)水裂隙通道很重要。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)小窯溝煤礦水文地質(zhì)觀測(cè)孔分析，水位下降比較明顯。為了滿足工業(yè)和民用水需求，煤礦除井下水抽出地面凈化后作工業(yè)用水外，煤礦生活和當(dāng)?shù)孛裼盟荒芙铀艿竭h(yuǎn)處引水解決用水困難。因此，為了保護(hù)地下水資源，形成的保水開(kāi)采技術(shù)應(yīng)能使地下水位逐步恢復(fù)正常。

另外，還應(yīng)該進(jìn)一步觀察和研究水位變化對(duì)地表生物根系的影響。對(duì)于底板承壓水防治，也同樣遵循優(yōu)化開(kāi)采與利用原則。

三下采煤與減沉技術(shù)。根據(jù)煤炭開(kāi)采關(guān)鍵層理論，為有效控制巖層變動(dòng)，保證三下采煤安全可靠要從采煤設(shè)計(jì)方面采用優(yōu)化開(kāi)采原則，嚴(yán)防煤巖失穩(wěn)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(jīng)濟(jì)效益，關(guān)鍵在于研究具體條件下上覆煤巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵層特征來(lái)選擇最佳的減沉開(kāi)采技術(shù)和參數(shù)選取。

離層注漿減沉技術(shù)也是一種比較實(shí)用的技術(shù)，確定上覆煤巖中的關(guān)鍵煤巖層位置，掌握離層與破裂斷開(kāi)的特征參數(shù)，保證注漿減沉技術(shù)應(yīng)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(guān)鍵層初次破斷前離層區(qū)發(fā)育、離層量大，易于注漿充填而一旦關(guān)鍵層初次破裂斷開(kāi)后，關(guān)鍵層下離層量明顯變小，僅為關(guān)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(guān)鍵層臨初次破裂斷開(kāi)前組織實(shí)施。

另外，采空區(qū)充填開(kāi)采技術(shù)是優(yōu)化開(kāi)采技術(shù)的重要組成之一。充填采空區(qū)是解決煤礦開(kāi)采環(huán)境問(wèn)題的理想途徑，由于當(dāng)前充填開(kāi)采方法材料成本相對(duì)較高在曲靖地區(qū)該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用較少。充填技術(shù)關(guān)鍵是充填材料選取及成本。其次為充填技術(shù)合理性，如充填系統(tǒng)與開(kāi)采系統(tǒng)協(xié)調(diào)性、充填運(yùn)輸系統(tǒng)暢通性、材料力學(xué)特性等方面，有效解決上述問(wèn)題將使充填開(kāi)采成為可能，可有效控制地表沉陷。

煤與瓦斯共開(kāi)發(fā)。小窯溝煤礦煤層煤質(zhì)變質(zhì)程度高，為焦煤、瘦煤兩個(gè)品種，有滲透率低和含氣飽和度高等特點(diǎn)，這對(duì)開(kāi)展煤層瓦斯采前預(yù)抽3個(gè)月的要求是相符的，因此，在已回采的 C801、C802、C803、C804、C805 等工作面，抽放濃度和抽放量較高的時(shí)期比較短，但是在C801、C802、C803、C804、C805 等工作面采空區(qū)預(yù)埋管道抽排瓦斯其濃度和抽放量則較高且時(shí)間比較長(zhǎng)。實(shí)踐表明，煤層開(kāi)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(dòng)和加大抽放量創(chuàng)造了條件。因此，若在開(kāi)采時(shí)形成采煤和采瓦斯兩個(gè)完整的系統(tǒng)，即形成“煤與瓦斯共開(kāi)發(fā)”技術(shù)。因此不僅有利礦井安全生產(chǎn)，而且還可將抽放出的瓦斯用于本礦坑口瓦斯發(fā)電站利用瓦斯燃燒發(fā)電，以滿足本礦工業(yè)用電，節(jié)約用電成本。因此，在開(kāi)采煤與瓦斯突出和高瓦斯煤層時(shí)，利用煤巖層運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)將煤層氣埋管(主要是瓦斯)開(kāi)采出來(lái)加以利用是小窯溝煤礦煤層氣開(kāi)發(fā)的重要途徑。近幾年小窯溝煤礦煤層氣開(kāi)采利用瓦斯發(fā)電有效的促進(jìn)了煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高。在云南省率先對(duì)煤與瓦斯突出煤層瓦斯預(yù)抽開(kāi)發(fā)利用發(fā)電應(yīng)用成功的一個(gè)范例。

煤巷精細(xì)支護(hù)與矸石利用。煤炭開(kāi)采等采礦技術(shù)產(chǎn)生大量矸石，而矸石大量運(yùn)輸?shù)降孛嫣幚韯t易造成地面環(huán)境污染與破壞。減少矸石產(chǎn)生量的關(guān)鍵所在是將各類巷道盡量設(shè)置于煤層中。大力推廣使用錨桿支護(hù)，做到精細(xì)化管理，形成應(yīng)力場(chǎng)研究計(jì)算技術(shù)以及煤巷錨桿支護(hù)理論，譬如沿空巷道維護(hù)方式與采動(dòng)后巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布及特殊層破裂斷開(kāi)和形成的結(jié)構(gòu)有關(guān)，其直接影響著支護(hù)參數(shù)的選取。矸石不出井不僅涉及煤巷維護(hù)問(wèn)題，而且隨著礦井延伸和開(kāi)采深度增加，巖石巷開(kāi)掘?qū)⒉豢杀苊?如水平運(yùn)輸石門延伸和井巷向深部延伸)，矸石出地面也就不可避免。應(yīng)考慮將矸石用于建筑材料、充填材料、或利用矸石發(fā)電等，變廢為寶。

煤炭氣化與液化。煤炭地下氣化與液化處理技術(shù)是一種整體優(yōu)化開(kāi)采技術(shù)。利用生物能、化學(xué)能等將地下煤炭通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)在原位將煤炭轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w或可流動(dòng)液體，利用管道將可燃?xì)怏w或可流動(dòng)液體抽至地面加以利用。這樣，可以減少工程，非井工開(kāi)采，消除污染，杜絕危害。煤炭地下氣化處理技術(shù)已在我國(guó)研究了10多年，也積累一定經(jīng)驗(yàn)，為今后發(fā)展煤炭地下氣化與液化技術(shù)打下了良好基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)投入實(shí)際使用至少還需要2O年的時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化開(kāi)采是一個(gè)新技術(shù)，將是我國(guó)煤炭行業(yè)未來(lái)發(fā)展的導(dǎo)向。煤礦企業(yè)都會(huì)向清潔型、可持續(xù)型、經(jīng)濟(jì)型發(fā)展。使瓦斯、煤矸、地下水作為資源綜合開(kāi)發(fā)利用；根據(jù)具體條件，形成充填開(kāi)采、離層注漿等保護(hù)技術(shù)，并進(jìn)行煤炭地下氣化或液化技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、效益相統(tǒng)一。

[1]劉同有.周成浦.金銘良.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用.2001.

[2]劉善來(lái),王靜煜.不同條件的煤礦井下開(kāi)采技術(shù).煤炭技術(shù)2006.