矿区绿色开采技术课件.ppt
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1、矿区绿色开采技术 1、绪论 2、保水开采技术 3、土地与建筑物保护技术 4、煤与瓦斯协调开采技术 5、洁净开采技术 6、煤层地下气化技术 7、矿区废弃地生态修复技术 8、绿色开采的发展前景,矿区绿色开采技术,1 绪 论1.1 善待地球从节约资源做起 2007年4月22日是第38个“世界地球日”,宣传主题为:“善待地球从节约资源做起”。重点落实以人为本,全面、协调、可持续的科学发展观,树立善待地球人人有责,从自身工作做起的全民意识,构建社会主义和谐社会。努力实现人口、资源、环境相协调,促进经济又好又快发展。 我们需要保护的资源:保护土地资源、矿产资源、水资源、海洋资源、生物资源等自然资源。自然资
2、源是人类赖以生存的基本条件,是人类赖以生存和经济社会不断发展的物质基础。在上世纪70年代,“罗马俱乐部”的报告就告戒世人,世界的资源将无法应付人类的消耗。近30年人类就已经消耗了地球上1/3的可用资源。,1 绪 论,对煤炭绿色开采与环境保护的认识 (1)环境是一种资源-自然环境是亿万年来自然力作用的结果.破坏后很长时间得不到恢复,因而具有不可逆性。矿产资源与土地、水、植被等环境要素紧密相关。大规模地采矿将直接构成对亿万年来自然力作用形成环境的威胁和破坏。 (2)环境容量-环境通过各种各样过程转化人类生产和消费产生废弃物的能力称为环境的自净能力。 (3)根据矿产资源开发的正负价值两面性。应遵循自
3、然规律,尊重自然意志,在人类向自然索取的同时,时刻不忘回馈自然和养护自然,从而在人类和自然之间建立起复合的生态平衡机制。 (4)开采后的岩体运动造成应力的再分布和能量集中,导致环境破坏,因此研究开采后岩层运动规律是实现绿色开采和保护矿区环境的基础。 (5)实现既能最大限度的采出煤炭而又保证安全和保护环境的开采技术-科学采矿。形成矿区环境容量和环境评价体系等计算方法。,对煤炭绿色开采与环境保护的认识,1.2 煤炭开采对环境的影响及其表现形式 煤炭开采过程中产生的有毒有害气体对水资源、土地和空气都造成了不同程度的污染破坏,其主要表现形式:,1)煤矿开采对水资源的破坏 对水资源的破坏主要表现在两个方
4、面。一方面导致地下水位的大幅度下降,水源枯竭,地表植被干枯,自然景观破坏,农业产量下降,严重时可引起地表土壤沙化。另一方面开采造成地表及地下水污染。图为保德县煤矿开采采空区沉陷引起的严重水土流失 。,煤矿采空区沉陷引起的严重水土流失,1.2 煤炭开采对环境的影响及其表现形式 1)煤矿开采对水,2)煤矿开采造成土地资源的破坏 煤炭开采对土地资源的破坏损害,井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主,而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。,露天矿采场,采空区沉陷引起土地破坏,2)煤矿开采造成土地资源的破坏露天矿采场 采,3)产生大量有毒有害气体 地下矿层中赋存的大量有毒有害气体,如CH4、CO、CO2
5、、SO、SO2、H2S等。由于开采,经矿井通风风流并携带大量粉尘排至大气。,3)产生大量有毒有害气体,露天矿采场治理后,露天矿采场,1.3 矿区生态治理与修复 矿山环境问题一直受到国际社会的广泛关注和重视。矿区生态治理与修复是当今世界采矿业发展的必然要求,是世界各国环境与发展中必然涉及的重要课题。矿区生态治理与修复包括土地复垦、废弃地治理与利用和植被修复等3个方面。目前我国复垦利用的土地还不到被破坏土地的1%。而欧洲、北美等发展中国家矿山土地复垦率已超过50%,苏联、美国、捷克土地复垦率高达75%以上。在国外,矿山复垦是采矿业的一部分,采矿结束,复垦完毕,才能闭坑。,露天矿采场治理后 露天矿采
6、场 1.3 矿区生态治理与修复,1.4 绿色开采重要意义和技术体系 “资源开采-环境保护-矿区可持续发展”的平衡关系,是我国21世纪资源开发的全局性课题。其核心内容之一就是要实现“绿色开采”。“绿色开采”重大意义在于: (1)绿色开采要求开采技术水平提升。我国煤炭行业整体技术水平较低,长期走的是粗放型发展路子,生产集约化程度很低。绿色开采必然要求多层面、多角度的技术创新。 (2)绿色开采要求系统高效利用产品。绿色开采要求从广义资源的角度看待矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气、土地、煤矸石以及在煤层附近的其他矿床等可用资源,在追求最佳经济效益和社会效益的同时,尽可能减少对环境的负面影响。 (3)绿
7、色开采要求全面评价企业效益,综合考虑生态环境。绿色开采以生态大系统的观念来看待、评价企业的经济活动,实现生态大系统的可持续发展。这自然要求企业在追求自身经济效益的同时,要全面考虑社会效益与环境效益。 绿色开采的技术体系如下图所示,1.4 绿色开采重要意义和技术体系,煤炭资源绿色开采技术体系,2 保水开采技术 1)科学问题 开采引起大范围岩层移动所形成的裂隙场的形态及其对地下水系渗漏、流动和对水资源和环境、生态等带来的影响。 我国水资源分布很不均衡,且水资源与煤炭资源成逆向分布。大概有70%的矿区缺水,大量使用地表水和地下水将对当地生态产生严重影响。对于缺水地区,保护水资源将是煤炭开发与生产中的
8、关键问题。 我国平均开采1吨煤要破坏近1吨水,据报道,山西省每采1吨煤要破坏2.5吨水,我国最高可达近10吨。在一些地区可以进行河湖海下采煤,显然这些地区开采对水文地质影响不大;在一些地区(如我国东部)开采后地面形成水洼,说明上覆岩层隔水良好;在一些地区(如我国中西部)开采后地面形成塌陷,但并不积水。此时就有可能造成水文地质的改变,甚至地下水的流失。而且影响植被和荒漠化。,2 保水开采技术,保水开采技术和矿井水循环使用技术 2)保水开采技术 (1)防治水 探、排、截、堵 保水开采方法,最有利的方法,截、堵。 * 减小导水裂隙带高度的开采方法(充填、条带) * 以底板加固为主导技术的保水开采技术
9、 中国矿业大学张东升等提出一种浅埋煤层长壁工作面保水开采方法,适用于浅埋煤层的安全生产和水资源保护;陕北榆阳区沙炭湾煤矿的保水采煤方案,通过分析其条带开采方案技术参数的合理性,并应用东北大学RFPA2D数值试验程序模拟了不同采留比的条带开采设计中,围岩破坏的力学过程,提出了在浅部煤层实施条带保水采煤的条带开采技术参数。,保水开采技术和矿井水循环使用技术,(2)矿井水的合理利用及循环使用技术 矿井水一般采用物理和化学方法进行处理。物理方法主要是过滤法和自然沉降法;化学处理方法主要是混凝法。矿井水经处理后应本着先生产后生活、先井下后井上的原则优先供给井下。,神东矿区水循环模式:采用井下水采空区矸石
10、过滤专利技术,实现了井下水循环复用。,(2)矿井水的合理利用及循环使用技术,3 建筑物与土地保护技术3.1 煤矿开采对土地与建筑物的破坏分析,1)煤矿开采引起地面下沉分析 地下煤层开采后,覆岩的原始平衡受到破坏,在应力的作用下,岩层经一系列的移动、变形与破坏,直至达到新的平衡,这一过程称岩层移动。岩层移动稳定后,一般可形成三个不同的开采影响带,分别称其为垮落带、裂缝带和弯曲带。,3 建筑物与土地保护技术1)煤矿开采引起地面下沉分析图3-,当采煤工作面采完,地表移动稳定后,在采空区上方地表形成沉陷的区域,称为最终移动盆地或最终下沉盆地。形成过程如图3-2所示。 岩层移动发展到地表后,随采空区面积
11、增大,移动盆地的面积及地表最大下沉值也增大,地表的采动影响分为非充分采动、充分采动(此时的采空区面积称临界开采面积)和超充分采动。,当采煤工作面采完,地表移动稳定后,在采空区上,2)由下沉引起建筑物的破坏 地表的均匀下沉,仅在超临界面积开采时才可能出现。一般地说,在这种条件下对建筑物危害不大。处于地表移动稳定后均匀下沉区的建筑物,在开采过程中,还将受到地表“动态”变形的影响,即建筑物先受地表拉伸(正曲率)变形影响(图3-3中的1位置),随着工作面的推进,建筑物受地表压缩变形影响(图3-3的2位置)。当工作面推离建筑物的距离大于0.6H(H是开采深度)时,建筑物又恢复原状(图3-3的3位置),结
12、果只是产生整体垂直位移。,2)由下沉引起建筑物的破坏图3-3 井下回采时地表移动和建,3)由倾斜引起的建筑物破坏 地表的倾斜往往发生在移动盆地边缘区,位于拐点处的地表倾斜最大,其位置大致在煤壁上方。地表倾斜能使排水系统改变坡度。倾斜对铁路、公路来说也同样有危害,尤其是对铁路线。它有一定的限制坡度。 地表的倾斜对底面积小、高度大的建筑物或构筑物,如烟囱、水塔、高压输电线铁塔等影响较大。地表的倾斜能使这些高耸构筑物重心发生偏斜,引起应力重新分配。倾斜大时,构筑物的重心落在基础底面积之外会使其发生折断或倾倒。4)由曲率引起建筑物的破坏 地表曲率有正、负曲率之分。当建筑物受正或负曲率影响时,其破坏特征
13、如图3-4a、b所示。,3)由倾斜引起的建筑物破坏,5)由水平变形引起建筑物的破坏 地表的拉伸和压缩称为水平变形。它对建筑物的破坏作用很大,尤其是拉伸的影响,由于建筑物抵抗拉伸能力远小于抵抗压缩的能力,所以在较小的地表拉伸下就能使建筑物产生裂缝。一般在门窗洞口的薄弱部位易产生裂缝,砖砌体的结合缝亦易被拉开(图3-4c)。,地表压缩变形对建筑物的破坏主要是使门窗洞口挤成菱形,砖砌体墙产生水平裂缝(图3-4d),纵墙或围墙产生褶曲或屋顶鼓起(图3-4e)。 建筑物的破坏程度与其结构、材料、形状和施工质量等有关,建筑物的刚度和平面尺寸是主要因素。较大的破坏现象见图3-5(破坏现象),5)由水平变形引
14、起建筑物的破坏 地表压缩变形对,3.2 保护土地及建筑物的开采技术,1)充填开采 地表下沉与开采厚度有十分密切的关系,开采厚度越大,地表的最大下沉值也越大。采用全部冒落法管理顶板时,地表的下沉可达采高60%-80%。而用水砂充填法管理顶板时,最大下沉值为采高的8%-20%。充填采煤法的地表沉陷控制效果取决于采空区的充填程度,地表下沉系数一般为0.02(密实水砂充填)到0.6(矸石风力充填)。,图3-6 系统充填示意图,3.2 保护土地及建筑物的开采技术1)充填开采图3-6,图3-7 充填采煤工作面布置示意图,2)条带开采 条带开采是目前国内建筑物下采煤地表沉陷控制的主要技术途径,应用最为广泛。
15、条带开采的原理是把要开采的煤层划分成比较正规的条带进行开采,采一条,留一条,利用保留的条带煤柱支撑上覆岩层,从而减少覆岩沉,陷,控制地表的移动和变形,达到地面保护目的。图3-8为某煤矿条带开采平面图。我国自抚顺胜利矿1967年利用充填条带法进行市区下采煤以来,已先后在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山、徐州等多个矿区进行了条带开采的试验与实践。,2)条带开采陷,控制地表的移动和变形,达到地面保护目的。图3,国外条带开采情况与国内大体相当,波兰在城市下采煤时大多采用水砂充填条带,其它国家大多采用冒落条带。条带开采控制地表沉陷最大的缺点是煤炭永久损失率较高,这是制约条带开采大规模用于地表沉陷控制
16、的主要瓶颈。3)分层开采 对于缓斜及倾斜厚煤层,采用倾斜分层采煤法,分层分采方案,可以减少地表一次下沉对地面建筑物的影响,分层开采时要控制每一分层的开采厚度,使其在开采时所造成的地表变形不超过允许地表变形值。,国外条带开采情况与国内大体相当,波兰在城市下采煤时大多采用水,4)限厚开采 以不产生地表积水和满足建筑物所要求的保护等级为依据,确定可开采的煤层厚度,仅回采这一厚度的煤,以实现减少下沉保护地面建筑物及土地的目的。5)“采-注-采”三步法和“采-注-跳采”三步法开采 “采-注-采”三步法开采(图3-10),即“小条带开采-注浆充填采空区-剩余条带开采”,布置条带式工作面跳跃式开采,注浆充填
17、和加固采空区破裂岩体恢复承载能力,利用覆岩结构对上覆岩层移动的控制。,“采-注-跳采”三步法是在“采-注-采”三步法的基础上提出的,其基本内涵是将开采区布置成类似于条带式的宽、窄条带相间的工作面。6)覆岩离层注浆 覆岩离层注浆就是通过地面钻孔向采空区上方覆岩中的离层带高压注入液体充填材料,控制覆岩下沉,控制地表沉降。,4)限厚开采 “采-注-跳采”三步法是在“采,4 煤与瓦斯协调开采技术 低透气性瓦斯是吸附在煤炭上难于采集、资源密集度低的伴生资源。利用必然要进行的井下工程,先采瓦斯而后采煤以及利用岩层受采动形成的裂隙场采集释放的瓦斯是最经济而有效的办法。对瓦斯的认识过程如下:瓦斯是灾害煤矿重大
18、灾难源是瓦斯,因此对瓦斯的定义是:矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。瓦斯是能源1m3瓦斯的发热量为35.6MJ,相当于1.2Kg标煤,可发电3-3.5Kwh.。在我国陆上烟煤和无烟煤田中,埋深在300-2000米范围内的资源有31.46万亿m3,相当于天然气储量。,4 煤与瓦斯协调开采技术,4.1 我国煤层气开发利用现状,我国是世界上煤层瓦斯资源储量巨大的国家之一。据2006年国土资源部油气中心对全国煤层气资源评价结果,我国煤层气资源量居世界第三位,与我国陆上天然气资源量相当,资源量36.81万亿m3,可采资源量10.86万亿m3。,低透气性瓦斯是吸附在煤炭上难于采集、资源密集度低
19、的伴生能源-瓦斯不同于天然气,大部分吸附于煤炭(80-90%), 游离瓦斯仅占5-12%。大部分煤层透气性低很难抽离。以瓦斯含量20m/t煤计,相当于1000Kg中含有24Kg标煤。,4.1 我国煤层气开发利用现状 我国是世界上,4.2 我国煤层气赋存的特征1)渗透率问题 我国煤层渗透率较低,平均在0.00216.17毫达西。比美国的San Juan盆地和Black Warrior盆地低3-4个数量级。2)煤层瓦斯压力问题 我国煤层瓦斯压力梯度大小变化幅度很大,最低值为1.2kPa/m(抚顺),最大值为13.4kPa/m(天府),但大部分属于低压瓦斯。煤层瓦斯压力低影响煤层气产率,不利于瓦斯抽
20、采。但是,还是要进行这方面的开采,需要研究,解决这方面的问题。,4.2 我国煤层气赋存的特征,4.3 煤与瓦斯协调开采技术1)瓦斯抽采技术体系 瓦斯抽采分为地面钻井抽采和井下抽采两大类,如图4-8、4-9所示。按煤层气开采方法、卸压瓦斯的来源及卸压瓦斯抽采方法的不同,构建了“煤与煤层气共采”技术体系图,如图4-10所示。,4.3 煤与瓦斯协调开采技术图4-8 地面煤与瓦斯协调开,图4-10 煤与瓦斯协调开采技术体系 提高瓦斯采出率;降,2)瓦斯抽采现状 我国煤矿井下的瓦斯抽采始于20世纪50年代,其中抚顺、阳泉是抽采量最大的矿区。2005年瓦斯抽采量23亿 m3,平均利用率达40左右。2005
21、年抽采量超过1亿m3的矿区有阳泉、晋城、淮南、松藻、盘江、水城和抚顺等7个矿区。 目前中国煤层气产能 晋城煤业集团蓝焰公司:1530万m3 /d 中联煤层气有限责任公司:1015万m3 /d 辽宁阜新矿业集团:3万m3 /d3)井下瓦斯抽采技术 由于我国煤层气低渗透率的特点,利用煤层开采引起岩层的移动破坏增大煤层渗透性,在采煤的同时高效抽采卸压瓦斯,是我国煤层气开采的主要途径。,2)瓦斯抽采现状,4)地面钻井瓦斯抽采技术 煤层气地面开采技术主要包括钻井、完井、采气和地面集气处理生产系统。有两种开采情况,一是在没有采煤作业的煤田内开采煤层气;二是在生产矿区内开采煤层气。图4-11为晋城寺河矿井地
22、面瓦斯抽采系统 。,图4-11 寺河矿井地面瓦斯抽采系统,地面瓦斯抽采钻井现场,4)地面钻井瓦斯抽采技术图4-11 寺河矿井地面瓦斯抽采,4.4 瓦斯综合利用瓦斯主要的利用途径,(1)民用燃气 (2)燃气锅炉 (3)瓦斯发电(4)生产化工 产品,4.4 瓦斯综合利用煤层气燃气轮机煤层气锅炉煤层气煤泥烘,淮南矿业集团瓦斯发电厂,澳大利亚Appin Colliery瓦斯发电厂,装机容量为51MW,矿井回风流中的瓦斯平均浓度为0.7,占电厂瓦斯用量的7,其余瓦斯来自采空区瓦斯抽采。,淮南矿业集团瓦斯发电厂Appin Colliery 瓦斯发电,5 洁净开采技术 洁净开采技术是指在提高煤炭质量的同时,
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