煤炭绿色保水开采

Serial No. 470EXPRESS INFORMATION总第470期June. 2008OF MINING INDUSTRY2008年6月第6期煤炭绿色保水开采徐睿谢亚涛周坤鹏(中国矿业大学矿业工程学院)摘要:论述了随着我国煤炭开采规模越来越大,引起的水资源破坏问题越来越突出,极大的阻碍了环境与社会经济的协调发展。指出煤炭绿色保水开采将会在不影响区域水文地质条件情况下采煤,可以很好地预防矿井突水等地质灾害,从而带来巨大的社会效益和潜在经济价值。依靠关键层理论、离层理论、裂隙发育规律、渗流规律、巷道矿压显现规律等基础理论支撑,进行了讨论。.关键词:绿色保水开采;地下水;关键层;裂隙中图分类号:TD821文献标识码:A 文章 编号:1009-5683 (2008 )06-0020-03Green Water-preserved Mining of CoalXu Rui Xie Yatao Zhou Kunpeng( School of Mining Engineering, China University of Mining and Technology)Abstract: With the increasing scale of China s coal mining, the problem of water resources destruc-tion caused by the mining is more and more obvious and it greatly hinders the coordinated development ofenvironment and social economy. W ater-preserved mining of coal will be conducted under the conditionthat it does not afet regional hydrogeologic conditions. It can prevent well mine from water bursting andother geological disasters. This brings about significant social benefits and potential economic value. Thediscussion is carried out by key statum theory, separation theory of rock layer, growth law of crack,transfusion rule and the appearance of the tunnel ore presses.Keywords :Green water-preserved mining; Ground water; Key stratum; Crack1概述而影响区域植被生长,甚至土地沙漠化。我国每年长期以来,我国煤炭开采一直是以牺牲矿区环采煤破坏地下水22亿m'。而同期南水北调工程的境为代价,在煤炭开采后,造成农田以及建筑物破调水量为448亿m2、总投资约5 000亿,此外,不少坏、村庄迁徙、矸石堆积如山,河川迳流量减少,部分矿井发生突水事故,造成经济损失。可见保水开采地区地下水水源干枯、土地沙漠化等矿区生态环境的经济效益、社会效益、生态效益是巨大的。严重破坏的问题。随着我国煤炭产量的不断增加，2绿色保水开 采的影响因素煤炭开采所带来的环境问题愈加突出,其中水资源(1)自然因素。包括水体的分布埋藏条件,含的破坏问题最为明显,也最为敏感,因为我国大部分水层力学性质、空隙性质以及水体物理化学成分;区矿区分布在中西部干旱半干旱地区。域煤层的地质构造,分布情况;区域岩层的构造性.煤矿开采过程中破坏了地下含水层的原始迳质,裂隙的发育程度,各项力学性能参数,关键层的流,大量排出地下水;采空区上方导水裂隙带与地下分布,隔水层的厚度等。水体贯通,形成大规模地下水降落漏斗,造成区域含(2)人为因素。包括人员素质、开采规模、采煤水层水位下降,直接影响到区域水文地质条件。采方法、开拓方式.工作面尺寸、采空区的处理及机械动影响稳定后产生的地表沉陷往往影响到地表水体中国煤化工(河流、湖泊、井泉等)的原来形态,造成部分沟泉水量减少甚至干涸;影响当地居民正常的生产生活,进MHCNMHG.1 水体时分类根据水体与煤体赋存的相对位置可将水体分为徐睿(1986-).男,河南许昌人,221008江苏省徐州市。三类:采区上方水体;采区平面水体;采区下方水体。20徐睿谢亚涛等:煤炭绿色保水开采2008年6月第6期其中根据水体运动状态又可将三类水体划分为静态剧烈发育,发育速度随关键层周期性破断而呈现跳水体和动态水体。跃性变化,而隔水层的位移受开采引起的结构关键3.2开采原则层位移规律的影响,进而影响隔水关键层的稳定性研究开采后岩层运动对岩体内形成空隙的影与完整性。因而,控制主关键层活动就是控制采动响,岩体中液体的渗流规律,为保水开采的发展提供裂隙发育,抑制主关键层离层的形成和发育。理论基础。煤层开采后引起的岩层变形-破断移动是造成主关键层最大挠度为:Y. =384EJ-(yh, +q,)L,一系列环境问题的根源。因此保水开采最根本在于EhyLi控制岩层移动,使岩层移动与水体分布规律相协调。主关键层下方岩层的最大挠度:(Ym.).=384EJ，在操作过程中要遵循“减沉与保水”同步设计、同步式中,q为加于主关键层上的载荷;yh,为主关键层实施、同步管理的原则。自身单位长度的载荷;Sh为主关键层下方岩层厚3.3 绿色保水开采的理论依据度;h为主关键层厚度;E、Ez为主关键层弹性模①关键层理论;②开采对岩层移动的影响以及数、主关键层下方岩层的平均弹性模数;J小J为主离层规律;③开采后底板岩体应力场分布规律及底关键层断面惯矩、关键层下方岩层的平均断面惯矩。板岩层控制技术;④开采后岩层内的节理裂隙分布显然,主关键层与关键层下方岩层之间不形成发育规律;⑤水在裂隙岩体中的渗流规律;⑥巷道矿离层的条件为:压显现规律。3.3.1关键层理论384E,J(yh1 +qn)4i>384E2J2 .“关键层”是指对采场上覆岩层局部或直至地若令q1 =yhs,且hs =ah, ,J ==bh',表的全部岩层活动起控制作用的岩层。关键层在岩层活动中起主要承载作用,并控制采动岩体破断后J=zb(Sh)3 ,则上式可改写为:”Eh E,(Sh)2的结构形态针对保水开采的情况,起主要作用的是隔水关键层,它可以在采区上方也可位于采区下方。.层、1+a假设采区上方水体在结构关键层的上方,或采区下方水体在结构关键层的下方,如果关键层采动后不相反,则主关键层与关键层下方岩层互相分离，破断,同时关键层有隔水作用,则就是隔水关键层;此时若下方没有足够的支撑力,则关键层下方岩层如果结构关键层采动后发生破断,但破断裂隙被软在采空区上呈离层状态,极不稳定,很容易形成推跨弱岩层或流沙所充填,最终重新压实,不形成渗流或型事故,也促进了裂隙的发育,甚至直接导致隔水关者突水通道,则结构关键层与软弱岩层组合形成复键层的断裂,造成水体的破坏。合隔水关键层。复合关键层形成的条件是最上层或.为了防止离层对水体的破坏,形成“条带煤柱者最下层必须是坚硬岩层。因此,隔水关键层有两.或充填体-.上覆岩层-主关键层采动裂隙(含离层)-种形式:隔水结构关键层,复合隔水关键层。其中，复合隔水关键层"结构体系,使岩层控制与保水同多数情况为复合隔水关键层。步。控制结构关键层的破坏和位移,通过控制结构3.3.2开采对岩层移动的影响以及离层规律关键层的位移来维持隔水关键层的稳定性与完整性煤层开采后必然引起煤体上方岩体向采空区内是可行的途径,有以下几种方法。移动。岩层移动将形成三带三区,其中垮落带裂隙(1)“采注采”三步法开采。充分利用覆岩结带统称为导水裂缝带,一旦与上方水体贯通,就会形构对岩层移动的控制作用,应用荷载置换原理,进行成大规模降水漏斗,因此要采取合理的开采布置,使小条带开采注浆充填固结采空区-剩余条带开采的隔水关键层位于弯曲下沉带以上,如果是浅埋煤层三步法开采,有效地对岩层移动控制。开采,就要在裂隙发育期及时进行充填,这样,采区中国煤化工充填量和充填范上方水体就会基本完整的保留下来。围仅R空区的局部或离其中,采区下方突水的情况岩层一般不会离层，0THCNMHG层区马目格wm1元坝，非後石大键层结构、充填体因此离层是导致采区上方水体流失的重要因素它及部分煤柱共同支撑覆岩控制岩层移动。按部分充影响关键层的稳定性,关键层的破断将导致裂隙的填的位置和时间不同,有采空区膏体条带充填.条带21总第470期矿业快报2008年6月第6期开采冒落区注浆充填等方法。采区下方水体保水开采,对含水层实行跨采。3.3.3顶板 破断后潜水流动规律煤层开采引起周围岩层应力重新分布,不仅在回采煤层开采后,随着上覆岩层中关键层的破断,裂空间周围煤体上造成应力集中,还向底板深部传递，隙会进一步发育,发展到隔水层后,潜水会首先在该在底板岩层--定范围内重新分布应力,成为影响底裂缝处向井下渗漏,并形成依此为中心的下降漏斗板含水层形态的重要因素。区域。随着工作面的不断推进,贯通裂隙的位置不底板岩层内任-一点的应力主要取决于.上部煤柱断向着工作面的推进方向发展，已产生的裂隙可能的载荷,该点与煤柱的垂直距离及该点与煤柱边缘随着塌陷区域的不断扩大而有所闭合。地下水位能或中心线的水平距离,具有以下规律性。否恢复,主要取决于随着工作面的推进,上覆岩层中(1)- 侧采空煤体及两侧采空.宽度较大的煤有无软弱岩层经重新压实导致裂隙闭合而形成隔水柱,作用于煤层上的支承压力影响深度约为1.5~带。若有隔水带,则随着雨水的再次补给,下降漏斗2B;两侧采空、宽度较小的煤柱,作用于煤柱上的支将随之消失,地下水位也随之恢复。而它对地面生承压力的影响深度约为3 ~4B(B为煤柱宽度)。态的影响则决定于漏斗形成与消失的时间间隔。(2)两侧采空宽度较小的煤柱,底板岩层内同在工作面的推进过程中，采区上方地下水主要- -水 平面上以煤柱中心线处最大。一侧采空煤体，有以下两个流失途径。底板岩层内同-水平面上最大值在煤体下方,距采(1)含水岩层初次断裂,潜水会沿着贯通裂隙空区边缘数米处，两侧已采宽度较大的煤柱下,底板渗漏到工作面。如我国西北部分地区(山西大同)岩层内同一水平面上以煤柱中心线处较小,靠近煤顶板为厚层坚硬岩层,表土层薄。煤层开采后顶板柱边缘出现峰值。破断裂缝从井下采空区贯穿地表,原有顶板含水层(3)无论在何种煤层载荷形式作用下,底板岩的水全部通过岩层裂缝漏失,造成区域地下水枯竭。层内应力分布都呈扩展状态。(2)随着工作面的不断推进,新的贯通裂隙不煤柱下方底板岩层一定范围内形成应力增高区断生成,在此贯通裂隙闭合以前,潜水也在不断的向外,位于煤柱附近的采空区下方底板岩层一-定范围工作面或采空区渗漏。在采空区内部的贯通裂隙随内形成应力降低区,采空区下方底板形成了拉伸破着工作面的不断前移在不同程度上有所闭合,渗漏裂区、剪切滑移区,在卸压区中拉伸破裂区、剪切滑裂隙的区域应该集中在其整个“贯通裂隙群”的最移区以下区域是保护水体的理想区域。外侧。在此称之为潜水渗漏的“关键区域”。要想因此，对底板岩层中存在水体的情况实施跨采,防治潜水的渗漏,必然要首先控制其“关键区域”，可使水体在 短时间处在压力升高区,而后长期处于即要首先考虑处理该区域的措施。压力降低区,从而达到保护水体的目的。在工作面影响保水防溃采煤问题的主要因素包括:采煤推进到水体附近时,要预先对水体周围底板岩层进方法.工作面尺寸、覆岩结构(塑性岩沉积位置.塑.行裂隙探测 ,必要时可以进行注浆密封,以增强底板性岩厚度、脆性岩厚度)、覆岩厚度及其力学性质和抗压强度。工作面推过后,水体就处于安全状态,这上覆含水层富水性等。所以,防止采区上方地下水就实现了底板下方存在水体的保水开采。流失从以下几个方面着手:①改变长壁开采的采煤3.3.5采区 平面水体保水开采方法,采用房柱式采煤法或改变工作面的尺寸,或对在这种情况下,主要措施是设计防水煤岩柱。该采煤法进行局部的调整,如改变其推进方向或工巷间岩柱的稳定性理论是设计巷间防水煤岩柱距离作面的布置方式;②采用充填采空区的办法,防止隔的理论依据,巷间岩柱的稳定性主要取决于岩柱的水层的破断;③对潜水渗漏的“关键区域”采取相关载荷和岩柱强度。当岩柱所承受的载荷超过其承载的措施如进行注浆充填,使其渗漏能力降低。我国能力时,岩柱是不稳定的。反之,则是稳定的。计算西北部分地区(山西大同)顶板为厚层坚硬岩层,表岩柱载荷的理论有压力拱理论,有限区域理论和土层薄,由于贯通地表的破断裂缝难以闭合,地表降Wi中国煤化工组成岩性的岩体强雨通过裂缝渗人井下采空区,原有顶板含水层无法.度JHCNMHG特征决定。已为大恢复。只有对岩层裂缝进行人工注浆封闭、阻断地量现吻员件/独证的红独公瓦有Obert-Dwvall/ wang表雨水渗漏,逐步恢复原有含水层。(1967)公式:(下转第32页)3.3.4采动引起的底 板岩层应力分布2总第470期矿业快报2008年6月第6期尾矿,可以得到含钨42. 10%的白钨精矿,钨的回收高。生产中加强脱泥作业,对于畅通流程,优化作业率可达61.92%。条件,取得好的选别指标十分重要。表4钨粗精矿重选精选试验结果给矿药剂用话: 8/t 甌旷产品产率钨品位钨回收率O群矿-0. 071um占61.5%精选条件/% 7% /%.2°油20硫精矿25.40 0.073 8.9钨精矿0.16 42.80 33.13丁黄402°油20中18.49 0.78 32.04播床冲程:8mm中26.24 0.267.8NaCO, 2000冲次:340min”I水玻璃20000中30.75 0.45 . 1.63731:汕酸10:10再磨80.0% -0.074mm硫精矿中4 0.89 0.80 3.46水玻聃1000浮尾58.07 0.046 12.92731:汕酸50: 50给矿100.00 0.21 100.00尼表5钨粗精矿精选闭路试验结果(%)振床相选产品产率钨品位钨回收率再映25.620.0597.41-0.071m(占80. 0%钨精矿0.3042. 1061.92|提床浮尾58.360.05616.02重尾15.7214.64摇床精选重民100.000.203结语(1)该铅锌尾矿经过多年的堆存及风化、氧化、图4闭路试验流程钝化作用,性质变得十分复杂,使该尾矿中的二次资参考文献:源回收困难。(2)该尾矿钨资源通过浮选粗选富集,精选在[1] 程琼,徐晓萍,曾庆军等.江西某白钨粗精矿加温精逸试验研究[J].矿产综合利用,2007(4):3 ~6.采用浮选效果差的情况下改用摇床选别分离,可以2] 廖德华,李晓波.从浮选尾矿中综合回收钼和白钨的试验研究得到WO,品位为42.10% ,钨的回收率为61. 92%[J].矿业快报,007(7):25 -26. .的较好的选别指标。(收稿日期2008-02-26)(3)长年的风化、氧化,致使该铅锌尾矿含泥很整个绿色开采体系中极为重要的部分。通过绿色开(.上接第22页)R=R.0.78+0.222B)，采理论指导煤炭生产,合理处理经济与环境的关系,式中,R为岩柱强度,MPa;R.为岩柱临界单轴抗压使煤矿得到绿色协调健康发展,有着极大的使用价强度,MPa;h为岩柱高度,m。值,可以创造出显著的社会效益、环境效益、经济效Bieniawski( 1968)公式:益,特别适合于水资源相对短缺的中西部矿区。R=R(0.778 +0.222号)，式中,R.,为临界尺寸岩柱的强度,MPa。[1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大试验结果表明,当岩柱的宽高比B/h大于5学出版社,2003.时,岩柱强度将随B/h的增加而明显增大;当B/h[2] 缪协兴,刘卫群,陈占清.采动岩体渗漉理论[M].北京:科学出版社2004.大于10时,一般情况下不易破坏。因此,防水煤岩[3] 钱呜高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大柱的B/h>10,再用安全系数加以修正(安全系数根学学报,2003 ,32(4):343 ~347.据各个矿区的岩柱参数进行确定)。4结语中国煤化工煤炭开采过程中会引起地下水资源的大量流sijY出C N M H GM].徐州:中国矿业大学出版杜,2000.失,严重地影响了矿区的生态发展。绿色保水开采(收稿日期2008-01-23)是解决煤炭生产中水资源破坏问题的根本方法,是32