煤炭綠色減矸開(kāi)采

第7-8期山西焦煤科技No.7-82008年8月Shanxi Coking Coal Science & TechnologyAug. 2008●試驗研究●煤炭綠色減矸開(kāi)采徐?！敝芾ゐ讨x亞濤(中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)摘要長(cháng)期以來(lái),我國煤炭開(kāi)采中矸石直接出井,引起的污染問(wèn)題越來(lái)越突出,極大地阻礙了環(huán)境與經(jīng)濟的協(xié)調發(fā)展。闡述了控制矸石出井,綜合利用現用矸石,減少矸石對土地的占用,減輕環(huán)境污染的具體實(shí)施方案,具有巨大的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞綠色減矸開(kāi)采;圍巖應力;煤巷;矸石處理;效益中圖分類(lèi)號:TD823.2文獻標識碼: B文章編號 :1672 - 0652(2008)07& 08 -0030 -041概述3綠色減矸開(kāi)采方案矸石是煤礦在建井、開(kāi)拓掘進(jìn)、采煤和煤炭洗選3.1 煤層的分類(lèi)過(guò)程中排出的含碳巖石及巖石等多種礦巖組成的混依據煤層的厚度可將煤體分為4類(lèi): 1)特厚煤合物,主要成分有殘煤、碳質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)泥巖、泥質(zhì)頁(yè)層。2)厚煤層。3)中厚煤層。4)薄煤層。依據煤巖及砂巖等。據統計",我國煤矸石每年的排放量層穩定情況可將煤層劃分為4類(lèi):1)穩定煤層。2)約占當年煤炭產(chǎn)量的15% ~20%，目前全國累計堆較穩定煤層。3)不穩定煤層。4)極不穩定煤層。存45億t,占地約1.5萬(wàn)hm',而且仍在逐年增長(cháng)。.3.2 方案的實(shí)施.研石的堆積,占用大量土地,自燃排放的H2S,SO2,減少矸石排放,消除矸石山污染,主要有3種手N,0, ,CO等有害氣體和煙塵引起大氣污染;矸石中段2):1)煤巷代替巖巷。2)矸石井下處理。3)矸含有重金屬離子,經(jīng)雨水淋漓會(huì )污染土壤和水質(zhì),影石綜合利用。響當地居民的身體健康。但是,矸石兼有煤巖石、化減矸開(kāi)采必須要從“設計施工、生產(chǎn)、管理"4方工原料的性質(zhì)。因此,矸石又是一種可利用資源,若面同時(shí)采取措施,既要減少矸石的采出，又要對采出能對其綜合利用,不但能改善礦區環(huán)境,還能節約資后的矸石盡量井下處理,對井上現有的矸石和出井矸源，促進(jìn)礦區的可持續發(fā)展,對于構建資源節約型、環(huán)石要采用新技術(shù)進(jìn)行高效、大量的處理。境友好型社會(huì )起到積極的作用。3.2.1 煤巷2綠色減矸開(kāi) 采的影響因素1)煤巷。1)自然因素包括煤體的分布地質(zhì)條件、埋藏深多開(kāi)煤巷,少掘巖巷,以煤巷代替巖巷是減少矸度,成型厚度,分布情況，物理力學(xué)性質(zhì),裂隙的發(fā)育石排放最重要 、最基本的方法。根據頂底板的不同，程度;區域巖層的構造性質(zhì),裂隙的發(fā)育程度,各項力可將煤巷分為厚煤層煤巷和薄煤層煤巷。學(xué)性能參數,關(guān)鍵層的分布等。a)厚煤層煤巷。2)人為因素包括人員素質(zhì)、開(kāi)采規模、采煤方-般厚煤層煤巷圍巖全部或大部分為煤巖,而煤法、開(kāi)拓方式、工作面尺寸、巷道布置,采空區的處理巖力學(xué)性能較差,大多屬軟巖,在深部高地應力作用，方式,當前矸石處理技術(shù)等。隨時(shí)間斤帥山北當明日的洧亦佐性。有些大斷面的中國煤化工TYHCNMHG①作者簡(jiǎn)介:徐睿男1986年出生 中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院在讀本科生 徐州2210082008年第7-8期徐睿等:煤炭綠色減矸開(kāi)采●31.煤巷經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的流變,會(huì )收斂成人都難以通過(guò)的硐水平構造應力組成。頂板巖層在水平應力作用下可穴,特別是底鼓變形,是煤巷流變破壞的最主要形式。能出現兩種破壞形式:- -是,薄層頁(yè)巖類(lèi)巖層沿層面b)薄煤層煤巷?；?二是,厚層的砂巖類(lèi)巖層以小角度或小斷層產(chǎn)薄煤層煤巷頂底板-般為巖層。巷道受?chē)鷰r巖生剪切,頂板失穩冒落。在厚煤層中,水平應力在煤性影響與厚煤層巷道相比較大,因此,在薄煤層中開(kāi)巷兩幫引起較大的拉應力,造成兩幫破壞。由于構造掘煤巷就要根據頂、底板巖層的實(shí)際變形情況來(lái)決定應力具有明顯的方向性,在構造應力影響較強烈的區所屬的穩定類(lèi)型,進(jìn)而決定支護方式、支護對象、支護域,要重視煤巷布置方向,依靠調整巷道方向與構造強度。應力方向間的關(guān)系,減弱圍巖的應力集中程度。2)煤巷圍巖應力場(chǎng)。3)煤巷布置。a)煤體內掘進(jìn)巷道引起的圍巖應力。a)在時(shí)間和空間上盡量避開(kāi)采掘活動(dòng)的影響,煤巷掘進(jìn)后原巖應力重新分布,圍巖內出現應力最好將煤巷布置在應力降低區域內。集中,如果應力小于圍巖強度,圍巖仍處于彈性狀態(tài)，b)選擇穩定的煤層布置巷道。如果大于圍巖強度,圍巖會(huì )出現塑性變形,從巷道周c)煤巷通過(guò)地質(zhì)構造帶時(shí),巷道軸向應盡量垂邊向圍巖深處擴展到- - 定范圍,出現塑性變形區,為.直斷層構造帶或向、背斜構造。彈塑性介質(zhì),再向圍巖深部，即為彈性區。各向等壓d)煤巷的軸線(xiàn)方向盡可能與構造應力方向平情況下,圓形煤巷塑性區半徑R和周邊位移u的計行 ,避免與構造應力方向垂直。算式3):e)在工作面設計時(shí),應盡可能把主要的服務(wù)年(R=ro[(P+C : cote)(1-sire)]一限長(cháng)的煤巷方向設計與主地應力方向-致。p:+C●cotp4)煤巷控制原理。_Tosing x (P+C : couq)=(1 -sing)三根據煤巷圍巖應力、強度之間的關(guān)系、選擇合適(P:+C. coup)s的巷道布置及維護方式,降低煤巖應力、增強煤巖強式中:度,改善煤巖受力條件和賦存環(huán)境,有效地控制煤巷p-原巖應力;的變形、破壞。.P:一支護阻力;5)煤巷控制手段。r。一圓形巷道半徑;煤巷在礦山壓力作用下,有以下變形規律:φ-圍巖的內摩擦角; .a)變形具有明顯的時(shí)間效應,初始變形速度很C一圍巖的黏聚力;大,變形趨于穩定后仍以較大速度產(chǎn)生流變,持續時(shí)G一圍巖的剪切彈性模數。間較長(cháng)。其中,R、u為煤巷錨桿支護初始設計的重要b)巷道多表現為環(huán)向受壓,且為非對稱(chēng)性。頂參數。板變形易冒落,底板產(chǎn)生強烈底鼓,并引起兩幫破壞、從式中可以看出,煤巷的周邊位移隨它所在位置，項板坍塌。的原巖應力的增大,呈指數函數關(guān)系迅速增長(cháng),指數c)變形隨埋深增加而增大,存在一個(gè)軟化臨界的大小取決于p的變化,4值越小，指數越大,u值增深度,超過(guò)臨界深度變形量急劇增加。長(cháng)越迅速;煤巷的塑性區半徑R和周邊位移u隨內d)巷道變形在不同的應力作用下,具有明顯的摩擦角和黏聚力的減小，即圍巖強度降低。方向性。b)構造應力引起的圍巖應力。針對這些變形特征,有以下幾種措施:構造應力主要集中在地質(zhì)構造運動(dòng)比較劇烈的中國煤化工地區,如褶曲區域、斷層附近等,以水平應力為主,且:fYHCNMHG值相航道圍巖深具有明顯的方向性和區域性。水平應力是由煤巖層部轉 移,巷道處于應力降低區,且卸壓槽還為圍巖變自重引起的水平力,巖層之間的摩擦力和黏聚力以及形提供了補償空間,從而使巷道圍巖變形量減小。.●32.山西焦煤科技2008 第7-8期(2)在巷道一側布置卸壓巷硐。將集中應力轉d)注漿保護。移至遠離巷道的承載煤柱上,僅有很小-部分應力作通過(guò)對圍巖注漿,可以改善圍巖賦存環(huán)境,將破;用在巷道周邊的讓壓煤柱上,巷道處于應力降低碎圍巖形成承載結構,從而提高巖體強度。區內。將注漿和錨桿結合起來(lái),形成錨注支護,可明顯(3)寬面掘巷卸壓。用于薄煤層的巷道,巷道掘提高支護效果。徐州旗山煤礦東大巷錨注前后演示進(jìn)時(shí)把巷道兩側6~8 m寬的煤采出,將矸石充填至物理力學(xué)性質(zhì)變化見(jiàn)表1。兩側采出空間,充填體與巷道兩側流出1m的空隙，表1旗山煤礦 東大巷錨注前后砂質(zhì)泥巖力學(xué)性質(zhì)參數巷道掘出后,周邊產(chǎn)生的集中應力轉移至離巷道較遠.力學(xué)性質(zhì)參數未錨注段錨注段增長(cháng)率/%的煤幫,巷道位于應力降低區內,煤幫與充填體之間單軸抗壓強度/MPa29.869.734的空隙，作為煤體變形的補償空間,對維護巷道穩定抗拉強度/MPa1.832.38粘聚力/MPa2. 8910.67270有較好的效果。| 內摩擦角/(°)26.936.837b)支架支護。彈性模量/MPa2. 35x100003.41x10000 45分部位,分時(shí)期,分步驟進(jìn)行強支護。l 泊松比0.260.30(1)關(guān)鍵部位支護。煤巷的破壞是一個(gè)時(shí)間過(guò)程,往往是從一-個(gè)或幾由表1可知,巷道錨注段兩幫位移量?jì)H為非錨注個(gè)部位開(kāi)始變形、損傷,進(jìn)而導致整個(gè)巷道損壞。因段的22% ~42% ,頂板下沉量為6% ~26%。此,及時(shí)對關(guān)鍵部位進(jìn)行支護可取得事半功倍的3.2.2矸石井 下處理效果。1)煤巖分掘。(2)主動(dòng)柔性支護。煤巷掘進(jìn)時(shí),如果煤層厚度小于巷道設計高度,在圍巖剛進(jìn)人塑性變形時(shí)，進(jìn)行柔性支護,通過(guò)在掘進(jìn)煤-巖巷時(shí)采用煤巖分掘、分運施工方式,使初撐力加大圍巖的圍壓,提高圍巖強度,可有效抑制煤矸分離,在提高煤質(zhì)和煤炭回收率的同時(shí),方便了直接頂離層;支架在允許圍巖有限變形的同時(shí),仍有矸石利用處理。足夠的工作阻力控制圍巖的變形;進(jìn)行支架壁后充2)寬巷掘進(jìn)。填,可改善支架受力狀態(tài)和圍巖賦存環(huán)境,提高支架煤巷掘進(jìn)時(shí),開(kāi)掘煤層寬度大于巷道設計寬度，和圍巖的承載能力。把寬出部分用矸石充填,就地及時(shí)利用掘出矸石,減(3)實(shí)行二次支護。少了排矸費用,消除了矸石污染,還可以給巷道卸壓,當巷道圍巖達到穩定前,變形量較大,延續時(shí)間防止煤層自然發(fā)火,提高煤炭回收率。較長(cháng),需要開(kāi)巷后進(jìn)行-一次支護。一次支護允許圍巖3)矸石回填置換開(kāi)采。.產(chǎn)生-定的變形，圍巖變形和能量釋放到一定程度將采煤所伴生的矸石通過(guò)設備回填到掘出的巷后,進(jìn)行二次支護。二次支護應在初次支護尚未失道內, 實(shí)現利用矸石置換煤,矸石不出井,地表不效,圍巖移動(dòng)速度已經(jīng)很小的適當時(shí)間進(jìn)行。塌陷。c)錨桿支護。4)矸石構筑巷幫。(1)通過(guò)測量相關(guān)數據,計算出圍巖的破碎區、在采空區利用矸石構筑巷幫作巷道支護,不僅塑性區的范圍,進(jìn)而確定錨桿的類(lèi)型、支護的密度,計利用了矸石,還可回采護巷煤柱。算時(shí)可采用工程類(lèi)比法、理論計算法或系統設計法。5)井下選煤。(2)結合地應力資料進(jìn)行合理支護,提高錨桿支采掘工作面產(chǎn)出的毛煤中約有15%的矸石。井護的可靠性和準確度。下中國煤化工,并把選煤的所有(3)當使用單體錨桿不能有效控制圍巖時(shí),可采廢棄MYHCNMH G用組合錨桿支護,如錨梁網(wǎng)支護,桁架錨桿支護,錨注6)矸石粉碎注漿。.支護等。破碎矸石經(jīng)粉碎后,可用于注漿減沉或用于壁后2008年第7-8期徐睿等:煤炭綠色減矸開(kāi)采.33.充填,也可以作為井下道路材料，現澆混凝土材料等。量少。7)采空區直接回填采空區。5)煤矸石生產(chǎn)農肥及改良土壤。3.2.3矸石綜合利用a)煤矸石制備有機復合肥料。主要針對井上矸石,采取以下幾種措施[4]。.b)利用煤矸石改良土壤。1)煤矸石復墾。利用煤矸石的酸堿性及其中含有的多種微量元可選植抗旱、耐鹽堿、耐瘠薄的草坪植物進(jìn)行素和營(yíng)養成分,可將其用于改良土壤,調節土壤的酸復墾。堿度和疏松度,并可增加土壤的肥效。2)煤矸石作為工程填筑填料。6)冶煉硅鋁鐵合金。充填溝谷、采煤塌陷區、煤礦采空區及廢棄礦井對于Fe0含量較高的煤研石，可采用直流礦熱或填筑鐵路、公路路基等。爐冶煉硅鋁鐵合金,應用煤矸石制取含鋁產(chǎn)品是高附3)煤矸石作燃料。加值利用研石的一個(gè)重要途徑。a)回收煤炭。7)利用煤矸石制取造紙涂料。煤矸石中的碳和其他可燃物可借現有的選煤技采用煤矸石制取造紙涂料,具有煤矸石利用量術(shù)進(jìn)行回收，這也是煤矸石綜合利用所必需的預處理大、利用徹底的特點(diǎn)，為煤矸石的資源化利用開(kāi)辟了步驟。- -條新途徑。b)煤矸石發(fā)電或煤矸石與煤泥混燒發(fā)電。4結語(yǔ)c)煤矸石制氣。傳統開(kāi)采地面排矸產(chǎn)生的矸石山對環(huán)境的污染用煤矸石在回轉式自動(dòng)排渣煤氣發(fā)生爐中可以與破壞嚴重。綠色減矸開(kāi)采將從3個(gè)方面著(zhù)手改變制取煤氣或半水煤氣。目前狀況,既控制矸石出井,又對現有矸石綜合利用，4)煤矸石生產(chǎn)建筑材料。從而減少矸石對土地的占用,減輕礦區的大氣污染和a)煤矸石制磚。地下水的污染,并且回收有價(jià)值資源,有很強的實(shí)用b)煤矸石生產(chǎn)水泥。價(jià)值,具有顯著(zhù)的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。煤矸石代黏土燒制硅酸鹽水泥熟料。煤矸石主要選用洗矸，巖石類(lèi)型以泥質(zhì)巖石為主,砂巖含量盡收稿日期2008 -05 -23[1]錢(qián)鳴高 ,繆協(xié)興,許家林.資源與環(huán)境協(xié)調(綠色)開(kāi)采及其技術(shù)體系[J].采礦與安全工程學(xué)報,2006 ,23(1):1-5.[2] 錢(qián)鳴高,許家林 ,繆協(xié)興煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)[].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003 ,32(4) :343 -347.[3]錢(qián)鳴高 ,石平五.礦山壓力與巖層控制[ M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,003:194 -195.[4] 李桂芬.煤矸石綜合利用[J].煤炭技術(shù),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中國煤化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