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礦山開采防沉降及綠色開采技術要點研究

發布日期:2019-09-23  瀏覽次數:206
 一、我國礦山開采現狀 
  長期以來,炭大規模的開發和利用主要沿用傳統的、粗放型的生產經營方式,造成大量污染物的產生和排放,引發許多環境污染和生態環境破壞問題。然而,由于長期以來煤礦礦山追求短期的經濟效益,對礦山的環境保護問題重視不夠,造成了嚴重的環境污染,特別是在煤炭行業不景氣的時候,煤礦更是沒有精力顧及環境保護,加之管理監督不善,使煤礦環境狀況更加惡化。尤其是過度及不合理地開采與開發,已對礦山及其周圍環境造成了嚴重的污染并誘發出了多種環境地質災害。由于露天礦和井下礦煤炭的開采,煤礦每年從地表或地表深處開采出大量的煤炭和巖石,這不但會造成地面塌陷,還有可能破壞地球表層的地質構造,誘發山體滑坡、泥石流、崩塌等地質災害,此外,地面塌陷不僅導致土地資源劣化,而且破壞了土地原有的水循環系統,嚴重的會造成土地荒漠化。煤炭開采的同時排出大量的煤矸石,由于煤矸石的堆積,占用大片的土地,使地形地貌發生改變,遭到破壞,影響生態平衡。 
  二、運用土地復墾技術和建筑物抗采動變形技術,對開采沉陷破壞的土地進行整治和利用 
  1、全部充填開采 
  在煤炭采出后頂板尚未冒落之前,用固體材料對采空區進行密實充填,使頂板巖層僅產生少量下沉,以減少地表的下沉和變形,達到保護地面建、構筑物或農田的目的。其中水沙充填是充填采煤法中減少地表下沉效果作好的方法,其次是風力充填和矸石自溜充填。但充填采礦法需要專門的充填設備和設施,還需要有充足的充填材料。礦井初期投資大,噸煤成本相應的增加。 
  2、條帶開采 
  根據煤層和上覆巖層組合條件,按一定的采留比,在被開采的煤層中采出一條,保留一條。由于條帶開采僅是部分地采出地下煤炭資源,保留了一部分煤炭以煤柱形支撐上覆巖層。從而減少覆巖移動,控制地表的移動和變形,實現對地面建、構筑物的保護。但該方法采出率低、巷道掘進多,工作面效率低。 
  3、覆巖離層帶充填 
  根據采空區上方覆巖移動形成三帶的巖移特性,在煤炭采出后一定時間間隔內,用鉆孔往離層帶空間高壓注漿,充填,加固離層帶空間,將采動的砌體梁結構加固為穩定性較好的連續梁結構,使離層帶的下沉空間不再向地表傳遞,以減少或減緩地表下沉,保護地面建、構筑物或農田。但該技術難度大,再近一步研究。 
  4、限厚開采 
  根據礦區地形、水文地質條件和建、構筑物抗變形能力,以不產生地表積水和滿足建筑物所要求的保護等級為依據,確定可開采的煤層厚度,開采是僅回采這一厚度的煤,其余各煤層均不開采,以實現減少下沉保護地面建、構筑物及土地的目的。但該技術采出率低,僅在薄煤層中應用有一定的使用價值。 
   5、協調開采 
  厚煤層分層開采時,合理設計各工作面的開采間距,相互位置與開采順序,使開采一個煤層(工作面)所產生的地表變形和開采另一個煤層(工作面)所產生的地表變形相互抵消或抵消一部分,以減少采動引起的地表變形,保護地面建、構筑物。但該技術要保持一定的錯距,因此組織生產難度較大。我國尚未開展這種工業性實驗。 
  6、“采-注-采“三步法開采 
  充分利用覆巖結構對巖層移動的控制作用,應用荷載置換的原理,進行小條帶開采-注漿充填固結采空區-剩余條帶開采的三步法開采,有效的對巖層移動和地表沉陷的控制,解決了大面積開采地表沉陷控制、提高了煤炭的回采率,保護了地面建、構筑物,但也存在工藝復雜,成本較大等缺點。 
  三、實際施工中應該注意的幾個技術要點 
  1、利用廢石或尾礦及時充填處理空區 
  采用井下開采的廢石或尾礦作為充填料,對采空區進行處理。廢石層的厚度要滿足沖擊氣浪緩沖層厚度的要求。大量的工程實踐證明,采用充填處理采空區是控制采空區穩定性最好的方法。該方法為該礦采空區處理的首選方案。 
   2、嚴格采用所選用的淺孔留礦采礦法的采場結構參數,留足和維護好足夠尺寸的頂柱與間柱,堅持合理的開采順序,并且合理確定巷道斷面形狀和大小。 
  3、根據井巷和采場所處的圍巖穩固程度,對井巷與頂柱采取錨桿支護等措施,特別是采空區的跨度大于10 m后的頂柱,一是采用錨桿加固,二是在其下部應留足對其的支撐礦柱。 
  四、幾種綠色開采技術研究 
  1、煤與瓦斯共采技術 
   煤與瓦斯共采技術充分利用采煤過程中巖層移動以及破壞對瓦斯的卸壓作用提高瓦斯的抽采率,在煤層開采時形成采煤和抽采瓦斯兩個完整的開采系統,即形成“煤與瓦斯共采”技術。實踐表明,一旦采掘活動引起巖層的移動,則會使滲透率很低煤層的滲透率增加數十倍,從而為瓦斯的運移和涌出創造條件,有利于瓦斯的抽采,而且抽采出的瓦斯作為一種潔凈能源,被廣泛地應用在工業各個領域。中國70% 以上煤層的滲透率小于10-3μm2,這對中國開展煤層瓦斯采前預抽是極為不利的,以袁亮院士為代表的科研項目組,提出的快速留巷Y 型通風方式對卸壓瓦斯的抽采,實現了煤與瓦斯的共采技術,在克服低滲透性瓦斯難抽采現狀的同時,降低了瓦斯的安全隱患,改善了礦工的作業環境。實現煤與瓦斯的共采技術關鍵是提高煤層的透氣性以及抽采工藝的優化,以節理裂隙分布規律和煤層卸壓對瓦斯運移規律為理論基礎,加強煤與瓦斯共采技術的創新。尤其針對全國的高瓦斯煤層,需要在實踐中不斷進行技術創新,增強煤層滲透率,提高瓦斯抽采率,加強煤與瓦斯共采技術的研究,爭取最大限度地推廣該技術的應用。 
  2、充填開采技術 
   充填綠色開采技術為解決“三下”壓煤問題、矸石山問題、地面沉降問題以及采空區瓦斯問題提供了有效的解決途徑。充填開采是將煤矸石、粉煤灰以及河砂等充填材料用于充填采空區,從而提高資源的利用率、控制地面沉降與塌陷,同時還可以消耗地面的固體廢棄物、建筑垃圾,降低對環境污染的綠色采煤技術。目前主要的充填方法按照充填材料的不同可分為水砂充填、矸石充填和膏體充填。水砂充填技術20 世紀80 年代起在中國開始應用,技術已經十分成熟,但水砂充填工藝復雜、設備投資大、充填系統復雜,難以實現大規模的應用,已經被逐漸淘汰。矸石充填可以減少礦井矸石山的堆放,提高回采率,減少對環境的污染,充填效果好,但是矸石充填會增加噸煤成本,大面積推廣需要大量的矸石。膏體充填是將固體廢棄物按照一定的比例配制成無需脫水的類似牙膏的膏狀漿體,通過重力或泵壓的作用,經過管道輸送進行采空區的充填。該膏體具有流動性好、凝結時間短、凝結后強度高等特點,并在山東太平礦、河南煤業的九里山礦等礦區得到了應用。上述充填技術為解決“三下”壓煤和環境污染問題起到了積極的作用,在技術上仍需不斷完善、創新,在推廣應用上需要繼續推進,對節約資源、保護環境具有重要意義。 
  3、煤巷支護 
  煤巷支護是煤礦設備產能發揮的重要保證。隨著我國煤礦開采逐步轉入深部,以大采深、高應力、軟弱破碎圍巖和快速成巷為特征的動壓巷道支護技術成為今后的研究熱點。部分矸石井下處理工藝為巷充法,即通過沿空留巷和在條帶煤柱內開掘矸石充填巷等方式,一定程度上實現了無煤柱開采,提高了礦井回采率。較為突出的技術成果為2002 年3 月冀中能源邢東煤礦可調向、升降與變速矸石充 填 機的研制與應用。目前,具有相同功能的充填設備在 棗莊礦集團田陳礦、蔣莊礦和新礦集團 鄂 莊礦有所應用。山東盛泉礦業有限公司在高檔普采工作面應用該技術是其應用領域的又一擴展。 
  4、煤炭地下氣化技術 
  煤炭的地下氣化是將煤炭通過熱化學反應在原地轉化為可燃氣體,而不用將其采出地面的綠色開采技術。該技術不僅減輕了礦工的勞動強度,而且降低了煤炭開采及煤炭燃燒對生態環境的破壞。但是該技術還不夠成熟,還存在可燃氣體熱值不高,氣化燃燒產生的致癌物質苯和酚對人體和環境造成危害等相關問題,因此,必須進一步研究和探討相關問題,使煤炭氣化技術日趨成熟。 
  5、煤巷支護與矸石處理 
  煤巷支護對于實現煤礦的高效產能發揮重要作用,減少矸石量,就需要以煤巷取代巖巷,同時隨著開采深度的增加,以高應力、快速成巷和軟弱破碎圍巖為特征動壓巷道支護將成為研究的熱點,需要研發各種高效的煤巷支護技術。在煤礦的采掘過程中,巖石巷道的開掘不可避免,就需要矸石的井下處理系統,通過沿空留巷和在條帶煤柱內開掘矸石充填巷的方式實現無煤柱開采,從而實現煤礦的綠色開采。 
  結束語 
  開采沉陷對土地資源的影響和破壞是難以避免的,所以各個煤礦應該應用根據自己的實際情況和條件合理應用防止和控制開采沉陷技術和土地復墾技術,礦區生態復墾技術等多學科知識,對地表塌陷進行綜合治理和開發利用,才能更好地保護地表、礦區的環境、農民的利益。 

 
關鍵詞: 采礦
 
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