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)摘要長期以來,我國煤炭開采中矸石直接出井,引起的污染問題越來越突出,極大地阻礙了環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。闡述了控制矸石出井,綜合利用現(xiàn)用矸石,減少矸石對土地的占用,減輕環(huán)境污染的具體實施方案,具有巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞綠色減矸開采;圍巖應(yīng)力;煤巷;矸石處理;效益中圖分類號:TD823.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B文章編號 :1672 - 0652(2008)07& 08 -0030 -041概述3綠色減矸開采方案矸石是煤礦在建井、開拓掘進(jìn)、采煤和煤炭洗選3.1 煤層的分類過程中排出的含碳巖石及巖石等多種礦巖組成的混依據(jù)煤層的厚度可將煤體分為4類: 1)特厚煤合物,主要成分有殘煤、碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)泥巖、泥質(zhì)頁層。2)厚煤層。3)中厚煤層。4)薄煤層。依據(jù)煤巖及砂巖等。據(jù)統(tǒng)計",我國煤矸石每年的排放量層穩(wěn)定情況可將煤層劃分為4類:1)穩(wěn)定煤層。2)約占當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的15% ~20%，目前全國累計堆較穩(wěn)定煤層。3)不穩(wěn)定煤層。4)極不穩(wěn)定煤層。存45億t,占地約1.5萬hm',而且仍在逐年增長。.3.2 方案的實施.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)雨水淋漓會污染土壤和水質(zhì),影石綜合利用。響當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康。但是,矸石兼有煤巖石、化減矸開采必須要從“設(shè)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(qū)環(huán)境,還能節(jié)約資后的矸石盡量井下處理,對井上現(xiàn)有的矸石和出井矸源，促進(jìn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展,對于構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)石要采用新技術(shù)進(jìn)行高效、大量的處理。境友好型社會起到積極的作用。3.2.1 煤巷2綠色減矸開 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(jù)頂?shù)装宓牟煌潭?區(qū)域巖層的構(gòu)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(shù),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)、開采規(guī)模、采煤方-般厚煤層煤巷圍巖全部或大部分為煤巖,而煤法、開拓方式、工作面尺寸、巷道布置,采空區(qū)的處理巖力學(xué)性能較差,大多屬軟巖,在深部高地應(yīng)力作用，方式,當(dāng)前矸石處理技術(shù)等。隨時間斤帥山北當(dāng)明日的洧亦佐性。有些大斷面的中國煤化工TYHCNMHG①作者簡介: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:煤炭綠色減矸開采●31.煤巷經(jīng)過幾個月的流變,會收斂成人都難以通過的硐水平構(gòu)造應(yīng)力組成。頂板巖層在水平應(yīng)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(xiàn)兩種破壞形式:- -是,薄層頁巖類巖層沿層面b)薄煤層煤巷?；?二是,厚層的砂巖類巖層以小角度或小斷層產(chǎn)薄煤層煤巷頂?shù)装?般為巖層。巷道受圍巖巖生剪切,頂板失穩(wěn)冒落。在厚煤層中,水平應(yīng)力在煤性影響與厚煤層巷道相比較大,因此,在薄煤層中開巷兩幫引起較大的拉應(yīng)力,造成兩幫破壞。由于構(gòu)造掘煤巷就要根據(jù)頂、底板巖層的實際變形情況來決定應(yīng)力具有明顯的方向性,在構(gòu)造應(yīng)力影響較強(qiáng)烈的區(qū)所屬的穩(wěn)定類型,進(jìn)而決定支護(hù)方式、支護(hù)對象、支護(hù)域,要重視煤巷布置方向,依靠調(diào)整巷道方向與構(gòu)造強(qiáng)度。應(yīng)力方向間的關(guān)系,減弱圍巖的應(yīng)力集中程度。2)煤巷圍巖應(yīng)力場。3)煤巷布置。a)煤體內(nèi)掘進(jìn)巷道引起的圍巖應(yīng)力。a)在時間和空間上盡量避開采掘活動的影響,煤巷掘進(jìn)后原巖應(yīng)力重新分布,圍巖內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力最好將煤巷布置在應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi)。集中,如果應(yīng)力小于圍巖強(qiáng)度,圍巖仍處于彈性狀態(tài)，b)選擇穩(wěn)定的煤層布置巷道。如果大于圍巖強(qiáng)度,圍巖會出現(xiàn)塑性變形,從巷道周c)煤巷通過地質(zhì)構(gòu)造帶時,巷道軸向應(yīng)盡量垂邊向圍巖深處擴(kuò)展到- - 定范圍,出現(xiàn)塑性變形區(qū),為.直斷層構(gòu)造帶或向、背斜構(gòu)造。彈塑性介質(zhì),再向圍巖深部，即為彈性區(qū)。各向等壓d)煤巷的軸線方向盡可能與構(gòu)造應(yīng)力方向平情況下,圓形煤巷塑性區(qū)半徑R和周邊位移u的計行 ,避免與構(gòu)造應(yīng)力方向垂直。算式3):e)在工作面設(shè)計時,應(yīng)盡可能把主要的服務(wù)年(R=ro[(P+C : cote)(1-sire)]一限長的煤巷方向設(shè)計與主地應(yīng)力方向-致。p:+C●cotp4)煤巷控制原理。_Tosing x (P+C : couq)=(1 -sing)三根據(jù)煤巷圍巖應(yīng)力、強(qiáng)度之間的關(guān)系、選擇合適(P:+C. coup)s的巷道布置及維護(hù)方式,降低煤巖應(yīng)力、增強(qiáng)煤巖強(qiáng)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(yīng)力;的變形、破壞。.P:一支護(hù)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(guī)律:φ-圍巖的內(nèi)摩擦角; .a)變形具有明顯的時間效應(yīng),初始變形速度很C一圍巖的黏聚力;大,變形趨于穩(wěn)定后仍以較大速度產(chǎn)生流變,持續(xù)時G一圍巖的剪切彈性模數(shù)。間較長。其中,R、u為煤巷錨桿支護(hù)初始設(shè)計的重要b)巷道多表現(xiàn)為環(huán)向受壓,且為非對稱性。頂參數(shù)。板變形易冒落,底板產(chǎn)生強(qiáng)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(yīng)力的增大,呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系迅速增長,指數(shù)c)變形隨埋深增加而增大,存在一個軟化臨界的大小取決于p的變化,4值越小，指數(shù)越大,u值增深度,超過臨界深度變形量急劇增加。長越迅速;煤巷的塑性區(qū)半徑R和周邊位移u隨內(nèi)d)巷道變形在不同的應(yīng)力作用下,具有明顯的摩擦角和黏聚力的減小，即圍巖強(qiáng)度降低。方向性。b)構(gòu)造應(yīng)力引起的圍巖應(yīng)力。針對這些變形特征,有以下幾種措施:構(gòu)造應(yīng)力主要集中在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動比較劇烈的中國煤化工地區(qū),如褶曲區(qū)域、斷層附近等,以水平應(yīng)力為主,且:fYHCNMHG值相航道圍巖深具有明顯的方向性和區(qū)域性。水平應(yīng)力是由煤巖層部轉(zhuǎn) 移,巷道處于應(yīng)力降低區(qū),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(bǔ)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(cè)布置卸壓巷硐。將集中應(yīng)力轉(zhuǎn)d)注漿保護(hù)。移至遠(yuǎn)離巷道的承載煤柱上,僅有很小-部分應(yīng)力作通過對圍巖注漿,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(yīng)力降低碎圍巖形成承載結(jié)構(gòu),從而提高巖體強(qiáng)度。區(qū)內(nèi)。將注漿和錨桿結(jié)合起來,形成錨注支護(hù),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(hù)效果。徐州旗山煤礦東大巷錨注前后演示進(jìn)時把巷道兩側(cè)6~8 m寬的煤采出,將矸石充填至物理力學(xué)性質(zhì)變化見表1。兩側(cè)采出空間,充填體與巷道兩側(cè)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(shù)巷道掘出后,周邊產(chǎn)生的集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移至離巷道較遠(yuǎn).力學(xué)性質(zhì)參數(shù)未錨注段錨注段增長率/%的煤幫,巷道位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi),煤幫與充填體之間單軸抗壓強(qiáng)度/MPa29.869.734的空隙，作為煤體變形的補(bǔ)償空間,對維護(hù)巷道穩(wěn)定抗拉強(qiáng)度/MPa1.832.38粘聚力/MPa2. 8910.67270有較好的效果。| 內(nèi)摩擦角/(°)26.936.837b)支架支護(hù)。彈性模量/MPa2. 35x100003.41x10000 45分部位,分時期,分步驟進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)。l 泊松比0.260.30(1)關(guān)鍵部位支護(hù)。煤巷的破壞是一個時間過程,往往是從一-個或幾由表1可知,巷道錨注段兩幫位移量僅為非錨注個部位開始變形、損傷,進(jìn)而導(dǎo)致整個巷道損壞。因段的22% ~42% ,頂板下沉量為6% ~26%。此,及時對關(guān)鍵部位進(jìn)行支護(hù)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)主動柔性支護(hù)。煤巷掘進(jìn)時,如果煤層厚度小于巷道設(shè)計高度,在圍巖剛進(jìn)人塑性變形時，進(jìn)行柔性支護(hù),通過在掘進(jìn)煤-巖巷時采用煤巖分掘、分運(yùn)施工方式,使初撐力加大圍巖的圍壓,提高圍巖強(qiáng)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,方便了直接頂離層;支架在允許圍巖有限變形的同時,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,開掘煤層寬度大于巷道設(shè)計寬度，和圍巖的承載能力。把寬出部分用矸石充填,就地及時利用掘出矸石,減(3)實行二次支護(hù)。少了排矸費(fèi)用,消除了矸石污染,還可以給巷道卸壓,當(dāng)巷道圍巖達(dá)到穩(wěn)定前,變形量較大,延續(xù)時間防止煤層自然發(fā)火,提高煤炭回收率。較長,需要開巷后進(jìn)行-一次支護(hù)。一次支護(hù)允許圍巖3)矸石回填置換開采。.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設(shè)備回填到掘出的巷后,進(jìn)行二次支護(hù)。二次支護(hù)應(yīng)在初次支護(hù)尚未失道內(nèi), 實現(xiàn)利用矸石置換煤,矸石不出井,地表不效,圍巖移動速度已經(jīng)很小的適當(dāng)時間進(jìn)行。塌陷。c)錨桿支護(hù)。4)矸石構(gòu)筑巷幫。(1)通過測量相關(guān)數(shù)據(jù),計算出圍巖的破碎區(qū)、在采空區(qū)利用矸石構(gòu)筑巷幫作巷道支護(hù),不僅塑性區(qū)的范圍,進(jìn)而確定錨桿的類型、支護(hù)的密度,計利用了矸石,還可回采護(hù)巷煤柱。算時可采用工程類比法、理論計算法或系統(tǒng)設(shè)計法。5)井下選煤。(2)結(jié)合地應(yīng)力資料進(jìn)行合理支護(hù),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(hù)的可靠性和準(zhǔn)確度。下中國煤化工,并把選煤的所有(3)當(dāng)使用單體錨桿不能有效控制圍巖時,可采廢棄MYHCNMH G用組合錨桿支護(hù),如錨梁網(wǎng)支護(hù),桁架錨桿支護(hù),錨注6)矸石粉碎注漿。.支護(hù)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:煤炭綠色減矸開采.33.充填,也可以作為井下道路材料，現(xiàn)澆混凝土材料等。量少。7)采空區(qū)直接回填采空區(qū)。5)煤矸石生產(chǎn)農(nóng)肥及改良土壤。3.2.3矸石綜合利用a)煤矸石制備有機(jī)復(fù)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(fù)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)行素和營養(yǎng)成分,可將其用于改良土壤,調(diào)節(jié)土壤的酸復(fù)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(qū)、煤礦采空區(qū)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(yīng)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(xiàn)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(yù)處理大、利用徹底的特點(diǎn)，為煤矸石的資源化利用開辟了步驟。- -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(jié)語c)煤矸石制氣。傳統(tǒng)開采地面排矸產(chǎn)生的矸石山對環(huán)境的污染用煤矸石在回轉(zhuǎn)式自動排渣煤氣發(fā)生爐中可以與破壞嚴(yán)重。綠色減矸開采將從3個方面著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(xiàn)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(qū)的大氣污染和a)煤矸石制磚。地下水的污染,并且回收有價值資源,有很強(qiáng)的實用b)煤矸石生產(chǎn)水泥。價值,具有顯著的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。煤矸石代黏土燒制硅酸鹽水泥熟料。煤矸石主要選用洗矸，巖石類型以泥質(zhì)巖石為主,砂巖含量盡收稿日期2008 -05 -23[1]錢鳴高 ,繆協(xié)興,許家林.資源與環(huán)境協(xié)調(diào)(綠色)開采及其技術(shù)體系[J].采礦與安全工程學(xué)報,2006 ,23(1):1-5.[2] 錢鳴高,許家林 ,繆協(xié)興煤礦綠色開采技術(shù)[].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003 ,32(4) :343 -347.[3]錢鳴高 ,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