煤炭绿色减矸开采

第7-8期山西焦煤科技No.7-82008年8月Shanxi Coking Coal Science & TechnologyAug. 2008●试验研究●煤炭绿色减矸开采徐睿”周坤鹛谢亚涛(中国矿业大学矿业工程学院)摘要长期以来,我国煤炭开采中矸石直接出井,引起的污染问题越来越突出,极大地阻碍了环境与经济的协调发展。阐述了控制矸石出井,综合利用现用矸石,减少矸石对土地的占用,减轻环境污染的具体实施方案,具有巨大的社会效益和经济效益。关键词绿色减矸开采;围岩应力;煤巷;矸石处理;效益中图分类号:TD823.2文献标识码: B文章编号 :1672 - 0652(2008)07& 08 -0030 -041概述3绿色减矸开采方案矸石是煤矿在建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选3.1 煤层的分类过程中排出的含碳岩石及岩石等多种矿岩组成的混依据煤层的厚度可将煤体分为4类: 1)特厚煤合物,主要成分有残煤、碳质页岩、碳质泥岩、泥质页层。2)厚煤层。3)中厚煤层。4)薄煤层。依据煤岩及砂岩等。据统计",我国煤矸石每年的排放量层稳定情况可将煤层划分为4类:1)稳定煤层。2)约占当年煤炭产量的15% ~20%，目前全国累计堆较稳定煤层。3)不稳定煤层。4)极不稳定煤层。存45亿t,占地约1.5万hm',而且仍在逐年增长。.3.2 方案的实施.研石的堆积,占用大量土地,自燃排放的H2S,SO2,减少矸石排放,消除矸石山污染,主要有3种手N,0, ,CO等有害气体和烟尘引起大气污染;矸石中段2):1)煤巷代替岩巷。2)矸石井下处理。3)矸含有重金属离子,经雨水淋漓会污染土壤和水质,影石综合利用。响当地居民的身体健康。但是,矸石兼有煤岩石、化减矸开采必须要从“设计施工、生产、管理"4方工原料的性质。因此,矸石又是一种可利用资源,若面同时采取措施,既要减少矸石的采出，又要对采出能对其综合利用,不但能改善矿区环境,还能节约资后的矸石尽量井下处理,对井上现有的矸石和出井矸源，促进矿区的可持续发展,对于构建资源节约型、环石要采用新技术进行高效、大量的处理。境友好型社会起到积极的作用。3.2.1 煤巷2绿色减矸开 采的影响因素1)煤巷。1)自然因素包括煤体的分布地质条件、埋藏深多开煤巷,少掘岩巷,以煤巷代替岩巷是减少矸度,成型厚度,分布情况，物理力学性质,裂隙的发育石排放最重要 、最基本的方法。根据顶底板的不同，程度;区域岩层的构造性质,裂隙的发育程度,各项力可将煤巷分为厚煤层煤巷和薄煤层煤巷。学性能参数,关键层的分布等。a)厚煤层煤巷。2)人为因素包括人员素质、开采规模、采煤方-般厚煤层煤巷围岩全部或大部分为煤岩,而煤法、开拓方式、工作面尺寸、巷道布置,采空区的处理岩力学性能较差,大多属软岩,在深部高地应力作用，方式,当前矸石处理技术等。随时间斤帅山北當明日的洧亦佐性。有些大断面的中国煤化工TYHCNMHG①作者简介:徐睿男1986年出生 中国矿业大学矿业工程学院在读本科生 徐州2210082008年第7-8期徐睿等:煤炭绿色减矸开采●31.煤巷经过几个月的流变,会收敛成人都难以通过的硐水平构造应力组成。顶板岩层在水平应力作用下可穴,特别是底鼓变形,是煤巷流变破坏的最主要形式。能出现两种破坏形式:- -是,薄层页岩类岩层沿层面b)薄煤层煤巷。滑移;二是,厚层的砂岩类岩层以小角度或小断层产薄煤层煤巷顶底板-般为岩层。巷道受围岩岩生剪切,顶板失稳冒落。在厚煤层中,水平应力在煤性影响与厚煤层巷道相比较大,因此,在薄煤层中开巷两帮引起较大的拉应力,造成两帮破坏。由于构造掘煤巷就要根据顶、底板岩层的实际变形情况来决定应力具有明显的方向性,在构造应力影响较强烈的区所属的稳定类型,进而决定支护方式、支护对象、支护域,要重视煤巷布置方向,依靠调整巷道方向与构造强度。应力方向间的关系,减弱围岩的应力集中程度。2)煤巷围岩应力场。3)煤巷布置。a)煤体内掘进巷道引起的围岩应力。a)在时间和空间上尽量避开采掘活动的影响,煤巷掘进后原岩应力重新分布,围岩内出现应力最好将煤巷布置在应力降低区域内。集中,如果应力小于围岩强度,围岩仍处于弹性状态，b)选择稳定的煤层布置巷道。如果大于围岩强度,围岩会出现塑性变形,从巷道周c)煤巷通过地质构造带时,巷道轴向应尽量垂边向围岩深处扩展到- - 定范围,出现塑性变形区,为.直断层构造带或向、背斜构造。弹塑性介质,再向围岩深部，即为弹性区。各向等压d)煤巷的轴线方向尽可能与构造应力方向平情况下,圆形煤巷塑性区半径R和周边位移u的计行 ,避免与构造应力方向垂直。算式3):e)在工作面设计时,应尽可能把主要的服务年(R=ro[(P+C : cote)(1-sire)]一限长的煤巷方向设计与主地应力方向-致。p:+C●cotp4)煤巷控制原理。_Tosing x (P+C : couq)=(1 -sing)三根据煤巷围岩应力、强度之间的关系、选择合适(P:+C. coup)s的巷道布置及维护方式,降低煤岩应力、增强煤岩强式中:度,改善煤岩受力条件和赋存环境,有效地控制煤巷p-原岩应力;的变形、破坏。.P:一支护阻力;5)煤巷控制手段。r。一圆形巷道半径;煤巷在矿山压力作用下,有以下变形规律:φ-围岩的内摩擦角; .a)变形具有明显的时间效应,初始变形速度很C一围岩的黏聚力;大,变形趋于稳定后仍以较大速度产生流变,持续时G一围岩的剪切弹性模数。间较长。其中,R、u为煤巷锚杆支护初始设计的重要b)巷道多表现为环向受压,且为非对称性。顶参数。板变形易冒落,底板产生强烈底鼓,并引起两帮破坏、从式中可以看出,煤巷的周边位移随它所在位置，项板坍塌。的原岩应力的增大,呈指数函数关系迅速增长,指数c)变形随埋深增加而增大,存在一个软化临界的大小取决于p的变化,4值越小，指数越大,u值增深度,超过临界深度变形量急剧增加。长越迅速;煤巷的塑性区半径R和周边位移u随内d)巷道变形在不同的应力作用下,具有明显的摩擦角和黏聚力的减小，即围岩强度降低。方向性。b)构造应力引起的围岩应力。针对这些变形特征,有以下几种措施:构造应力主要集中在地质构造运动比较剧烈的中国煤化工地区,如褶曲区域、断层附近等,以水平应力为主,且:fYHCNMHG值相航道围岩深具有明显的方向性和区域性。水平应力是由煤岩层部转 移,巷道处于应力降低区,且卸压槽还为围岩变自重引起的水平力,岩层之间的摩擦力和黏聚力以及形提供了补偿空间,从而使巷道围岩变形量减小。.●32.山西焦煤科技2008 第7-8期(2)在巷道一侧布置卸压巷硐。将集中应力转d)注浆保护。移至远离巷道的承载煤柱上,仅有很小-部分应力作通过对围岩注浆,可以改善围岩赋存环境,将破;用在巷道周边的让压煤柱上,巷道处于应力降低碎围岩形成承载结构,从而提高岩体强度。区内。将注浆和锚杆结合起来,形成锚注支护,可明显(3)宽面掘巷卸压。用于薄煤层的巷道,巷道掘提高支护效果。徐州旗山煤矿东大巷锚注前后演示进时把巷道两侧6~8 m宽的煤采出,将矸石充填至物理力学性质变化见表1。两侧采出空间,充填体与巷道两侧流出1m的空隙，表1旗山煤矿 东大巷锚注前后砂质泥岩力学性质参数巷道掘出后,周边产生的集中应力转移至离巷道较远.力学性质参数未锚注段锚注段增长率/%的煤帮,巷道位于应力降低区内,煤帮与充填体之间单轴抗压强度/MPa29.869.734的空隙，作为煤体变形的补偿空间,对维护巷道稳定抗拉强度/MPa1.832.38粘聚力/MPa2. 8910.67270有较好的效果。| 内摩擦角/(°)26.936.837b)支架支护。弹性模量/MPa2. 35x100003.41x10000 45分部位,分时期,分步骤进行强支护。l 泊松比0.260.30(1)关键部位支护。煤巷的破坏是一个时间过程,往往是从一-个或几由表1可知,巷道锚注段两帮位移量仅为非锚注个部位开始变形、损伤,进而导致整个巷道损坏。因段的22% ~42% ,顶板下沉量为6% ~26%。此,及时对关键部位进行支护可取得事半功倍的3.2.2矸石井 下处理效果。1)煤岩分掘。(2)主动柔性支护。煤巷掘进时,如果煤层厚度小于巷道设计高度,在围岩刚进人塑性变形时，进行柔性支护,通过在掘进煤-岩巷时采用煤岩分掘、分运施工方式,使初撑力加大围岩的围压,提高围岩强度,可有效抑制煤矸分离,在提高煤质和煤炭回收率的同时,方便了直接顶离层;支架在允许围岩有限变形的同时,仍有矸石利用处理。足够的工作阻力控制围岩的变形;进行支架壁后充2)宽巷掘进。填,可改善支架受力状态和围岩赋存环境,提高支架煤巷掘进时,开掘煤层宽度大于巷道设计宽度，和围岩的承载能力。把宽出部分用矸石充填,就地及时利用掘出矸石,减(3)实行二次支护。少了排矸费用,消除了矸石污染,还可以给巷道卸压,当巷道围岩达到稳定前,变形量较大,延续时间防止煤层自然发火,提高煤炭回收率。较长,需要开巷后进行-一次支护。一次支护允许围岩3)矸石回填置换开采。.产生-定的变形，围岩变形和能量释放到一定程度将采煤所伴生的矸石通过设备回填到掘出的巷后,进行二次支护。二次支护应在初次支护尚未失道内, 实现利用矸石置换煤,矸石不出井,地表不效,围岩移动速度已经很小的适当时间进行。塌陷。c)锚杆支护。4)矸石构筑巷帮。(1)通过测量相关数据,计算出围岩的破碎区、在采空区利用矸石构筑巷帮作巷道支护,不仅塑性区的范围,进而确定锚杆的类型、支护的密度,计利用了矸石,还可回采护巷煤柱。算时可采用工程类比法、理论计算法或系统设计法。5)井下选煤。(2)结合地应力资料进行合理支护,提高锚杆支采掘工作面产出的毛煤中约有15%的矸石。井护的可靠性和准确度。下中国煤化工,并把选煤的所有(3)当使用单体锚杆不能有效控制围岩时,可采废弃MYHCNMH G用组合锚杆支护,如锚梁网支护,桁架锚杆支护,锚注6)矸石粉碎注浆。.支护等。破碎矸石经粉碎后,可用于注浆减沉或用于壁后2008年第7-8期徐睿等:煤炭绿色减矸开采.33.充填,也可以作为井下道路材料，现浇混凝土材料等。量少。7)采空区直接回填采空区。5)煤矸石生产农肥及改良土壤。3.2.3矸石综合利用a)煤矸石制备有机复合肥料。主要针对井上矸石,采取以下几种措施[4]。.b)利用煤矸石改良土壤。1)煤矸石复垦。利用煤矸石的酸碱性及其中含有的多种微量元可选植抗旱、耐盐碱、耐瘠薄的草坪植物进行素和营养成分,可将其用于改良土壤,调节土壤的酸复垦。碱度和疏松度,并可增加土壤的肥效。2)煤矸石作为工程填筑填料。6)冶炼硅铝铁合金。充填沟谷、采煤塌陷区、煤矿采空区及废弃矿井对于Fe0含量较高的煤研石，可采用直流矿热或填筑铁路、公路路基等。炉冶炼硅铝铁合金,应用煤矸石制取含铝产品是高附3)煤矸石作燃料。加值利用研石的一个重要途径。a)回收煤炭。7)利用煤矸石制取造纸涂料。煤矸石中的碳和其他可燃物可借现有的选煤技采用煤矸石制取造纸涂料,具有煤矸石利用量术进行回收，这也是煤矸石综合利用所必需的预处理大、利用彻底的特点，为煤矸石的资源化利用开辟了步骤。- -条新途径。b)煤矸石发电或煤矸石与煤泥混烧发电。4结语c)煤矸石制气。传统开采地面排矸产生的矸石山对环境的污染用煤矸石在回转式自动排渣煤气发生炉中可以与破坏严重。绿色减矸开采将从3个方面着手改变制取煤气或半水煤气。目前状况,既控制矸石出井,又对现有矸石综合利用，4)煤矸石生产建筑材料。从而减少矸石对土地的占用,减轻矿区的大气污染和a)煤矸石制砖。地下水的污染,并且回收有价值资源,有很强的实用b)煤矸石生产水泥。价值,具有显著的环境效益、经济效益和社会效益。煤矸石代黏土烧制硅酸盐水泥熟料。煤矸石主要选用洗矸，岩石类型以泥质岩石为主,砂岩含量尽收稿日期2008 -05 -23[1]钱鸣高 ,缪协兴,许家林.资源与环境协调(绿色)开采及其技术体系[J].采矿与安全工程学报,2006 ,23(1):1-5.[2] 钱鸣高,许家林 ,缪协兴煤矿绿色开采技术[].中国矿业大学学报,2003 ,32(4) :343 -347.[3]钱鸣高 ,石平五.矿山压力与岩层控制[ M].徐州:中国矿业大学出版社,003:194 -195.[4] 李桂芬.煤矸石综合利用[J].煤炭技术,2006(4) :16 -118.Reduction of Gangue in Green Mining CoalXu Rui Zhou Kunpeng Xie YataoAbstract For a long time , waste rock is directly raised from wells in our country. The problem of causing thecontamination concem is more and more prominent. This greatly hindered the environment and the coordinated eco-nomic development. Expounds the specific implementation plan , such as control gangue to raise from wells , compre-hensive utilization existing gangue ,reducing gangue occupancy land中国煤化Ilion,brings the significant social efficiency and the economic efficiency.TYHCNMH GKey words Reduction of gangue in green mining ;Rock stess;Coal roadway ;Gangue processing; Benefit