1、矿区绿色开采技术矿区绿色开采技术 1 1、绪论、绪论 2 2、保水开采技术、保水开采技术 3 3、土地与建筑物保护技术、土地与建筑物保护技术 4 4、煤与瓦斯协调开采技术、煤与瓦斯协调开采技术 5 5、洁净开采技术、洁净开采技术 6 6、煤层地下气化技术、煤层地下气化技术 7 7、矿区废弃地生态修复技术、矿区废弃地生态修复技术 8 8、绿色开采的发展前景、绿色开采的发展前景 1 绪绪 论论1.1 善待地球善待地球从节约资源做起从节约资源做起 2007年4月22日是第38个“世界地球日”，宣传主题为：“善待地善待地球球从节约资源做起从节约资源做起”。重点落实以人为本，全面、协调、可持续的科学发展
2、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。对煤炭绿色开采与环境保护的认识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
3、、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-科学采科学采矿。矿。形成矿区环境容量和环境评价体系等计算方法
4、。1.2 煤炭开采对环境的影响及其表现形式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）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 2）煤矿开采造成土地资源的破坏）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
5、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 3）产生大量有毒有害气体）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、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。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
6、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。1.4 绿色开采重要意义和技术体系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
7、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绿色开采的技术体系如下图所示煤炭资源绿色开采技术体系2 保水开采技术保水开采技术 1）科学问题）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,
8、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。保水开采技术和矿井水循环使用技术保水开采技术和矿井水循环使用技术 2）保水开采技
9、术保水开采技术 （1 1）防治水）防治水 探、排、截、堵探、排、截、堵 保水开采方法，最有利的方法，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 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。（2）矿井水的合理利用及循环使用技术）矿井水的合理利用及
10、循环使用技术 矿井水一般采用物理和化学方法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、先井下后先生产后生活、先井下后井上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过滤专利技术，实现了井下水循环复用。3 建筑物与土地保护技术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）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
11、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。图3-1 上覆岩层移动、破坏分带示意图1-垮落带；2-裂缝带；3-弯曲带 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地表的采动影响分为非充分采动、充分采动充分采动(此时的采空区面积称临界开采面积)和超充分采动和超充分采动。图3-2 下沉盆地的形成过程图1、2、3-非充分采动；4-充分采动；5-超充分采动2）由下沉引起建筑物的破坏）由下沉引
12、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)，结果只是产生整体垂直位移。图3-3 井下回采时地表移动和建筑物变形过程3）由倾斜引起的建筑物破坏）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
13、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）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，其破坏特征如图图3-4a、b所示。5）由水平变形引起建筑物的破坏）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
14、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图3-5（破坏现象）3.2 保护土地及建筑物的开采技术保护土地及建筑物的开采技术1）充填开采）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
15、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 图3-7 充填采煤工作面布置示意图1-运输顺槽；2-回风顺槽；3-液压支架；4-单体液压支柱；5-柔模板；6-充填通；7-拟充填条带；8-已充填条带2）条带开采）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。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
16、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。图3-8 条带开采平面图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的主要瓶颈。3）分层开采）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
17、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。4）限厚开采）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）“采采-注注-采采”三步法和三步法和“采采-注注-跳采跳采”三步法开采三步法开采 “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
18、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 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。图3-10 “三步法”开采地表沉陷控制过程4 煤与瓦斯协调开采技术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
19、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。4.1 我国煤层气开发利用现状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
20、1000Kg中含有24Kg标煤。4.2 我国煤层气赋存的特征我国煤层气赋存的特征1）渗透率问题）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）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。4.3 煤与瓦斯协调开采技术煤与瓦斯协调开采技术1）瓦斯抽采技术体系）瓦斯抽采技术体系
21、 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。图4-8 地面煤与瓦斯协调开采示意图图4-9 井下煤与瓦斯协调开采示意图图4-10 煤与瓦斯协调开采技术体系 提高瓦斯采出率；降低矿井瓦斯涌出量；降低矿井通风成本；消除瓦斯事故 煤层气综合利用，消除大气污染 卸压瓦斯开采 地面钻井抽采 井下钻孔及巷道抽采 邻近层 瓦斯卸压 上覆远距离煤层 瓦斯卸压 废弃采空区聚积 瓦斯卸压 本煤层 瓦斯卸压 围岩抽 采 煤层气 煤层开采 岩层移动 形 成采动裂隙 未采层 抽采 采动卸
22、压抽采 地面 钻井 抽采 煤与瓦斯协调开采技术体系 采空区 抽采 2）瓦斯抽采现状）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）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
23、时高效抽采卸压瓦斯，是我国煤层气开采的主要途径。4）地面钻井瓦斯抽采技术）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 4.4 瓦斯综合利用瓦斯综合利用瓦斯主要的利用途径瓦斯主要的利用途径煤层气燃气轮机煤层气燃气轮机煤层气锅炉煤层气锅炉煤层气煤泥烘干回转窑煤层气煤泥烘干回转窑（1）民用燃气）民用燃气（2）燃气锅炉）燃气锅炉（3）瓦斯发电）瓦斯发电（4）生产化工）生产化工
24、产品产品淮南矿业集团瓦斯发电厂Appin Colliery 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。5 洁净开采技术洁净开采技术 洁净开采技术是指在提高煤炭质量的同时，尽量从源头上避免污染物的产生或最大程度控制污染物的生成量及污染程度，使煤炭开采对环境的污染和破坏降低到最低限度的开采技术。为了杜绝或减少煤矸石造成的环境污染，可采取以下两种控制煤矸石生成量的开采技术：一是采用减矸开采技术，包括开拓部署、巷道布置和采掘工艺等技术措施；二是采用矸石充填开采技术，包括将掘进出矸充
25、填在井下废弃的巷道或硐室内，或将掘进出矸直接用于采空区充填。5.1 矿井开拓与巷道布置矿井开拓与巷道布置1）全煤巷开拓）全煤巷开拓 全煤巷开拓是矿井实现洁净开采的优选方案，巷道都布置在煤层中。这不仅有利于煤的洁净生产，而且建设周期短，投产快，在建设期间就可生产煤炭。美国、澳大利亚等国的各类大中小型矿井几乎都采用多煤巷并行的开拓方法。我国的东胜、神府矿区和山东济宁3号井等大型矿井的设计都是按全煤巷开拓考虑的。2）利用自然条件划分采区边界）利用自然条件划分采区边界 开拓巷道也可沿断层带、变薄带或火成岩侵入带等掘进，采区内尽量避免有这些地质构造，以利掘进和回采时少破岩石，减少矸石混入。3）煤层配采与
26、取消岩石集中巷）煤层配采与取消岩石集中巷 用煤层集中巷取代岩石集中巷来进行采区准备，这在技术经济上都取得了减少矸石的良好效益。4）沿空留巷）沿空留巷 为更有利于煤的洁净生产，煤矿应大力推行无煤柱开采技术。5.2 采掘工艺采掘工艺1）采煤工艺）采煤工艺 采煤工艺直接影响矿井生产的原煤质量和地面环境。煤矿只有按煤层赋存自然条件和生产技术条件，择优选择采煤方法，再配合有效的煤质管理措施，才能更好地进行煤的洁净开采。（1）加大采高、煤层全厚开采）加大采高、煤层全厚开采（2）煤岩分采）煤岩分采（3）留顶）留顶(底底)煤开采煤开采2）掘进工艺）掘进工艺 对煤巷和半煤岩巷而言，不论炮掘还是机掘，只要技术措施
27、合理，完全可以做到煤岩分掘、分运，甚至矸石不出井；对全煤巷道，只要不挑顶破底，防止冒顶，对煤中矸石进行分拣，可保证掘进煤质量；对半煤岩巷道，可实施分掘、分运或宽巷掘进，也能保证掘进煤质量。（1）分掘分运）分掘分运（2）宽巷掘进、矸石充填）宽巷掘进、矸石充填5.3 井下矸石充填技术井下矸石充填技术1）矸石充填开采的分类及特点）矸石充填开采的分类及特点 （1）矸石充填的种类与方法）矸石充填的种类与方法 矸石充填的种类 按矸石充填的位置不同分为：巷道充填、工作面充填 按充填量和充填范围占采出煤层的比例不同分为：全部充填、局部充填 矸石充填方法 全部充填的位置只能是采空区，而局部充填的位置可以是采空区
28、、离层区或冒落区。当采空区倾角较大时或在倾角较大的下山，可以采用自溜和人工垒砌来完成充填；当采空区倾角较小或在倾角较小的下山和平巷进行矸石充填时是比较困难的，要采用一些设备进行处理。（2）矸石充填开采技术）矸石充填开采技术 采空区条带充填技术 采空区条带充填就是在煤层采出后顶板冒落前，采用矸石材料对采空区的一部分空间进行充填，构筑相间的充填条带，靠充填条带来支撑覆岩。只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩关键层的初次破断跨距，且充填条带能保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷，如图5-1所示。图5-1 采空区条带充填示意图 条带开采冒落区注浆充填技术 目前，我国主要采用条带开采技术来实现建筑物下压煤开
29、采，其主要缺点是煤炭采出率偏低，一般仅为30%50%。条带开采冒落区注浆充填就是条带开采情况下，通过地面或井下钻孔向采出条带已冒落采空区的破碎矸石进行注浆充填。同时利用充填材料与冒落区内矸石形成的共同承载体来缩短留设条带的宽度，以达到提高资源回采率的目的。6 煤炭地下气化技术煤炭地下气化技术6.1 概概 述述 煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，UCG)是指在煤层赋存地点直接获得可燃气体的过程，即在地下将固态矿物通过热化学过程变为气态燃料，然后由钻孔排到地面，供给用户。煤炭的地下气化原理是由原苏联著名化学家门捷列夫在1888年提出的。英国在1914年至19
30、59年共进行了62次小规模试验，并建成一座小型的地下气化发电站。苏联自1932年至1965年先后建立了12座地下气化站，美国自1946年至1963年也已试验成功，后因经济效果差而停止，我国自1958年先后在鹤岗、大同、抚顺、皖南等多个矿区进行了煤的地下气化试验，取得了热值为3.49-5.53MJ/m3的煤气，后因国民经济调整而相继停止。1994年，余力教授又在徐州新河矿、唐山刘庄矿进行气化试验，取得热值在13.69MJ/m3以上的煤气。今后煤层的地下气化研究方向，是向埋深为800m以下的煤层发展。6.2 煤炭地下气化原理及工艺煤炭地下气化原理及工艺1）气化原理）气化原理 煤炭地下气化是将含碳元
31、素为主的高分子煤，在地下燃烧转变为低分子的燃气，直接输送到地面的化学采煤方法。地下气化与地面气化的原理相同，产品也相同。它是将煤气发生炉与焦化炉产气原理融为一体。图6-1 煤炭地下气化原理 煤炭地下气化过程中可燃气体的产生，是在气化通道中三个反应区里实现的，即氧化区、还原区和干馏干燥区，如图6-1、6-2所示。干馏带干馏带气气化化剂剂通通道道气气化化剂剂通通道道煤煤气气通通道道气化采空气化采空自然带自然带自然带自然带干燥带干燥带干燥带干燥带干馏区干馏区干馏带干馏带燃烧气化带燃烧气化带燃烧气化带燃烧气化带图6-2 煤炭地下气化原理图2）煤炭地下气化工艺）煤炭地下气化工艺 由气化原理可知，必须首先
32、建造地下煤气发生炉，即生产车间。为此有两种准备方法：矿井式和无井式气化方法。矿井式是从地面向煤层凿出井筒后，用煤层平巷连通，点燃煤层，生产煤气。缺点是避免不了井下作业；密闭井巷工作复杂，漏气性大；气化过程不易控制。无井式气化方法就是用钻孔代替井筒，然后贯通两个钻孔，并点火形成火道，进行燃烧。燃烧工作就是煤的真正气化过程，这种气化工艺系统如图6-3所示。图6-4为重庆中梁山煤炭井工气化洁净能源生产系统图。图6-3 无井式气化生产工艺系统1排气钻孔；2鼓风钻孔；3燃烧(气化)工作面6.3 技术经济评价技术经济评价1）经济效益）经济效益 煤炭地下气化的成本，比地面气化成本（0.40-0.50元/m3
33、）降低50%以上，从科学采矿观点看，其完全成本最低，煤炭地下气化是经济效益是非常良好的。2）环境效益）环境效益 煤炭在开采、运输、装储和加工利用过程中，给人类生存环境造成了多项污染，影响人们身体健康和生活环境。煤炭地下气化过程中，燃烧过的灰碴、其他有害物及放射性物质留在地下，减少了地面沉陷及上述各过程中的环境污染。煤气能集中净化，分离后可得到洁净的能源氢，因此，地下气化技术的环境效益也是十分明显的。3）社会效益）社会效益 煤炭地下气化的过程，始终没有离开煤矿企业，这就为报废煤矿以及将报废煤矿转产提供机会，安排闲散劳力，是新型煤矿联合企业的雏型，是我国老矿井及煤炭行业改革的必由之路。最好的社会效
34、益就是实现了完全安全生产。6.4 适用条件及其发展方向适用条件及其发展方向1）煤炭地下气化适用条件）煤炭地下气化适用条件 煤炭地下气化不仅可以回收老矿井遗弃的煤炭资源，而且可以用于开采井工难以开采的或开采经济性、安全性差的薄煤层、急倾斜薄煤层、深部煤层和“三下”压煤，以及高硫、高灰、高瓦斯煤层等。一般来说，多孔而松软的褐煤及烟煤厚煤层比较容易气化，而薄煤层，含水分多的煤层和无烟煤较难气化。稳定而连续的煤层，顶底板的透气性小于煤层的透气性以及倾角超过35的中厚煤层对气化更为有利。利用气化去回收报废矿井的煤柱、边角煤也是国内外气化的一个方向。2）煤炭地下气化发展动态）煤炭地下气化发展动态煤炭地下气
35、化作为一种开发地下煤炭资源的新技术，将环境保护的重点放在源头，而非末端治理，是一项符合可持续发展需要的绿色开采技术，并且具有显著的经济效益和社会效益，必将成为我国洁净开采技术研究的重要领域。7 矿区废弃地生态修复技术矿区废弃地生态修复技术7.1 矿区废弃地环境影响要素分析矿区废弃地环境影响要素分析 矿区废弃地是指因采矿活动所破坏的，不经过治理而无法使用的土地。就煤矿而言，矿区废弃地可分为3种主要类型。排土场：伴随着露天煤炭开采，由剥离的表土和分选出的各种固体废弃物堆积形成的废弃地(图7-1)；图7-1 阜新海州露天矿排土场 采煤沉陷地：井工煤炭开采后，由采空区域塌陷形成的地表废弃地(图7-2)
36、；矸石山：由井工开采伴随着煤炭排出的煤矸石固体废弃物并在地表堆积形成的废弃地(图7-3)。图7-2 新疆煤田火区燃烧后引起地面塌陷图7-3 平煤集团四矿矸石山7.2 矿区废弃地生态修复的技术体系矿区废弃地生态修复的技术体系1 1）土地复垦技术）土地复垦技术 排土场复垦：排土场复垦：排土场排弃物料中岩石居多，土壤较少，在岩石层上进行农业复垦有一点难度，因而排土场主要适用于林业复垦，少量用于农业复垦或其他用途。2 2）露天矿采场复垦）露天矿采场复垦 露天矿采场的复垦主要取决于矿床赋存与地形条件，其次与围岩、表土及当地实际需要有关。3 3）煤矿塌陷地复垦）煤矿塌陷地复垦 对矿区塌陷地可以实行梯次动态
37、复垦，根据采区内煤层赋存情况，合理布置回采工作面，厚薄煤层交替配采，使地表塌陷呈梯次动态变化。煤矿塌陷地复垦技术可分为充填复垦与非充填复垦。4 4）植被修复技术）植被修复技术 植物修复是矿区废弃地生态修复的一项新兴的有潜力的绿色植物技术。植被恢复是矿区复垦生态工程最重要的环节，主要包括立地评价、整地措施、植物选择、播种栽植、施肥管理等方面。5 5）综合利用与管理技术）综合利用与管理技术 包括农业开发、林业开发、牧业开发、渔业开发、建筑与休闲娱乐开发五个方面。8 发展前景与工作展望发展前景与工作展望8.1 绿色开采发展前景绿色开采发展前景1）能源结构与可持续发展战略）能源结构与可持续发展战略 我
38、国能源工业经过50多年的发展，已基本形成了以煤炭为主、多种能源互补的能源生产体系。但我国煤炭在一次能源的生产和消费的比重一直占据第一的位置，分别为75和68左右。中国的现代化建设面临能源问题的严重挑战。由于中国人口、资源、环境以及经济、科技等因素的制约，能源供应长期以来不能满足经济迅速增长的需要，要解决中国现代化建设所面临的能源问题，必须改变依靠大量消费资源、增加能源供应来维持经济增长的状况，采取一条新的非传统的发展模式和发展战略，即保证持续发展的能源战略。这一新的发展战略与发达国家迥然不同，也有别于其它发展中国家，其基本思路和主要内容如下：（1）节能优先）节能优先 靠增加能源供应保证经济增长
39、的发展模式，受资金、资源、环境等因素的严重制约，已经越来越行不通了。而消费使用必将加剧能源短缺，削弱资源基础，延缓现代化进程。此外，中国节能潜力巨大，实施这一战略是中国经济持续、稳定、协调发展的关键一环，也是减少大气污染和CO2排放的最经济途径。（2）改善能源结构）改善能源结构 当前中国能源结构存在的主要问题是：煤炭比重过大，水电和天然气与其潜在的资源量极不相称；一次能源转换成电能比例和电力占终端能源消费比例太低；工业用能比例偏高，交通运输和民用能源比例过低；农村生活用能 70依靠生物质能源；煤、电、运发展不协调；能源产业结构不合理，能源供需的地区分布极不平衡。（3）环境保护与能源同步发展）环
40、境保护与能源同步发展 目前，燃煤引起的环境问题已经成为严重制约中国社会经济发展的一个因素，在一些重点城市和使用高硫煤的地区尤为突出。对于中国这样一个燃煤大国来说，唯一可行的就是大力发展绿色开采技术。2）煤层气发展前景）煤层气发展前景 （1）技术方面）技术方面 针对我国煤层渗透性低特点，研究切合实际的开发技术。存在的技术难题是，空气钻井技术、设备，无绳随钻测量技术没有突破，长距离定向水平井和羽状水平井钻井完井技术在我国不成熟、钻井设备性能较差，煤层气浓缩分离技术、低浓度煤层气利用技术不成熟。研究煤层气井的氮气泡沫压裂、CO2泡沫压裂以及大规模压裂技术，研究支撑剂类型和固砂能力。需要创造出符合我国
41、地质和储层条件的勘探开发技术。（2）社会、环境、经济效益方面）社会、环境、经济效益方面 煤层气引起的温室效应是CO2的21倍。近年来从煤矿散发的大量煤层气造成的大气污染，在世界范围内已日渐引起重视。据美国对全球2000m以内浅煤层气资源进行的评估，全球资源量大约为240万亿m3，是常规天然气的2倍以上。因此，开发利用煤层气资源可以化害为利、变废为宝，对改善我国能源结构，减少煤矿瓦斯灾害并提高生产效率和经济效益，以及保护大气环境都具有现实而深远的意义。3）洁净煤开采的发展前景）洁净煤开采的发展前景 洁净煤技术是指在煤炭从开发到利用全过程中，旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、燃烧、转化和污染控
42、制等新技术的总称。其包括两个方面的内容：煤的洁净开采和煤的洁净利用技术。（1）技术方面）技术方面 洁净煤技术的发展方向包含：减少环境污染的开采技术；提高煤炭利用效率的技术；脱硫、脱氮技术；煤炭转化技术；粉煤灰的有效利用技术等。（2）社会、环境、经济效益方面）社会、环境、经济效益方面 煤炭的清洁开采技术是洁净煤技术的延伸与扩展，其内涵是在生产高质量煤炭的同时，采取综合措施，使煤炭生产过程中伴生的废弃物对环境的污染减轻到最低限度。4）煤炭气化发展前景）煤炭气化发展前景 （1）技术方面）技术方面 主要解决气化过程的控制问题，冒顶问题，地下水进入气化带等问题。研究适于煤炭地下气化的先进燃气蒸汽联合循环
43、发电技术；煤炭地下气化环境监测和防治技术等。目前应集中研究气化基础和气化过程的数学模拟，并开发自动控制软件包、研究液态排渣理论、气化过程污染物如硫化物、氮化物及碱金属等气化过程迁移规律等，研究煤气高温除尘脱硫技术等。（2）社会、环境、经济效益方面）社会、环境、经济效益方面 煤炭地下气化是洁净、高效利用煤炭的先导技术和主要途径之一，是燃料电池、煤气联合循环发电技术等许多能源高新技术的关键技术和重要环节。我国煤炭地下气化具有很大的资源潜力，目前1500m以内适合地下气化的煤炭资源量达6244.6亿t。美国专家指出，煤炭地下气化与地面气化生产同下游产品相比，生产合成气成本可下降43，生产天然气代用品
44、成本可下降1018，发电成本可下降27。5）其）其 他他 （1）保水开采发展前景）保水开采发展前景 保水开采技术将有利于缓解煤炭工业发展与矿区水资源破坏和污染的矛盾。以山西省为例，从19902000年山西煤炭产量为29.8亿t，每年吨煤开采破坏地下水动储量值为1.41m，对水资源破坏造成的经济损失合计为50.42亿元。在今后工作中，应加强保水开采技术的研究与工业性试验，降低煤炭开采过程对水资源的破坏和影响技术。（2）土地和建筑物保护发展前景）土地和建筑物保护发展前景 离层注浆减沉应用的还不够广泛，需要解决的理论、实践问题还很多。水砂充填的效果好，但是水砂充填提高了吨煤成本，砂子用量大。将来的发
45、展趋势是利用矸石井下充填技术。该技术还是一项矸石处理利用新思路、新技术。（3）煤炭液化发展前景）煤炭液化发展前景 煤炭液化是一项战略性产业发展项目，国内煤炭直接液化、间接液化两类技术均缺乏实施工业化的技术支持能力，因此目前主要采取的途径是引进国外技术建设商业化示范工厂。在引进技术同时，需注重配套国内技术研究和开发。8.2 今后的工作今后的工作1）国家的产业政策方面）国家的产业政策方面 （1）产业政策的选择目标与基本原则）产业政策的选择目标与基本原则 任何一个产业政策的制定和实施，其根本的目的是快速发展国民经济，保持国民经济的可持续发展，造福人民。绿色开采产业政策的选择同样如此，政策的选择原则：
46、必须符合市场经济运作的一般规律。强调从比较优势出发，积极参与国际分工和国际合作。要注重对人力资源的开发。必须从保护环境和资源的角度出发来制定促进产业发展措施。（2）政策建议）政策建议 绿色开采是形成绿色矿业及矿区绿色家园的重要组成部分，政府应该对煤炭企业加以关心与支持，给予绿色煤炭工业健康发展的相应扶持政策，如：建立新的煤炭资源配置机制与保证体系。加强资源管理，实现可持续发展。加快科技进步，积极倡导绿色开采技术创新。2）科学研究方面）科学研究方面研究动态为：将有一定含量的瓦斯视为资源，变害为利，形成煤与瓦斯协调开采系统；根据地层条件，确定合理的保水开采方法，确保水资源得以合理利用；根据具体条件
47、，形成村镇下充填条带开采、离层区注浆等保护建筑物技术，对塌陷土地采取复垦技术；根据经济和环保原则，形成矸石井下处理技术或地面矸石利用技术，加强煤层内巷道维护技术的研究，推广洁净开采；加强煤炭地下燃烧过程控制技术研究，使煤炭地下气化尽快形成工业化生产规模。3）煤炭企业方面）煤炭企业方面 （1）树立绿色价值观）树立绿色价值观 树立绿色理念、培育绿色企业文化企业价值观是现代企业的核心，在绿色文明时代来临之际，树立绿色价值观，即将环境保护作为煤炭企业生存发展的基础之一，是煤炭企业推行先进管理模式、构建和谐矿区的关键。（2）依靠科技进步）依靠科技进步 煤炭企业要依靠科技进步，加大企业技术改造力度，促进产业结构调整，增强企业的技术创新能力、抗灾能力，提高企业竞争力，坚定不移地实施科教兴煤和可持续发展战略，促进煤炭工业向安全、高效、洁净、优质的方向发展。（3）加强国际合作）加强国际合作 煤炭企业要要通过多种有效方式加强国际合作，进入国际技术市场，学习、引进和借鉴发达采煤国家的先进技术，并在消化和吸收的基础上加以创新，开发出拥有自主知识产权的、符合我国煤炭生产实际的新技术。在学习的同时也应该看到新中国煤炭工业经过半个多世纪的努力，技术水平也有了长足进展。所以我们也要努力参与国际煤炭技术市场的竞争，输出先进采煤技术和装备。END
