煤炭资源绿色开采研究进展

二二九年九月九年九月安徽理工大学安徽理工大学主主 要要 内内 容容一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题二、绿色开采技术的基本内容二、绿色开采技术的基本内容三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术五、保水采煤技术五、保水采煤技术六、矸石充填采煤技术六、矸石充填采煤技术一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题1.全国煤炭产量全国煤炭产量2.煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放3.煤矿突水灾害与水资源破坏煤矿突水灾害与水资源破坏4.煤矸石的露天排放问题煤矸石的露天排放问题5.“三下三下”压煤问题压煤问题6.煤矿安全与环境问题的特殊性煤矿安全与环境问题的特殊性1.全国煤炭产量全国煤炭产量2007年全国煤炭产量年全国煤炭产量25.5亿吨亿吨其中其中95以上为井工开采以上为井工开采一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题2008年全国煤炭产量年全国煤炭产量27.16亿吨亿吨2.煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题高瓦斯及煤高瓦斯及煤与瓦斯突出与瓦斯突出低瓦斯低瓦斯 3.煤矿突水灾害与水资源破坏煤矿突水灾害与水资源破坏我国我国60%60%的矿区为石碳的矿区为石碳二叠系含煤地层二叠系含煤地层,其中其中80%80%受受到严重的突水危险。到严重的突水危险。现在，我国每年排出现在，我国每年排出矿井水矿井水6060亿亿mm3 3左右，只利用左右，只利用25%25%左右，造成矿区水源枯左右，造成矿区水源枯竭、水与生态环境的破坏。竭、水与生态环境的破坏。一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题 4.煤矸石的露天排放问题煤矸石的露天排放问题 5.“三下三下”压煤问题压煤问题 我国的煤炭资源回收我国的煤炭资源回收率仅为率仅为40%40%左右，左右，“三三下下”（村庄下、道路下、（村庄下、道路下、水体下）压煤是其重要水体下）压煤是其重要根源。根源。如：如：新汶矿区新汶矿区“三三下下”压煤高达压煤高达2.672.67亿吨，亿吨，占可采储量的占可采储量的70%70%多。多。一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题 6.我国煤矿安全与环境问题的特殊性我国煤矿安全与环境问题的特殊性v 经济高速增长依赖于煤炭资源经济高速增长依赖于煤炭资源v 煤层赋存条件煤层赋存条件v 煤层瓦斯地质条件煤层瓦斯地质条件v 煤层水文地质条件煤层水文地质条件v“三下三下”压煤与土地资源条件压煤与土地资源条件v 创新绿色采煤技术为核心创新绿色采煤技术为核心煤炭开采形成的环境问题之一煤炭开采形成的环境问题之一一、煤炭资源环境与安全问题一、煤炭资源环境与安全问题二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出从广义资源的角度论，在矿区范围内的从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭；地下水；煤煤炭；地下水；煤层内所含的瓦斯；土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其层内所含的瓦斯；土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床他矿床都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出 根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，绿色开采技根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，绿色开采技术主要包括以下内容：术主要包括以下内容：水资源保护水资源保护形成形成“保水开采保水开采”技术；技术；土地与建筑物保护土地与建筑物保护形成离层注浆、充填与条带开采技术；形成离层注浆、充填与条带开采技术；瓦斯抽放瓦斯抽放形成形成“煤与瓦斯共采煤与瓦斯共采”技术；技术；煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术；煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术；地下气化技术。地下气化技术。采场老顶岩层采场老顶岩层“砌体梁砌体梁”结构模型是针对开采过程中的矿山压结构模型是针对开采过程中的矿山压力控制提出来的。力控制提出来的。关键层理论的提出是为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采关键层理论的提出是为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽采与突水防治以及对开采沉陷控制中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽采与突水防治以及对开采沉陷控制等的影响，为绿色开采提供了理论基础。等的影响，为绿色开采提供了理论基础。二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出绿色开采绿色开采技术体系技术体系煤炭开采煤炭开采岩层移动岩层移动排放矸石排放矸石地下水流失地下水流失与突水事故与突水事故瓦斯卸压流动、瓦斯事瓦斯卸压流动、瓦斯事故与排放瓦斯污染环境故与排放瓦斯污染环境地表塌陷、土地地表塌陷、土地与建筑物损害与建筑物损害占用土地占用土地污染环境污染环境保水保水开采开采煤与煤层气煤与煤层气共采共采条带开采条带开采充填开采充填开采矸石不出井矸石不出井与煤巷支护与煤巷支护煤炭地下煤炭地下气化气化二、绿色开采的提出二、绿色开采的提出 采动破裂煤岩体中水与瓦斯流动规律，需建立采动破裂煤岩采动破裂煤岩体中水与瓦斯流动规律，需建立采动破裂煤岩体渗流实验研究系统；体渗流实验研究系统；基于岩层移动与关键层理论的开采沉陷预测与建筑物下采煤基于岩层移动与关键层理论的开采沉陷预测与建筑物下采煤的定量设计方法；的定量设计方法；适合煤矿特点的充填采矿材料与工艺系统；适合煤矿特点的充填采矿材料与工艺系统；煤矿绿色开采技术的经济评价方法与法规煤矿绿色开采技术的经济评价方法与法规。若干待研究的问题若干待研究的问题煤矿绿色开采煤矿绿色开采采动岩体结构运动理论采动岩体结构运动理论采动裂隙岩体渗流理论采动裂隙岩体渗流理论煤与瓦斯共采煤与瓦斯共采保水采煤保水采煤矸石充填采煤矸石充填采煤绿色开采技术框架绿色开采技术框架三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术1.瓦斯抽采方法分类瓦斯抽采方法分类2.采动卸压瓦斯抽采采动卸压瓦斯抽采3.煤与瓦斯共采效果煤与瓦斯共采效果采后抽采采后抽采采前抽采采前抽采（预抽）（预抽）采中抽采采中抽采（边采边抽）（边采边抽）煤矿瓦斯抽采方法煤矿瓦斯抽采方法1.瓦斯抽采方法分类瓦斯抽采方法分类三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术采前抽采采前抽采(预抽预抽)邻近层抽采邻近层抽采本煤层抽采本煤层抽采地面钻井抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采穿层钻孔抽采顺层钻孔抽采顺层钻孔抽采交叉钻孔抽采交叉钻孔抽采煤层巷道抽采煤层巷道抽采地面钻井抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采穿层钻孔抽采走向巷道抽采走向巷道抽采倾向巷道抽采倾向巷道抽采水平长钻孔抽采水平长钻孔抽采三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术采中抽采采中抽采(边采边抽边采边抽)掘进工作面抽采掘进工作面抽采回采工作面抽采回采工作面抽采地面钻井抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采穿层钻孔抽采顺层钻孔抽采顺层钻孔抽采煤层巷道抽采煤层巷道抽采采空区埋管抽采采空区埋管抽采巷帮钻孔抽采巷帮钻孔抽采迎头钻孔抽采迎头钻孔抽采相邻巷道抽采相邻巷道抽采三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术采后抽采采后抽采 采空区抽采采空区抽采地面钻井抽采密闭插管抽采密闭钻孔抽采以上各种方法的组合构成了以上各种方法的组合构成了煤矿瓦斯的综合抽采煤矿瓦斯的综合抽采三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术首采煤层地表2.采动卸压瓦斯抽采采动卸压瓦斯抽采三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术-冒落带，冒落带，-裂隙带，裂隙带，-弯曲下沉带弯曲下沉带A-煤壁支撑影响区，煤壁支撑影响区，B-离层裂隙区，离层裂隙区，C-重新压实区重新压实区冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术阳泉、淮南、水城、盘江、松藻、阳泉、淮南、水城、盘江、松藻、晋城、抚顺晋城、抚顺 、淮北等、淮北等1010个矿业集个矿业集团年抽采量超过团年抽采量超过1 1亿立方米亿立方米山西、辽宁、安徽、重庆等山西、辽宁、安徽、重庆等5 5个省个省市年抽采量超过市年抽采量超过2 2亿立方米亿立方米3.煤与瓦斯共采效果煤与瓦斯共采效果三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术19771977年以来全国煤炭产量与死亡人数年以来全国煤炭产量与死亡人数三、煤与瓦斯共采技术三、煤与瓦斯共采技术四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术1.研究现状与不足研究现状与不足2.关键科学问题关键科学问题3.重点研究内容重点研究内容4.主要研究进展主要研究进展5.工程应用实例工程应用实例矿井突水的地质特征及条件：安全水头预测法、隔水矿井突水的地质特征及条件：安全水头预测法、隔水层厚度判别法、层厚度判别法、“下三带下三带”理论理论(中国中国)等。等。采动裂隙演化与渗流理论：采动裂隙演化与渗流理论：“横三区横三区”与与“竖三带竖三带”裂隙分布规律裂隙分布规律(中国中国)、非线性、非线性Darcy渗流理论、裂隙演化与渗流理论、裂隙演化与应力耦合渗流理论应力耦合渗流理论(中国中国)等。等。矿井突水的中长期预报方法：突水系数法、矿井突水的中长期预报方法：突水系数法、GIS模型模型法法(中国中国)、斯列萨烈夫法等。、斯列萨烈夫法等。矿井突水的治理方法：疏水降压法、注浆堵水法等。矿井突水的治理方法：疏水降压法、注浆堵水法等。1.研究现状与不足研究现状与不足四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术针对中国煤矿开采面临特别复杂的构造地质与水文地质条针对中国煤矿开采面临特别复杂的构造地质与水文地质条件，例如：奥陶系高承压、强富水岩溶含水层底板，研究不深件，例如：奥陶系高承压、强富水岩溶含水层底板，研究不深入。入。采动裂隙场演化规律、采动岩体渗流突变理论、临突预报采动裂隙场演化规律、采动岩体渗流突变理论、临突预报理论等研究不足。理论等研究不足。控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法等研究才起控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法等研究才起步。步。四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术1.研究现状与不足研究现状与不足1、矿井突水的含导水构造、矿井突水的含导水构造 地质特征及条件地质特征及条件2、采动岩体结构破坏与裂、采动岩体结构破坏与裂 隙演化及渗流突变规律隙演化及渗流突变规律3、矿井突水预测与控制的、矿井突水预测与控制的 基础理论与方法基础理论与方法拟解决的拟解决的关键科学关键科学问题问题2.关键科学问题关键科学问题四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 科学问题科学问题1：矿井突水的含导水构造矿井突水的含导水构造 地质特征与条件地质特征与条件p 我国大部分矿区水文地质与构造地质条件十分复我国大部分矿区水文地质与构造地质条件十分复杂，杂，65%65%左右的矿井受严重突水危胁。左右的矿井受严重突水危胁。p 现有研究对现有研究对陷落柱陷落柱和和断层断层等导水构造的发育规律、等导水构造的发育规律、地下水的赋存和运移规律等认识不足。地下水的赋存和运移规律等认识不足。四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 陷落柱突水实例陷落柱突水实例 开滦范各庄煤矿开滦范各庄煤矿2171 工作面发生特工作面发生特大陷落柱突水大陷落柱突水,造成造成全矿被淹，最大突水全矿被淹，最大突水量达量达2053 m3/min，为目前世界上水量最为目前世界上水量最大的突水。大的突水。陷落柱富含水层工作面四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 科学问题科学问题2：采动岩体结构破坏与裂隙采动岩体结构破坏与裂隙 演化及渗流突变规律演化及渗流突变规律p 采动引起的应力场和裂隙场变化是导通采动引起的应力场和裂隙场变化是导通陷落柱和断层，以及形成新的导水通道陷落柱和断层，以及形成新的导水通道的前提条件。的前提条件。p 渗流突变是突水致灾的根源，现有的基渗流突变是突水致灾的根源，现有的基础研究还不能揭示渗流突变的机理。础研究还不能揭示渗流突变的机理。四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 采动裂隙直接导通含水层突水实例采动裂隙直接导通含水层突水实例 广东兴宁大兴煤矿，下层煤开采时，采动广东兴宁大兴煤矿，下层煤开采时，采动裂隙扩展破坏了上层煤开采所留设的防水煤柱，裂隙扩展破坏了上层煤开采所留设的防水煤柱，导致特大突水，死亡导致特大突水，死亡123人。人。含水层上工作面下工作面煤柱采动裂隙四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 科学问题科学问题3：矿井突水预测与控制的：矿井突水预测与控制的 基础理论与方法基础理论与方法p 目前没有建立针对不同突水类型的预测预目前没有建立针对不同突水类型的预测预报理论模型，还不能实现临突预报。报理论模型，还不能实现临突预报。p 传统采煤理论强调了矿井水的灾害性，忽传统采煤理论强调了矿井水的灾害性，忽视了水的资源性，并把水作为灾害的根源视了水的资源性，并把水作为灾害的根源加以处理，加以处理，“疏干疏干”、“排水排水”等矿井防等矿井防治水方法造成大量水资源浪费。治水方法造成大量水资源浪费。四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术3 3、矿井突水的预测预报理论、矿井突水的预测预报理论与方法与方法4 4、控制矿井突水的水资源保、控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法护性采煤理论与方法2 2、采动岩体破裂结构运动及、采动岩体破裂结构运动及渗流突变理论渗流突变理论1 1、矿井突水的水文地质结构、矿井突水的水文地质结构特征及形成条件特征及形成条件重点重点研究研究内容内容3.重点研究内容与方案重点研究内容与方案四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术研研究究方方向向1、矿井突水的水文地质结构模式及形成条件、矿井突水的水文地质结构模式及形成条件 3、采动岩体裂隙演化及隔水关键层的形成条件、采动岩体裂隙演化及隔水关键层的形成条件 6、矿井突水的水量预测理论与方法、矿井突水的水量预测理论与方法 5、矿井突水的危险性评价理论与方法、矿井突水的危险性评价理论与方法 7、突水前兆信息演化规律及实时监测理论、突水前兆信息演化规律及实时监测理论 8、控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法、控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法 2、矿井突水的动力学特征及控制因素、矿井突水的动力学特征及控制因素 4、采动岩体渗流规律与突变机理、采动岩体渗流规律与突变机理 四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术煤矿突水机理与突水防治理论煤矿突水机理与突水防治理论理理论分析论分析数值数值模拟模拟物理物理模拟模拟现场测试现场测试水文地水文地质学质学工程地工程地质学质学构造地构造地质学质学采矿采矿工程工程地球物地球物理勘探理勘探矿井突水灾害治理矿井突水灾害治理研究对象研究对象研究内容研究内容研究方法研究方法涉及学科涉及学科科学问题科学问题矿井突水的含导矿井突水的含导水构造地质特征水构造地质特征及条件及条件采动岩体结构破坏采动岩体结构破坏与裂隙演化及渗流与裂隙演化及渗流突变规律突变规律矿井突水预测与矿井突水预测与控制的基础理论控制的基础理论与方法与方法矿井突水的矿井突水的水文地质结水文地质结构特征及形构特征及形成条件成条件采动岩体破裂采动岩体破裂结构运动及采结构运动及采动岩体渗流突动岩体渗流突变理论变理论矿井突水的矿井突水的预测预报理预测预报理论与方法论与方法控制矿井突控制矿井突水的水资源水的水资源保护性采煤保护性采煤理论与方法理论与方法岩石岩石力学力学渗流渗流理论理论信息信息科学科学安全安全工程工程四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术突水水源水源隔水关键层隔水关键层天天然然构构造造采采动动裂裂隙隙突水通道突水通道内容内容1 1地质结地质结构特征构特征与条件与条件内容内容2 2裂隙演裂隙演化与渗化与渗流突变流突变内容内容3 3预测预预测预报理论报理论与方法与方法内容内容4 4控制突控制突水的采水的采煤方法煤方法四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术内容内容1 1地质结地质结构特征构特征与条件与条件内容内容2 2裂隙演裂隙演化与渗化与渗流突变流突变内容内容3 3预测预预测预报理论报理论与方法与方法内容内容4 4控制突控制突水的采水的采煤方法煤方法突水水源水源隔水关键层隔水关键层天天然然构构造造采采动动裂裂隙隙突水通道突水通道保水采煤与保水采煤与煤水共采煤水共采危险评价理危险评价理论与方法论与方法水量预测理水量预测理论与方法论与方法前兆信息与前兆信息与临突预报临突预报地质结构模地质结构模式及条件式及条件 地质动力学地质动力学及控制因素及控制因素隔水关键层隔水关键层与裂隙演化与裂隙演化采动裂隙渗采动裂隙渗流与突变流与突变四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 隔水关键层的定义隔水关键层的定义 水最终要穿透的岩层或最终被阻隔住的岩层水最终要穿透的岩层或最终被阻隔住的岩层被称为隔水关键层。被称为隔水关键层。v 隔水关键层的三种类型隔水关键层的三种类型其一，坚硬结构关键层；其一，坚硬结构关键层；其二，泥质软弱岩性隔水层；其二，泥质软弱岩性隔水层；其三，坚硬与软弱组合岩层隔水层。其三，坚硬与软弱组合岩层隔水层。4.主要研究进展主要研究进展四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 隔水关键层结构与渗流稳定性隔水关键层结构与渗流稳定性p 结构稳定判据结构稳定判据1113niniiiiihhE311nsiiiiiiE hh 刚度：刚度：强度：强度：l1ln+1 p 渗流稳定判据渗流稳定判据00112114()nnjjnijijaaniiihppcckh 1四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 采动破碎岩体渗流突变理论研究采动破碎岩体渗流突变理论研究220tx-10001002003004005000306090120150180t/s渗透系数/10-6cm/s5MPa10MPa15MPa混沌吸引子混沌吸引子渗流失稳判据渗流失稳判据渗流方程渗流方程实测与试验实测与试验渗渗流流特特性性四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 试验原理、方法与装置试验原理、方法与装置原位采动破碎岩体水原位采动破碎岩体水渗流特性试验装置渗流特性试验装置 堆积采动破碎岩体水堆积采动破碎岩体水渗流特性试验装置渗流特性试验装置 四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 采动覆岩裂隙演化与渗流规律采动覆岩裂隙演化与渗流规律 (a)采场推进采场推进40m (b)采场推进采场推进60m (a)采场推进采场推进40m (b)采场推进采场推进60m 采动覆岩渗流矢量分布图采动覆岩渗流矢量分布图采空区上方垂直渗流速度分布图采空区上方垂直渗流速度分布图四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术突水水源水源隔水关键层隔水关键层天天然然构构造造采采动动裂裂隙隙突水通道突水通道判别隔水关键判别隔水关键层的位置层的位置井下电法探测、井下电法探测、开采地质条件等开采地质条件等判别隔水关键判别隔水关键层结构稳定性层结构稳定性开采设计、关键开采设计、关键层理论分析等层理论分析等判别隔水关键判别隔水关键层渗流稳定性层渗流稳定性渗流突变理论、渗流突变理论、井下电法探测等井下电法探测等渗流突变通道渗流突变通道的控制的控制优化采场设计、优化采场设计、注浆改造加固等注浆改造加固等安全开采安全开采v 隔水关键层保护原理隔水关键层保护原理 稳定稳定稳定稳定四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v采场底板突水防治采场底板突水防治龙固矿龙固矿2120121201工作面为例工作面为例5.工程应用实例工程应用实例四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术目标：安全开采目标：安全开采采矿地质条件分析采矿地质条件分析l 太原组太原组21煤煤,距奥灰距奥灰45m,水压水压4.0MPa;l 突水系数是临界值的突水系数是临界值的1.5倍倍;l 采深采深460m，采高，采高1.5m;l 底板隔水关键层底板隔水关键层6.3m，=5.5MPa隔水关键层结构隔水关键层结构稳定性判别稳定性判别l 井下电法探测，井下电法探测，3条隐伏含水断层，发条隐伏含水断层，发育深度育深度1630m；l 关键层破断分析，破断裂隙深度关键层破断分析，破断裂隙深度38m隔水关键层渗流隔水关键层渗流稳定性分析稳定性分析l 渗流突变理论分析，工作面推进渗流突变理论分析，工作面推进200m隐伏含水断层处有突水危险隐伏含水断层处有突水危险渗流突变通道控制渗流突变通道控制l 隔水关键层加固措施，局部注浆加固隔水关键层加固措施，局部注浆加固底板破坏区域的数值模拟底板破坏区域的数值模拟 底板注浆区域的岩石采样底板注浆区域的岩石采样底板注浆钻孔布置图底板注浆钻孔布置图 v 采场底板突水防治实例分析资料采场底板突水防治实例分析资料四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术v 采场顶板突水防治采场顶板突水防治俄布矿俄布矿E11022工作面为例工作面为例目标：安全开采目标：安全开采采矿地质条件分析采矿地质条件分析l 浅理深浅理深150m，煤厚，煤厚3.8ml 顶板粗砂岩顶板粗砂岩66ml 覆岩砂砾互层（含水层）覆岩砂砾互层（含水层）l 地表有过境水地表有过境水隔水关键层结构隔水关键层结构稳定性分析稳定性分析l 结构关键层破断，则隔结构关键层破断，则隔水关键层失稳水关键层失稳严格保护结构关键严格保护结构关键层的完整性层的完整性l 宽条带宽条带(短壁短壁)综采，采宽综采，采宽60m，煤柱宽，煤柱宽20m四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术采动裂隙场分布采动裂隙场分布顶板贯通裂隙顶板贯通裂隙宽条带开采设计宽条带开采设计结构关键层结构关键层采动覆岩渗流场采动覆岩渗流场v 采场顶板突水防治实例分析资料采场顶板突水防治实例分析资料四、煤矿突水灾害防治技术四、煤矿突水灾害防治技术五、保水采煤技术五、保水采煤技术1.全矿区保水采煤分区与保水对策全矿区保水采煤分区与保水对策2.控制隔水关键层结构与渗流稳定控制隔水关键层结构与渗流稳定3.水资源转移存储与综合利用水资源转移存储与综合利用4.主要技术特点主要技术特点以神东矿区为例以神东矿区为例1.全矿区保水采煤分区与保水对策全矿区保水采煤分区与保水对策v 水文地质结构系统分析与保水分区水文地质结构系统分析与保水分区五、保水采煤技术五、保水采煤技术v 5种隔水层结构种隔水层结构 多层隔水层结构多层隔水层结构 高位隔水层结构高位隔水层结构 低位隔水层结构低位隔水层结构 隔水层侧切结构隔水层侧切结构五、保水采煤技术五、保水采煤技术v 神东矿区保水采煤对策神东矿区保水采煤对策表表1 神东矿区水资源赋存及保护对策神东矿区水资源赋存及保护对策五、保水采煤技术五、保水采煤技术v 隔水关键层结构与渗流稳定性隔水关键层结构与渗流稳定性p 结构稳定判据结构稳定判据1113niniiiiihhE311nsiiiiiiE hh 刚度：刚度：强度：强度：l1ln+1 p 渗流稳定判据渗流稳定判据00112114()nnjjnijijaaniiihppcckh 2.2.控制隔水关键层结构与渗流稳定控制隔水关键层结构与渗流稳定 1五、保水采煤技术五、保水采煤技术v 隔水关键层判别流程隔水关键层判别流程五、保水采煤技术五、保水采煤技术v 采动覆岩裂隙演化与渗流规律采动覆岩裂隙演化与渗流规律 (a)采场推进采场推进40m (b)采场推进采场推进60m (a)采场推进采场推进40m (b)采场推进采场推进60m 采动覆岩渗流矢量分布图采动覆岩渗流矢量分布图采空区上方垂直渗流速度分布图采空区上方垂直渗流速度分布图五、保水采煤技术五、保水采煤技术(电法、钻孔法、浅层地震法电法、钻孔法、浅层地震法)表表2 采动覆岩导水裂隙通道高度采动覆岩导水裂隙通道高度v 采动覆岩导水裂隙通道发育高度采动覆岩导水裂隙通道发育高度五、保水采煤技术五、保水采煤技术v 控制隔水关键层结构稳定控制隔水关键层结构稳定(a)第第1次视电阻率断面成像图次视电阻率断面成像图(b)第第4次视电阻率断面成像图次视电阻率断面成像图高位隔水关键层保水开采电测效果高位隔水关键层保水开采电测效果（大柳塔（大柳塔1261012610工作面）工作面）五、保水采煤技术五、保水采煤技术v 控制采动导水裂隙通道闭合控制采动导水裂隙通道闭合导水通道闭合及水位恢复实测曲线导水通道闭合及水位恢复实测曲线（补连塔（补连塔31401工作面）工作面）五、保水采煤技术五、保水采煤技术v 局部区域充填支撑局部区域充填支撑p 技术措施技术措施局部充填开采局部充填开采局部降低开采高度局部降低开采高度p 技术实施范围技术实施范围穿越地表水体穿越地表水体穿越冲刷沟谷穿越冲刷沟谷导水裂隙异常发育导水裂隙异常发育五、保水采煤技术五、保水采煤技术顶板水转移并利用顶板水转移并利用采空区矸石吸附过采空区矸石吸附过滤净化方法，水质滤净化方法，水质指标达到工业和农指标达到工业和农业用水标准，实现业用水标准，实现年废水复用年废水复用1700万万m3。3.水资源转移存储与综合利用水资源转移存储与综合利用v 利用采空区转移存储顶板水利用采空区转移存储顶板水五、保水采煤技术五、保水采煤技术洁洁净净水水AAA A矿矿井井水水v 向下伏储水层转移顶板水向下伏储水层转移顶板水第四系松散层2-2煤层承压含水层直罗组与延安组上段280mm130mm滤水管滤水管套管不同粒径的滤料直罗组与延安组岩层2-2煤层承压含水层变径永久止水段(a)回灌孔回灌孔第四系松散层2-2煤层承压含水层直罗组与延安组上段130mm滤水管滤水管套管第四系含水层直罗组与延安组岩层2-2煤层承压含水层变径永久止水段(b)观测孔观测孔石圪台矿回灌孔与观测孔设计图石圪台矿回灌孔与观测孔设计图五、保水采煤技术五、保水采煤技术 （1）提出了神东矿区水文地质结构的五种类型，即：）提出了神东矿区水文地质结构的五种类型，即：弱含水区、泉城水源区、烧变岩富水区、无隔水层区和有弱含水区、泉城水源区、烧变岩富水区、无隔水层区和有隔水层区五种，并给出了相应的保水采煤技术对策。隔水层区五种，并给出了相应的保水采煤技术对策。（2）系统研究给出了神东矿区开采地质条件下隔水关）系统研究给出了神东矿区开采地质条件下隔水关键层的结构与渗流稳定性判据，揭示了覆岩导水裂隙贯通键层的结构与渗流稳定性判据，揭示了覆岩导水裂隙贯通高度与渗流规律，依此开发了控制隔水关键层结构稳定保高度与渗流规律，依此开发了控制隔水关键层结构稳定保水采煤、控制采动导水裂隙通道闭合保水采煤和局部区域水采煤、控制采动导水裂隙通道闭合保水采煤和局部区域充填支撑方式保水采煤等技术。充填支撑方式保水采煤等技术。（3）在无覆岩隔水层条件下，开发了利用采空区转移）在无覆岩隔水层条件下，开发了利用采空区转移存储顶板水技术和利用上下含水层压力差向下伏储水层转存储顶板水技术和利用上下含水层压力差向下伏储水层转移顶板水技术。移顶板水技术。4.主要技术特点主要技术特点五、保水采煤技术五、保水采煤技术六、矸石充填采煤技术六、矸石充填采煤技术1.解决相关问题的思路解决相关问题的思路2.总体技术框架总体技术框架3.主要技术研究内容主要技术研究内容4.主要技术特点主要技术特点1.解决相关问题的思路解决相关问题的思路解决问题的解决问题的总体思路总体思路技技 术术 措措 施施矸石直接充填置矸石直接充填置换换“三下三下”压煤压煤循环利用矿区废弃物循环利用矿区废弃物保护矿区土地与环境保护矿区土地与环境回收回收“三下三下”压煤资源压煤资源实实 施施 目目 标标六、矸石充填采煤技术六、矸石充填采煤技术2.总体技术框架总体技术框架矸石直接充填置换矸石直接充填置换“三下三下”压煤总体技术框压煤总体技术框架架六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术v 项目研究的难点之一项目研究的难点之一 建立矸石充填开采岩层控制理论建立矸石充填开采岩层控制理论1.不同矸石充填量对应的地表变形值不同矸石充填量对应的地表变形值2.同一矸石充填量对应的地表最大变形值同一矸石充填量对应的地表最大变形值理论上理论上需解决需解决的问题的问题3.主要技术研究内容主要技术研究内容六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术充填开采充填开采 顶板下沉顶板下沉 等价采高等价采高 顶板下沉顶板下沉 充填开采充填开采 v 矸石充填开采等价采高的概念矸石充填开采等价采高的概念v 矸石充填开采岩层移动控制稳定性判据矸石充填开采岩层移动控制稳定性判据maxzHHHmax建筑物变形能承受的最大允许采高。建筑物变形能承受的最大允许采高。等价采高等价采高 六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术v 矸石的松散与压实性能矸石的松散与压实性能实验系统实验系统矸石碎胀系数与压应力矸石碎胀系数与压应力 矸石孔隙率与压应力矸石孔隙率与压应力 六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术v 矸石充填开采支架工作载荷计算公式矸石充填开采支架工作载荷计算公式0.2 0.3zpppz充填开采支架载荷；充填开采支架载荷；p全高开采支架载荷。全高开采支架载荷。相似材料模拟系统相似材料模拟系统六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术v 矸石充填开采等价采高矸石充填开采等价采高Hz的理论计算公式的理论计算公式max()()zzzHhkkHhHH实际采高；实际采高；hz充填体空顶距（充实率控制参数）；充填体空顶距（充实率控制参数）；k 初始压实系数（压实率控制参数）；初始压实系数（压实率控制参数）；残余压实系数。残余压实系数。k矸石充填开采的矸石充填开采的技术控制指标技术控制指标充实率充实率 hz压实率压实率 k六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术1.拆除开采工作面与采空区之间的隔离屏障拆除开采工作面与采空区之间的隔离屏障2.用同一支护系统掩护采煤与充填并行作业用同一支护系统掩护采煤与充填并行作业3.用矸石重力为充填主要动力，加辅助压实力用矸石重力为充填主要动力，加辅助压实力创新创新与与发明发明v 项目研究的难点之二项目研究的难点之二 矸石充入采空区的空间、通道与动力矸石充入采空区的空间、通道与动力六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术v 综采矸石充填技术综采矸石充填技术工作面工作面 采空区采空区 传统综采液压支架传统综采液压支架掩护斜梁掩护斜梁 工作面工作面 采空区采空区 综采矸石充填液压支架综采矸石充填液压支架水平短梁水平短梁六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术v 综采矸石充填原理综采矸石充填原理矸石充填运输机充填工艺矸石充填运输机充填工艺六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术v 综采矸石充填压实原理综采矸石充填压实原理综采矸石充填压实系统工作原理综采矸石充填压实系统工作原理六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术v 综采矸石充填工作面井下工况综采矸石充填工作面井下工况前部采煤前部采煤后部充填后部充填六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术普采与充填支护系统普采与充填支护系统v 普采矸石充填技术普采矸石充填技术普采与充填工作面布置普采与充填工作面布置普采与充填支护系统普采与充填支护系统充充填填系系统统普采与充填工作面布置普采与充填工作面布置普采矸石充填高速动力抛矸机普采矸石充填高速动力抛矸机充充填填面面开开采采面面六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术v 应用效果实例一应用效果实例一新汶翟镇矿村镇下综采充填地表移动预计与实测新汶翟镇矿村镇下综采充填地表移动预计与实测l 平均采深平均采深500ml 实际采高实际采高2.1ml 等价采高等价采高0.6ml 采出率采出率85%综采矸石充填地表下沉曲线对比图综采矸石充填地表下沉曲线对比图 六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术v 应用效果实例二应用效果实例二普采矸石充填地表下沉曲线对比图普采矸石充填地表下沉曲线对比图 新汶盛泉矿工广下普采充填地表移动预计与实测新汶盛泉矿工广下普采充填地表移动预计与实测 l平均采深平均采深450ml 采高采高1.8ml 等价采高等价采高0.4ml 工作面采出率工作面采出率85%六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术（1）矸石直接充填置换煤的方法、工艺、与装备，包）矸石直接充填置换煤的方法、工艺、与装备，包括：综采矸石充填、普采矸石充填和巷采矸石充填的技术括：综采矸石充填、普采矸石充填和巷采矸石充填的技术与工艺，以及矸石充填液压支架、充填运输机和高速动力与工艺，以及矸石充填液压支架、充填运输机和高速动力抛矸机等关键设备。抛矸机等关键设备。（2）建立了矸石直接充填置换煤的岩层控制理论，为）建立了矸石直接充填置换煤的岩层控制理论，为充填开采设计和地表沉陷控制等提供了科学依据。充填开采设计和地表沉陷控制等提供了科学依据。4.主要技术特点主要技术特点六六、矸石充填采煤技术、矸石充填采煤技术 中国是为数不多的以煤炭为主要能源的国家，承受着巨中国是为数不多的以煤炭为主要能源的国家，承受着巨大的资源、环境和矿难压力，研究煤炭绿色开采理论，开发煤大的资源、环境和矿难压力，研究煤炭绿色开采理论，开发煤炭绿色开采技术的目标就是保护与煤炭开采相关的资源与环境，炭绿色开采技术的目标就是保护与煤炭开采相关的资源与环境，防治矿难，实现科学采矿。防治矿难，实现科学采矿。结结 束束 语语谢谢！