礦區(qū)綠色開(kāi)采技術(shù)課件

礦區(qū)綠色開(kāi)採(cǎi)

技術(shù)

綠色開(kāi)採(cǎi)是一種遵循迴圈經(jīng)濟(jì)綠色工業(yè)的原則，形成開(kāi)採(cǎi)與環(huán)境協(xié)調(diào)一致，實(shí)現(xiàn)“低開(kāi)採(cǎi)、高效率、低排放”的開(kāi)採(cǎi)技術(shù)。0緒論

1保水開(kāi)採(cǎi)技術(shù)

2土地與建築物保護(hù)技術(shù)

3煤與瓦斯協(xié)調(diào)開(kāi)採(cǎi)技術(shù)

4潔淨(jìng)開(kāi)採(cǎi)技術(shù)

5煤層地下氣化技術(shù)

6礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)技術(shù)

7煤炭工業(yè)的發(fā)展前景1善待地球2我國(guó)煤炭資源及其開(kāi)採(cǎi)歷史3煤炭開(kāi)採(cǎi)對(duì)環(huán)境的影響4礦區(qū)生態(tài)治理與修復(fù)5綠色開(kāi)採(cǎi)的重要意義和技術(shù)體系O緒論一、善待地球

2007年4月22日是第38個(gè)“世界地球日”，其宣傳主題為：“善待地球——從節(jié)約資源做起”。重點(diǎn)落實(shí)以人為本，全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展觀，樹(shù)立善待地球人人有責(zé)，節(jié)約資源可以從身邊做起、從自身工作做起的全民意識(shí)，構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)。

需要保護(hù)的資源：土地資源、礦產(chǎn)資源、水資源、海洋資源、生物資源等自然資源。自然資源是地球母親給予人類(lèi)的寶貴財(cái)產(chǎn)，資源和環(huán)境，是人類(lèi)賴以生存的基本條件，是人類(lèi)賴以生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。地球是人類(lèi)的共同家園。它的資源並不是取之不盡、用之不竭的。在過(guò)去30年裏，全球環(huán)境狀況持續(xù)惡化。人類(lèi)在最大限度地從自然界獲得各種資源的同時(shí)，也以前所未有的速度破壞著全球生態(tài)環(huán)境，全球氣候和環(huán)境因此急劇變化。統(tǒng)計(jì)表明：1860年以來(lái)，全球年平均溫度升高0.6℃，最暖的13個(gè)年份均出現(xiàn)在1983年以後；世界上約有40﹪的人口嚴(yán)重缺水；全球12﹪的鳥(niǎo)類(lèi)和1/4的浦乳動(dòng)物瀕臨滅絕。

羅馬俱樂(lè)部是關(guān)於“未來(lái)學(xué)”研究的國(guó)際性民間學(xué)術(shù)團(tuán)體，也是一個(gè)研討全球問(wèn)題的全球智囊組織。該組織成立於1968年4月，總部設(shè)在義大利羅馬。宗旨是通過(guò)對(duì)人口、糧食、工業(yè)化、污染、資源、貧困、教育等全球性問(wèn)題的系統(tǒng)研究，提高公眾的全球意識(shí)，敦促國(guó)際組織和各國(guó)有關(guān)部門(mén)改革社會(huì)和政治制度，並採(cǎi)取必要的社會(huì)和政治行動(dòng)，以改善全球管理，使人類(lèi)擺脫所面臨的困境。最近，世界保護(hù)自然基金會(huì)稱，按照目前的資源消耗情況，2050年的地球人只能遷居到兩顆與地球相仿的星球上，因?yàn)榻?0年人類(lèi)就已經(jīng)消耗了地球上三分之一的可用資源，而對(duì)資源的消耗每年還以1.5%的速度增長(zhǎng)著。從1950年到2003年，全球用水量提高了3倍、燃料提高4倍、肉類(lèi)提高4.5倍、二氧化碳增加4倍；1961年到2002年的紙張消耗增加了4.23倍。

美國(guó)的人口占世界6%，消耗資源占35%，一個(gè)美國(guó)孩子的消耗量等於125個(gè)印度孩子。因此，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水準(zhǔn)的提高，資源消耗將會(huì)加速。

世界自然基金會(huì)目前發(fā)表的年度“生命地球報(bào)告”指出：在過(guò)去20年的時(shí)間裏，人類(lèi)消耗自然資源的速度，已經(jīng)超過(guò)了大自然再造資源的速度。這意味著，人類(lèi)已經(jīng)不是依靠自然資源產(chǎn)生的“利息”生存，而是在消耗大自然的“本金”。報(bào)告預(yù)測(cè)，如果這種狀態(tài)不發(fā)生改變，整個(gè)地球的生態(tài)系統(tǒng)就面臨著在本世紀(jì)中葉發(fā)生大規(guī)模崩潰的危險(xiǎn)。

（1）消耗速度比再生速度快研究人員用一種被稱作“人類(lèi)生態(tài)腳印”的參數(shù)，來(lái)表示為了提供人類(lèi)生活所需要的自然資源，地球上平均每個(gè)人所需要的陸地和海洋面積。據(jù)計(jì)算，到2003年，平均每個(gè)人的“生態(tài)腳印”是2.2萬(wàn)m2，而大自然只能再生相當(dāng)於1.8萬(wàn)m2的人類(lèi)生存資源。這意味著人類(lèi)消耗資源的速度，比大自然再生資源的速度快了25％。

（2）物種數(shù)量大幅減少

在科學(xué)家追蹤研究的1313種脊椎動(dòng)物中，有30％

的物種在過(guò)去30多年的時(shí)間裏，數(shù)量發(fā)生了大幅度的減少。熱帶動(dòng)物，它們的數(shù)量平均減少了55％。海洋動(dòng)物數(shù)量減少約為25％。

（3）人類(lèi)必須改變生活習(xí)慣科學(xué)家指出，人類(lèi)把自然資源變成廢物的速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了自然界將這些廢物重新轉(zhuǎn)化成資源的速度。這是因?yàn)槿祟?lèi)的生活習(xí)慣發(fā)生了變化，變得越來(lái)越浪費(fèi)。要防止情況繼續(xù)惡化，人類(lèi)必須從改變生活習(xí)慣做起。二、我國(guó)煤炭資源及其開(kāi)採(cǎi)歷史

1、煤炭資源情況我國(guó)煤炭資源豐富，品種齊全，尤其是適用於動(dòng)力用煤的煤種，比如氣煤、長(zhǎng)焰煤、不粘煤、褐煤、無(wú)煙煤等儲(chǔ)量較大。我國(guó)煤炭資源不同聚煤期分佈比例

我國(guó)各級(jí)含硫煤資源儲(chǔ)量分佈比例

另外，包括3317億t基礎(chǔ)儲(chǔ)量和6872億t資源量，共計(jì)約1萬(wàn)億t的資源，可以留給後人勘探開(kāi)發(fā)。2000年全球探明可采儲(chǔ)量分佈如上圖。2000年全球煤炭探明可采儲(chǔ)量分佈

截至2002年年底，中國(guó)探明可直接利用的煤炭?jī)?chǔ)量1886億t，地下深度1000m以內(nèi)的儲(chǔ)量已超過(guò)1100億t，列於美、俄之後居世界第三位，可以開(kāi)採(cǎi)上百年。我國(guó)煤資源儲(chǔ)量分佈圖

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，在我國(guó)的能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭一直佔(zhàn)有主導(dǎo)地位，煤炭產(chǎn)量約占全國(guó)一次能源生產(chǎn)總量的70％。世界各國(guó)各種能源消耗占能源總消耗的比例（1997）表

2、煤炭開(kāi)採(cǎi)歷史

我國(guó)煤炭生產(chǎn)已有七千年曆史，是世界上發(fā)現(xiàn)、利用煤炭較早的國(guó)家之一。天工開(kāi)物中最早的採(cǎi)煤記載現(xiàn)代化的採(cǎi)煤礦井——神東大柳塔礦

（1）發(fā)現(xiàn)和早期利用階段新石器時(shí)代-春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期（或秦），煤已經(jīng)是重要產(chǎn)品，稱石涅。

（2）初步發(fā)展時(shí)期

兩漢、魏晉南北朝時(shí)期，已發(fā)現(xiàn)了一定規(guī)模的煤井和相應(yīng)的技術(shù)，煤已經(jīng)用於冶鐵和煉銅。稱石墨。

（3）發(fā)展時(shí)期

唐-明明末宋應(yīng)星《天工開(kāi)物》煤炭卷中，記載了古代煤炭的生產(chǎn)技術(shù)——開(kāi)掘立井、安設(shè)木絞車(chē)提升煤炭，用竹竿引出地下的有害氣體，在煤層中掘進(jìn)巷道，在頂?shù)装搴途菜闹苡媚静闹蔚取?/p>

（4）近代史

隨著一些機(jī)械設(shè)備在煤礦中的應(yīng)用，促進(jìn)了採(cǎi)煤技術(shù)的發(fā)展。如，綜采工作面最高年產(chǎn)899.3萬(wàn)t，神東榆家梁礦；綜放工作面最高年產(chǎn)642萬(wàn)t，兗礦東灘礦；掘進(jìn)工作面最高月進(jìn)尺3004.5m，神東連續(xù)採(cǎi)煤機(jī)。全國(guó)煤炭產(chǎn)量由1949年的3740萬(wàn)t，提高到2008年的27.16億t，居世界第一位。

按照國(guó)家發(fā)改委《煤炭工業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃》，2010年中國(guó)煤炭產(chǎn)量將控制在26億t?，F(xiàn)有生產(chǎn)、在建的小煤礦產(chǎn)能，要由2005年的10.8億t壓減到2010年的7億t以內(nèi)?！笆晃濉逼陂g，全國(guó)新開(kāi)工大中型煤礦主要分佈在13個(gè)大型煤炭基地內(nèi)；大型煤炭基地產(chǎn)量將達(dá)到22.4億t，占規(guī)劃中全國(guó)煤炭產(chǎn)量的86％。三、煤炭開(kāi)採(cǎi)對(duì)環(huán)境的影響及其表現(xiàn)形式煤炭開(kāi)採(cǎi)過(guò)程中產(chǎn)生的有毒有害氣體對(duì)水資源、土地和空氣都造成了不同程度的污染破壞，其主要表現(xiàn)形式有以下三個(gè)方面。

1、煤礦開(kāi)採(cǎi)對(duì)水資源的破壞對(duì)水資源的破壞主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是導(dǎo)致地下水位的大幅度下降，水源枯竭，地表植被乾枯，自然景觀破壞，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降，嚴(yán)重時(shí)可引起地表土壤沙化；二是開(kāi)採(cǎi)造成地表及地下水污染。圖為山西保德縣煤礦開(kāi)採(cǎi)采空區(qū)沉陷引起的嚴(yán)重水土流失。

采空區(qū)沉陷引起的水土流失

2、煤礦開(kāi)採(cǎi)造成土地資源的破壞煤炭開(kāi)採(cǎi)對(duì)土地資源的破壞損害，井工開(kāi)採(cǎi)以地表塌陷和矸石山壓占為主，而露天開(kāi)採(cǎi)則以直接挖損和外排土場(chǎng)壓占為主。安家?guī)X露天礦采場(chǎng)采空區(qū)沉陷引起土地破壞

3、產(chǎn)生大量有毒有害氣體地下礦層中賦存的大量有毒有害氣體，如CH4、CO、CO2、SO、SO2、H2S等。由於開(kāi)採(cǎi)，經(jīng)礦井通風(fēng)風(fēng)流並攜帶大量粉塵及有害氣體排至大氣。煤炭開(kāi)採(cǎi)對(duì)空氣造成的污染

4、傳統(tǒng)採(cǎi)煤方法所造成的環(huán)境破壞問(wèn)題

（1）煤炭開(kāi)採(cǎi)造成巖層移動(dòng)破壞，引起巖層中水與瓦斯的流動(dòng)，導(dǎo)致煤礦瓦斯事故與井下突水事故。同時(shí)，瓦斯排放到大氣中會(huì)引起環(huán)境污染。煤炭開(kāi)採(cǎi)又直接影響到地下水的流失，甚至引起土地沙漠化。據(jù)測(cè)算，煤炭開(kāi)採(cǎi)全國(guó)平均噸煤水代價(jià)是2t，華北地區(qū)10t，最高達(dá)47t，煤礦排水量已占北方地區(qū)巖溶水資源的19%，利用率僅有30%。

（2）煤炭開(kāi)採(cǎi)引起巖層移動(dòng)，進(jìn)而造成地表沉陷，導(dǎo)致農(nóng)田、建築設(shè)施的損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，全國(guó)因煤炭開(kāi)採(cǎi)引起的破壞和占?jí)和恋?3萬(wàn)hm2，平均每采萬(wàn)噸煤塌陷土地0.2hm2，每年新增塌陷地約2萬(wàn)hm2。

（3）煤炭開(kāi)採(cǎi)形成的大量堆積在地面的矸石，既佔(zhàn)用良田，又造成環(huán)境污染。現(xiàn)已積存矸石30億t，且每年仍以1.5～2億t的數(shù)量在增加。全國(guó)1500座矸石山中有140座在自燃，對(duì)大氣、土地和環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

（4）隨著我國(guó)礦井開(kāi)採(cǎi)深度的不斷增加，礦山壓力顯現(xiàn)及衝擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻次增加，強(qiáng)度增大，危及礦井的安全生產(chǎn)。

上述問(wèn)題若得不到有效解決，在未來(lái)幾十年內(nèi)，隨著能源總需求和煤炭產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)，煤炭資源開(kāi)採(cǎi)所帶來(lái)的礦區(qū)安全和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題將更為嚴(yán)重，人類(lèi)的生存和社會(huì)發(fā)展環(huán)境將受到嚴(yán)重威脅。安家?guī)X露天礦采場(chǎng)治理後

安家?guī)X露天礦采場(chǎng)

土地複墾技術(shù)：:細(xì)菌快速生物複墾法、無(wú)覆土生物複墾法、抗侵蝕被法和基於城市污泥的水力播灑法等。植被修復(fù)技術(shù)是一項(xiàng)新興的、有潛力的綠色植物技術(shù)，植物修復(fù)環(huán)境技術(shù)經(jīng)過(guò)近10年的研究，有些研究成果即將進(jìn)入市場(chǎng)。四、礦區(qū)生態(tài)治理與修復(fù)礦區(qū)生態(tài)治理與修復(fù)包括土地複墾、廢棄地治理與利用和植被修復(fù)等三個(gè)方面。五、綠色開(kāi)採(cǎi)的重要意義和技術(shù)體系

1、國(guó)內(nèi)外綠色開(kāi)採(cǎi)簡(jiǎn)介

國(guó)外一些發(fā)達(dá)的采煤國(guó)家非常注重煤炭開(kāi)采與開(kāi)采區(qū)環(huán)境的保護(hù)問(wèn)題。近百年來(lái)，為了控制地表沉陷并實(shí)現(xiàn)在建筑物下采煤，逐漸發(fā)展形成了包括充填開(kāi)採(cǎi)、聯(lián)合開(kāi)採(cǎi)、協(xié)調(diào)開(kāi)採(cǎi)、條帶開(kāi)採(cǎi)、房柱式開(kāi)採(cǎi)和離層區(qū)注漿等多種開(kāi)採(cǎi)方法。充填開(kāi)採(cǎi)法在波蘭、德國(guó)應(yīng)用較多，主要採(cǎi)用水力和風(fēng)力充填方式，將河砂、煤矸石和電廠粉煤灰等充填材料進(jìn)行采空區(qū)充填，充填後地表下沉係數(shù)為0.1～0.2。以房柱式開(kāi)採(cǎi)法控制地表沉陷主要應(yīng)用在美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家，其煤炭采出率一般50～60%，地表下沉係數(shù)為0.35～0.68。膏體充填技術(shù)是20世紀(jì)70年代末在德國(guó)金屬礦山發(fā)展起來(lái)的，90年代初應(yīng)用在煤礦進(jìn)行工作面采空區(qū)的充填，由於德國(guó)礦井相繼關(guān)閉等原因，該項(xiàng)技術(shù)並沒(méi)有得到深入研究和應(yīng)用。但該項(xiàng)技術(shù)所具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好效果在加拿大、美國(guó)、南非等國(guó)家的金屬礦山得到推廣應(yīng)用，現(xiàn)已成為21世紀(jì)金屬礦山充填技術(shù)的重要發(fā)展方向。

我國(guó)自20世紀(jì)60年代初首先在撫順勝利礦通過(guò)水砂充填法進(jìn)行控制地表沉陷的研究，成功地進(jìn)行了車(chē)輛修理廠和大型石油煉油廠下的煤炭開(kāi)採(cǎi)。此後，在新汶礦區(qū)的孫村、良莊、協(xié)莊礦進(jìn)行了水砂充填試驗(yàn)。條帶開(kāi)採(cǎi)法在我國(guó)撫順、阜新、蛟河、峰峰、平頂山、徐州等礦區(qū)得到了推廣應(yīng)用，煤炭采出率一般在40～68%，但在煤層厚度較厚、采深較深的條件下，其采出率卻較低。20世紀(jì)80年代後期，我國(guó)在多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了離層區(qū)注漿減沉試驗(yàn)，但由於其減沉效果的局限性，推廣應(yīng)用受到了限制。儘管我國(guó)在煤炭開(kāi)採(cǎi)中的地表控制方面進(jìn)行了廣泛深入地研究，並取得了一定的成效，但與美國(guó)、德國(guó)、波蘭等發(fā)達(dá)採(cǎi)煤國(guó)家相比還存在一定差距。在煤礦開(kāi)採(cǎi)的矸石處理技術(shù)、采空區(qū)充填技術(shù)、短壁開(kāi)採(cǎi)技術(shù)等方面還需要開(kāi)展大量的工作。近年來(lái)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在低成本膏體充填材料的開(kāi)發(fā)和充填工藝的研究方面取得了突破性的進(jìn)展。圍繞高效與綠色開(kāi)採(cǎi)方面，與兗州礦區(qū)、淄博礦區(qū)和淮北礦區(qū)等共同合作進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的企業(yè)重大合作專案的研究。

2、綠色開(kāi)採(cǎi)的重要意義和技術(shù)體系

20世紀(jì)80年代初聯(lián)合國(guó)呼籲：“必須研究自然的、社會(huì)的、生態(tài)的、經(jīng)濟(jì)的以及利用自然資源過(guò)程中的基本關(guān)係，確保全球持續(xù)發(fā)展?！敝链耍翱沙掷m(xù)發(fā)展”的概念在全球引起各界人士的廣泛關(guān)注與認(rèn)同。近期提出的迴圈經(jīng)濟(jì)是指遵循自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)迴圈和能量流動(dòng)規(guī)律，重構(gòu)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，將經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高效有序地組成一個(gè)“資源利用——綠色工業(yè)——資源再生”的封閉型物質(zhì)能量迴圈的回饋式流程，保持經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的低消耗、高質(zhì)量、低廢棄，從而將經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響破壞降低到最低程度。塔山工程迴圈經(jīng)濟(jì)的定位：“資源—產(chǎn)品—廢棄物—再生資源”的回饋式迴圈經(jīng)濟(jì)；3.5km長(zhǎng)的現(xiàn)代化全封閉輸煤棧橋，把礦井和洗煤廠緊緊相連；原煤全部入洗，精煤就地裝入萬(wàn)噸專列或儲(chǔ)煤罐外運(yùn)，煤泥等副產(chǎn)品由專用通道送往電廠和高嶺巖廠，電廠排出的粉煤灰作水泥廠的原料，水泥廠排放的廢渣又供砌體建材廠使用。如按傳統(tǒng)方法開(kāi)採(cǎi)，塔山每年將排出450萬(wàn)t矸石。現(xiàn)在矸石進(jìn)了電廠，還可通過(guò)電廠尾氣取代周邊56座燃煤鍋爐，供熱550萬(wàn)m2，創(chuàng)效上億元。大同塔山工業(yè)園

“資源開(kāi)採(cǎi)-環(huán)境保護(hù)-礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展”的平衡關(guān)係，是我國(guó)21世紀(jì)資源開(kāi)發(fā)的全局性課題，即煤炭“綠色開(kāi)採(cǎi)”，符合這一平衡關(guān)係的礦區(qū)開(kāi)發(fā)模式，稱之為可持續(xù)發(fā)展的“綠色礦區(qū)”模式。其核心內(nèi)容之一就是要實(shí)現(xiàn)“綠色開(kāi)採(cǎi)”?！熬G色開(kāi)採(cǎi)”重大意義在於：

（1）綠色開(kāi)採(cǎi)要求開(kāi)採(cǎi)技術(shù)水準(zhǔn)提升。我國(guó)煤炭行業(yè)整體技術(shù)水準(zhǔn)較低，長(zhǎng)期走的是粗放型發(fā)展路子，生產(chǎn)集約化程度很低。綠色開(kāi)採(cǎi)必然要求多層面、多角度的技術(shù)創(chuàng)新。

（2）綠色開(kāi)採(cǎi)要求系統(tǒng)高效利用產(chǎn)品。綠色開(kāi)採(cǎi)要求從廣義資源的角度看待礦區(qū)範(fàn)圍內(nèi)的煤炭、地下水、煤層氣、土地、煤矸石以及在煤層附近的其他礦床等可用資源，在追求最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，盡可能減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

（3）綠色開(kāi)採(cǎi)要求全面評(píng)價(jià)企業(yè)效益，綜合考慮生態(tài)環(huán)境。綠色開(kāi)採(cǎi)以生態(tài)大系統(tǒng)的觀念來(lái)看待、評(píng)價(jià)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)大系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。這自然要求企業(yè)在追求自身經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，要全面考慮社會(huì)效益與環(huán)境效益。一、開(kāi)採(cǎi)對(duì)地下水分佈的影響

1、地下水的來(lái)源與分類(lèi)（1）地下水的來(lái)源絕大部分的地下水來(lái)自於降水，降水滲入地下後，因重力作用而向下滲透。當(dāng)水分下滲達(dá)到某一深度，遇到不透水的地層如黏土、葉巖等時(shí)就貯存起來(lái)，逐漸往上充填於土壤或巖石的間隙中形成飽和狀態(tài)（圖2-1），其頂部即為地下水面。地下水面之上稱不飽和帶；相對(duì)地，地下水面之下的土壤或巖石孔隙是充滿水的成為飽和帶（圖2-2）。圖2-1飽和狀態(tài)示意圖

圖2-2地下水飽和帶與不飽和帶示意圖

（2）地下水的分類(lèi)

①按含水空隙的類(lèi)型，地下水被分為孔隙水、裂隙水和巖溶水。

孔隙水指賦存於鬆散沉積物顆粒間孔隙中的地下水（圖2-3），裂隙水指賦存於巖體裂隙中的地下水（圖2-4），巖溶水又稱喀斯特水，指存在於可溶巖石（如石灰?guī)r、白雲(yún)巖等）的洞隙中的地下水。貴州喀斯特在特定的自然條件下，形成豐富多彩的喀斯特地貌，如峰叢、溶洞、巖溶潭等。圖2-3洪積扇水文地質(zhì)剖面示意圖1-基巖；2-礫巖；3-砂；4-粘性土；5-潛水水位；6-承壓水水位；7-地下水及地表水流向；8-降水補(bǔ)給；9-蒸發(fā)排泄；10-下降泉；11-井，塗黑部分有水圖2-4裂隙含水系統(tǒng)1-不含水張開(kāi)裂隙；2-含水張開(kāi)裂隙；3-包氣帶水流向；4-飽水帶水流向；5-地下水水位；6-水井；7-自流井；8-無(wú)水幹井；9-季節(jié)性泉；10-常年性泉

②根據(jù)地下埋藏條件的不同，地下水可分為包氣帶水、上層滯水、潛水、自流水和承壓水五大類(lèi)。

2、開(kāi)採(cǎi)對(duì)地下水的影響（1）對(duì)淺、中層地下水的影響：煤系地層的水快速向下滲透，形成區(qū)域性地下水降落漏斗，淺、中層地下水逐年被疏幹,造成煤礦周?chē)迕癯运щy；(2)對(duì)深層地下水的影響：導(dǎo)致對(duì)深層地下水位逐年下降；（3）礦井疏排地下水的影響：對(duì)地下水水位水量的影響；對(duì)地下水水質(zhì)的影響（圖2-5）。

圖2-5煤礦地下水環(huán)境影響模型

二、保水開(kāi)採(cǎi)技術(shù)的主要影響因素

1、開(kāi)採(cǎi)與地下水分佈

開(kāi)採(cǎi)後，隨著地表的沉陷將改變地表水的流向；同時(shí)隨著上覆巖層移動(dòng)破壞和地下水滲漏，在該區(qū)域內(nèi)地下水將形成下降漏斗。地下水能否恢復(fù)，則決定於上覆巖層中是否有軟弱巖層。隨著工作面的推進(jìn)，經(jīng)重新壓實(shí)並導(dǎo)致裂隙閉合而形成隔水帶。若有隔水帶，則隨著雨水的再次補(bǔ)給，下降漏斗也將隨之消失。採(cǎi)煤不可能不造成一定的地下水滲漏，但保水開(kāi)採(cǎi)到底保到什麼程度，才算是保了水？一般認(rèn)為，保水程度至少應(yīng)考核以下兩個(gè)指標(biāo)：首先是對(duì)地下水的影響不大，最起碼應(yīng)該不使地下水乾涸而最終導(dǎo)致河流的大面積斷流；其次是植被的生長(zhǎng)狀態(tài)問(wèn)題。地下水位埋深增大時(shí)，部分植被不適合生長(zhǎng)，一些植被出現(xiàn)病態(tài)，甚至枯萎，尤其是對(duì)喬木的影響最大。

2、主要影響因素（1）地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下水、地面水起著重要的控制與導(dǎo)水作用，局部也起著阻溢作用，地質(zhì)構(gòu)造愈複雜，斷裂愈多，開(kāi)採(cǎi)煤層離斷層愈近，補(bǔ)給充分，則排水量就愈大。（2）水文地質(zhì)條件主要是含水層的厚度、富水性、節(jié)理、裂隙、巖溶發(fā)育程度和補(bǔ)給來(lái)源。（3）煤礦開(kāi)採(cǎi)階段煤礦開(kāi)採(cǎi)初期，揭露的含水層相對(duì)多，各含水層處?kù)蹲匀伙柡蜖顟B(tài)，含水性強(qiáng)，隨著開(kāi)採(cǎi)面積的增大，就會(huì)逐步發(fā)生頂板冒落，勾通裂隙導(dǎo)水帶，煤系頂部含水層中地下水就會(huì)直接滲入礦坑，造成保水開(kāi)採(cǎi)難度的加大。

礦井開(kāi)採(cǎi)中期，由於一般不會(huì)大面積揭露新的含水層，隨著開(kāi)採(cǎi)時(shí)間的增長(zhǎng)，含水層水位不斷降低，以礦井為中心的降落漏斗趨於穩(wěn)定，部分含水層由承壓轉(zhuǎn)為無(wú)壓，礦井排水量靠入滲量補(bǔ)給，處?kù)堆a(bǔ)、徑、排平衡狀態(tài)。礦井開(kāi)採(cǎi)後期，由於含水層部分被疏幹，導(dǎo)水裂隙帶和節(jié)理裂隙逐步被充填，地表入滲補(bǔ)給量逐步減少，則礦井滲水量逐步衰減。礦井開(kāi)採(cǎi)末期（停采），在其影響範(fàn)圍內(nèi)，礦坑滲水變小或不排水。但由於煤系底部有隔水層存在，采空區(qū)逐步積水成為“地下水庫(kù)”。在這種情況下，實(shí)施保水開(kāi)採(cǎi)是必要的。影響保水開(kāi)採(cǎi)技術(shù)的因素還包括：採(cǎi)煤方法、覆巖結(jié)構(gòu)、覆巖厚度及其力學(xué)性質(zhì)等。三、保水開(kāi)採(cǎi)技術(shù)和礦井水迴圈使用技術(shù)

1、保水開(kāi)採(cǎi)技術(shù)保水開(kāi)採(cǎi)的目標(biāo)是在防治采場(chǎng)突水的同時(shí)，對(duì)水資源進(jìn)行有意識(shí)的保護(hù)，使煤炭開(kāi)採(cǎi)對(duì)礦區(qū)水文環(huán)境的擾動(dòng)量小於區(qū)域水文環(huán)境容量。研究在開(kāi)採(cǎi)後上覆巖層的破斷規(guī)律和地下水漏斗的形成機(jī)理，從採(cǎi)礦方法、地面注漿等方面採(cǎi)取措施，實(shí)現(xiàn)礦井水資源的保護(hù)和綜合利用。實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)採(cǎi)的主要途徑有：（1）合理選擇開(kāi)採(cǎi)區(qū)域

對(duì)不同的地質(zhì)環(huán)境條件應(yīng)該區(qū)別對(duì)待，並分為以下幾種類(lèi)型：（1）對(duì)於不存在含水層或煤層埋藏適中、有含水層、同時(shí)其底部有厚度較大的隔水層的地區(qū)。該區(qū)域煤層開(kāi)採(cǎi)的冒裂帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育不到含水層底部，不至於破壞含水層結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)採(cǎi)。

（2）有隔水層分佈，但隔水層的厚度有限，煤層開(kāi)採(cǎi)後，需要採(cǎi)取一定的措施，才可以保護(hù)地下水不受破壞的地區(qū)。（3）對(duì)於煤層埋藏淺、又富含水，煤層開(kāi)採(cǎi)會(huì)造成地下水全部滲漏地區(qū)。一旦開(kāi)採(cǎi)，礦井突水可以通過(guò)提前疏降水工程保證，但不能保證地下水含水結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境不受破壞，在沒(méi)有徹底解決地下水滲漏問(wèn)題之前，暫緩開(kāi)發(fā)。（2）防水（砂）煤（巖）柱留設(shè)

目前在鬆散含水層等水體下採(cǎi)煤，一般是根據(jù)開(kāi)採(cǎi)區(qū)域巖煤地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、煤（巖）柱兩側(cè)的開(kāi)採(cǎi)狀況及採(cǎi)礦技術(shù)條件等因素，採(cǎi)取留設(shè)防水（砂）煤（巖）柱的方法進(jìn)行開(kāi)採(cǎi)。首先研究確定導(dǎo)水裂隙帶高度，其次，厚鬆散層下近風(fēng)化帶保水開(kāi)採(cǎi)的GIS研究，可用於保水條件下的安全煤柱留設(shè)設(shè)計(jì)。（3）保水開(kāi)採(cǎi)方法

①減小導(dǎo)水裂隙帶高度的開(kāi)採(cǎi)方法減小裂隙帶高度和減小地表下沉的開(kāi)採(cǎi)方法是一致的；②以底板加固為主導(dǎo)技術(shù)的保水開(kāi)採(cǎi)技術(shù)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)提出一種淺埋煤層長(zhǎng)壁工作面保水開(kāi)採(cǎi)方法。工作面長(zhǎng)度≥200m；液壓支架的工作阻力≥8000kN；工作面日推進(jìn)速度≥15m；在開(kāi)切眼區(qū)域附近10～50m範(fàn)圍和老頂初次來(lái)壓區(qū)域附近10～50m範(fàn)圍內(nèi)局部充填或局部降低采高，以減少采動(dòng)覆巖貫通裂縫，使基巖不發(fā)生整體錯(cuò)動(dòng)式破壞，而形成較為穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)采動(dòng)覆巖阻水作用。該方法水資源保護(hù)效果好，能實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、減少浪費(fèi)、環(huán)保、煤炭資源回收率高。條帶採(cǎi)煤法是目前實(shí)現(xiàn)保水採(cǎi)煤的一種行之有效的方法，關(guān)鍵技術(shù)是根據(jù)具體的水文地質(zhì)條件，科學(xué)設(shè)計(jì)所採(cǎi)煤層的采留比。需要進(jìn)行“圍巖-煤柱群”整體力學(xué)模型計(jì)算，只有煤柱群的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定，才能保證水體(含水層)不受破壞,以達(dá)到保水採(cǎi)煤的目的。2、礦井水的合理利用及迴圈使用技術(shù)（1）礦井水合理利用的意義

礦井水的主要來(lái)源是地下水。由於煤層及其圍巖中硫鐵礦的氧化作用，使礦井水呈現(xiàn)酸性或和高鐵性。目前我國(guó)按照對(duì)環(huán)境影響以及作為生活飲用水的可行性，將礦井水分為潔淨(jìng)礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含有毒有害元素或放射性元素五類(lèi)。長(zhǎng)期以來(lái)，由於技術(shù)所限和認(rèn)識(shí)不足，礦井水被當(dāng)作水害排掉而未加以綜合利用和保護(hù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，開(kāi)始將礦井水作為一種水資源加以處理利用，即礦井水資源化。據(jù)估計(jì)，如果目前礦區(qū)水資源利用率達(dá)到40％～50％，煤礦自用水就基本上得到解決，而且還能為社會(huì)提供用水。這對(duì)我國(guó)西部礦區(qū)具有更重要的意義。

（2）礦井水迴圈使用處理工藝礦井水一般採(cǎi)用物理和化學(xué)方法進(jìn)行處理。物理方法主要是過(guò)濾法和自然沉降法；化學(xué)處理方法主要是混凝法。礦井水經(jīng)處理後應(yīng)本著先生產(chǎn)後生活、先井下後井上的原則優(yōu)先供給。

神東礦區(qū)水迴圈模式：發(fā)明了井下水采空區(qū)矸石過(guò)濾專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井下水迴圈利用。神東礦區(qū)水迴圈模式

一般礦井水採(cǎi)用城市給水淨(jìng)化工藝（見(jiàn)圖2-18）。其中a、b兩種工藝適用水量大處理的，c種適用處理水量小的。對(duì)普通中性淡水質(zhì)的礦井水用作對(duì)水質(zhì)要求不高的生產(chǎn)專案可將工藝中的過(guò)濾工序去掉。如處理的礦井水用作洗煤廠生產(chǎn)補(bǔ)充用水等。一般情況下處理lm3礦井水可間接創(chuàng)產(chǎn)值20元。圖2-18城市給水淨(jìng)化工藝圖

（3）大柳塔煤礦礦井水的綜合利用

在礦井水的綜合利用以前，該礦井下生產(chǎn)用水、消塵、消防用水依靠地面工業(yè)用水，經(jīng)泵加壓送到井下。由於礦區(qū)地處毛烏素沙漠邊緣，隨著礦區(qū)的開(kāi)發(fā)，水資源顯得尤為珍貴。另一方面，煤層具有淺埋深、薄基巖、厚鬆散層的特徵，回採(cǎi)後頂板垮落，賦存在第四系砂礫層和風(fēng)化基巖中的水，會(huì)大量湧入采空區(qū)或工作面，再由排水系統(tǒng)排出井口處理，造成水資源的極大浪費(fèi)。

為此，採(cǎi)用了高效、低成本礦井水淨(jìng)化複用技術(shù)。安裝3臺(tái)80DLX10型離心泵，揚(yáng)程200m，流量50m3/h。通過(guò)流量和壓力回饋的信號(hào)，集成到礦工控網(wǎng)路。根據(jù)生產(chǎn)需求在上位機(jī)通過(guò)PID進(jìn)行即時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)，對(duì)三臺(tái)泵自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉，可達(dá)到三遙控制，恒壓供水。整套系統(tǒng)能根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化進(jìn)行智能化和數(shù)字化的控制，從而達(dá)到最佳的節(jié)能效果。四、榆神府礦區(qū)保水開(kāi)採(cǎi)實(shí)例

神府礦區(qū)鳥(niǎo)瞰圖

1、概述陝北侏羅紀(jì)煤田榆神府礦區(qū)位於鄂爾多斯煤盆地的中部。東西寬約84km，南北長(zhǎng)約85km，面積7139.7km2，屬陝西神木、府穀、榆林三縣。榆神府礦區(qū)被劃分為榆神與神府兩大礦區(qū)。2、榆神府礦區(qū)保水開(kāi)採(cǎi)的地質(zhì)條件（1）礦區(qū)地層及巖土類(lèi)型第四系的風(fēng)積沙、馬蘭組、薩拉烏蘇組、離石組、三門(mén)組，第三系上新統(tǒng)三趾馬組，白堊系洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組和富縣組。見(jiàn)表2-1。（2）礦區(qū)水文地質(zhì)條件礦區(qū)內(nèi)對(duì)保水開(kāi)採(cǎi)有意義的主要含水層為砂層(薩拉烏蘇和風(fēng)積沙)和燒變巖水。離石黃土和三趾馬紅土共同組成砂層含水層的隔水底板。

3、防治對(duì)策研究（1）保水開(kāi)採(cǎi)分區(qū)

①保水開(kāi)採(cǎi)區(qū)(Ⅰ)：該區(qū)主要分佈在大保當(dāng)區(qū)2-2煤燒變巖以西地區(qū)，其次是禿尾河以東的青草界泉域和神北礦區(qū)檸條塔以南地區(qū)。

②採(cǎi)煤失水區(qū)(Ⅱ)：:第1亞區(qū)(Ⅱ1)分佈在禿尾河以東，青草界以外和神北礦區(qū)活雞兔一帶。第2亞區(qū)(Ⅱ2)分佈在神北石圪臺(tái)——大柳塔井田之間地帶。

③採(cǎi)煤無(wú)水區(qū)(Ⅲ)：主要分佈在禿尾河以東及神北礦區(qū)。圖2-19榆神府礦區(qū)保水開(kāi)採(cǎi)分區(qū)示意圖

（2）保水開(kāi)採(cǎi)技術(shù)途徑①保水開(kāi)採(cǎi)區(qū)：煤層淺埋區(qū)留設(shè)防水安全煤柱；在燒變巖帶施工供水井建立水源地；在開(kāi)採(cǎi)順序上，應(yīng)先采富水性相對(duì)較弱、隔水性能良好的地段，如大保當(dāng)區(qū)一期工程首采區(qū)應(yīng)選在南部紅柳溝泉域；為防止地下水遭受?chē)?yán)重破壞，建議設(shè)計(jì)為開(kāi)井工采方式；大保當(dāng)區(qū)一、二期工程以外的煤層淺埋地區(qū)，地下水極為豐富，但隔水層相對(duì)較薄，建議該地區(qū)最後開(kāi)採(cǎi)。②採(cǎi)煤失水區(qū)：在採(cǎi)煤之前預(yù)先疏排地下水；在疏排基礎(chǔ)上，留設(shè)防塌或防砂煤柱；為減少礦井疏排水量，大保當(dāng)區(qū)禿尾河與2-2煤燒變巖之間地帶，應(yīng)在西部淺層煤開(kāi)採(cǎi)完後再進(jìn)行開(kāi)採(cǎi)。③採(cǎi)煤無(wú)水區(qū)：該類(lèi)型區(qū)採(cǎi)煤不受水體威脅，可在覆巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型為土基地段適當(dāng)留設(shè)防塌煤柱

圖2-20神府礦區(qū)保水開(kāi)採(cǎi)的採(cǎi)煤方法劃分體系4、榆神府礦區(qū)保水開(kāi)採(cǎi)的採(cǎi)煤方法劃分體系由現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)採(cǎi)實(shí)踐和相似模擬試驗(yàn)，建立了榆神府礦區(qū)保水開(kāi)採(cǎi)的採(cǎi)煤方法劃分體系。

長(zhǎng)壁開(kāi)採(cǎi)

采空區(qū)上覆基巖厚度大於75m

采空區(qū)上覆基巖厚度大於30m、小於75m

采空區(qū)上覆基巖厚度小於30m采空區(qū)上覆基巖厚度大於90m

充填開(kāi)採(cǎi)或房柱式開(kāi)採(cǎi)

分層開(kāi)採(cǎi)

間歇開(kāi)採(cǎi)

煤礦開(kāi)采區(qū)

基巖上覆巖層中有含水地層

總采高4m

總采高10m

基巖上覆巖層中無(wú)含水地層

非保水開(kāi)採(cǎi)區(qū)

5、保水開(kāi)採(cǎi)需採(cǎi)取的工程技術(shù)措施（1）合理的留設(shè)防水安全煤柱淺埋型近水準(zhǔn)煤層，合理確定防水煤巖柱高度，控制冒裂帶發(fā)育在含水層以下，對(duì)盡可能減少壓煤，又能保住薩拉烏蘇組水，實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)採(cǎi)是關(guān)鍵。（2）建立淺排供水水源地即充分利用薩拉烏蘇組含水層水資源作為礦區(qū)供水，又能起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的最關(guān)鍵措施。根據(jù)煤礦安全規(guī)程，為防止燒變巖水(老窯積水)對(duì)採(cǎi)煤影響，從燒變巖邊界處必須向深部劃定警戒線(圖2-21)。

圖2-21燒變巖帶防水煤柱留設(shè)及抽水示意圖

一、煤礦開(kāi)採(cǎi)對(duì)土地與建築物的破壞分析

1、煤礦開(kāi)採(cǎi)引起地面下沉分析圖3-1上覆巖層移動(dòng)、破壞分帶示意圖1-垮落帶；2-裂縫帶；3-彎曲帶

地下煤層開(kāi)採(cǎi)後，覆巖的原始平衡受到破壞，在上覆巖層自重和原始應(yīng)力的作用下，巖層經(jīng)一系列的移動(dòng)、變形與破壞，直至達(dá)到新的平衡，這一過(guò)程稱巖層移動(dòng)。採(cǎi)用長(zhǎng)壁垮落採(cǎi)煤法，當(dāng)采深為采高的25-30倍時(shí)，上覆巖層移動(dòng)穩(wěn)定後，一般可形成三個(gè)不同的開(kāi)採(cǎi)影響帶，分別稱其為垮落帶、裂縫帶和彎曲帶。如圖3-1所示。

當(dāng)采空區(qū)面積擴(kuò)大到一定的範(fàn)圍時(shí)，巖層移動(dòng)波及地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形。這一過(guò)程和現(xiàn)象稱為地表移動(dòng)。當(dāng)採(cǎi)煤工作面采完，地表移動(dòng)穩(wěn)定後，在采空區(qū)上方地表形成沉陷的區(qū)域，稱為最終移動(dòng)盆地或最終下沉盆地。形成過(guò)程如圖3-2所示。

巖層移動(dòng)發(fā)展到地表後，隨采空區(qū)面積增大，移動(dòng)盆地的面積及地表最大下沉值也增大，地表的采動(dòng)影響分為非充分采動(dòng)、充分采動(dòng)（采空區(qū)面積稱臨界開(kāi)採(cǎi)面積）和超充分采動(dòng)。圖3-2下沉盆地的形成過(guò)程圖1、2、3-非充分采動(dòng)；4-充分采動(dòng)；5-超充分采動(dòng)

2、下沉引起的建築物破壞地表的均勻下沉，僅在超臨界面積開(kāi)採(cǎi)時(shí)才可能出現(xiàn)。一般地說(shuō)，在這種條件下對(duì)建築物危害不大。處?kù)兜乇硪苿?dòng)穩(wěn)定後均勻下沉區(qū)的建築物，在開(kāi)採(cǎi)過(guò)程中，還將受到地表“動(dòng)態(tài)”變形的影響，即建築物先受地表拉伸(正曲率)變形影響（圖3-3中的1位置），隨著工作面的推進(jìn)，建築物受地表壓縮變形影響（圖3-3的2位置）。圖3-3井下回采時(shí)地表移動(dòng)和建築物變形過(guò)程

當(dāng)工作面推離建築物的距離大於0.6H(H是開(kāi)採(cǎi)深度)時(shí)，建築物又恢復(fù)原狀（圖3-3的3位置），結(jié)果只是產(chǎn)生整體垂直位移。因此，可以認(rèn)為只要建築物可承受上述開(kāi)採(cǎi)過(guò)程中的地表“動(dòng)態(tài)”變形，則地表的均勻下沉不會(huì)對(duì)建築物產(chǎn)生危害。由下沉引起建築物的破壞3、傾斜引起的建築物破壞地表的傾斜往往發(fā)生在移動(dòng)盆地邊緣區(qū)，位於拐點(diǎn)處的地表傾斜最大，其位置大致在煤壁上方。地表傾斜能使排水系統(tǒng)改變坡度。傾斜對(duì)鐵路、公路來(lái)說(shuō)也同樣有危害，尤其是對(duì)鐵路線。地表的傾斜對(duì)底面積小、高度大的建築物或構(gòu)築物，如煙囪、水塔、高壓輸電線鐵塔等影響較大。地表的傾斜能使這些高聳構(gòu)築物重心發(fā)生偏斜，引起應(yīng)力重新分配。傾斜大時(shí)，構(gòu)築物的重心落在基礎(chǔ)底面積之外會(huì)使其發(fā)生折斷或傾倒。4、曲率引起建築物的破壞地表曲率有正、負(fù)曲率之分。當(dāng)建築物受正或負(fù)曲率影響時(shí)，其破壞特徵如圖3-4所示。在地表負(fù)曲率影響下，建築物基礎(chǔ)猶如一個(gè)兩端受支承的梁，中間部分懸空，致使建築物牆體產(chǎn)生八字形的裂縫(圖3-4a)；在地表正曲率影響下，建築物基礎(chǔ)兩端懸空，使建築物牆體產(chǎn)生倒八字形的裂縫(圖3-4b)。裂縫傾角為60-70°。5、水準(zhǔn)變形引起的建築物破壞地表的拉伸和壓縮稱為水準(zhǔn)變形。它對(duì)建築物的破壞作用很大，尤其是拉伸的影響，由於建築物抵抗拉伸能力遠(yuǎn)小於抵抗壓縮的能力，所以在較小的地表拉伸下就能使建築物產(chǎn)生裂縫。一般在門(mén)窗洞口的薄弱部位易產(chǎn)生裂縫，磚砌體的結(jié)合縫亦易被拉開(kāi)(圖3-4c)。圖3-4不同地表變形對(duì)建築物的影響

地表壓縮變形對(duì)建築物的破壞主要是使門(mén)窗洞口擠成菱形，磚砌體牆產(chǎn)生水準(zhǔn)裂縫(圖3-4d)，縱牆或圍牆產(chǎn)生褶曲或屋頂鼓起(圖3-4e)。建築物的破壞程度與其結(jié)構(gòu)、材料、形狀和施工品質(zhì)等有關(guān)，建築物的剛度和平面尺寸是主要因素。

根據(jù)平頂山煤田丁組和戊組煤層采後地表移動(dòng)觀測(cè)資料分析，建築物若位於如圖3-5a所示位置，即在建築物下留著0.4H（H為開(kāi)採(cǎi)深度）寬的煤柱，它將受到拉伸變形的迭加影響。又如建築物若位於如圖3-5b所示位置，即工作面開(kāi)採(cǎi)寬度為(0.4-0.6)H時(shí)，壓縮變形就會(huì)增大一倍。圖3-5煤柱寬度和開(kāi)採(cǎi)寬度對(duì)建築物影響

二、保護(hù)土地及建築物的開(kāi)採(cǎi)技術(shù)1、充填開(kāi)採(cǎi)地表下沉與開(kāi)採(cǎi)厚度有十分密切的關(guān)係，開(kāi)採(cǎi)厚度越大，地表的最大下沉值也越大。採(cǎi)用全部冒落法管理頂板時(shí)，地表的下沉可達(dá)采高60%-80%。而用水砂充填法管理頂板時(shí)，最大下沉值為采高的8%-20%。充填採(cǎi)煤法的地表沉陷控制效果取決於采空區(qū)的充填程度，地表下沉係數(shù)一般為0.02～0.6。圖3-6為充填系統(tǒng)示意圖，圖3-7為充填採(cǎi)煤工作面佈置示意圖。

圖3-6充填系統(tǒng)示意圖

圖3-7充填採(cǎi)煤工作面佈置示意圖

2、條帶開(kāi)採(cǎi)條帶開(kāi)採(cǎi)是目前國(guó)內(nèi)建築物下採(cǎi)煤地表沉陷控制的主要技術(shù)途徑，應(yīng)用最為廣泛。條帶開(kāi)採(cǎi)的原理是把要開(kāi)採(cǎi)的煤層劃分成比較正規(guī)的條帶進(jìn)行開(kāi)採(cǎi)，采一條，留一條，利用保留的條帶煤柱支撐上覆巖層，從而減少覆巖沉陷，控制地表的移動(dòng)和變形，達(dá)到地面保護(hù)目的。圖3-8為某煤礦條帶開(kāi)採(cǎi)平面圖。圖3-8條帶開(kāi)採(cǎi)平面圖

我國(guó)自撫順勝利礦1967年利用充填條帶法進(jìn)行市區(qū)下採(cǎi)煤以來(lái)，已先後在阜新、蛟河、峰峰、鶴壁、平頂山、徐州等多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了條帶開(kāi)採(cǎi)的試驗(yàn)與實(shí)踐。條帶開(kāi)採(cǎi)控制地表沉陷最大的缺點(diǎn)是煤炭永久損失率較高，這是制約條帶開(kāi)採(cǎi)大規(guī)模用於地表沉陷控制的主要問(wèn)題。3、分層開(kāi)採(cǎi)對(duì)於緩斜及傾斜厚煤層，採(cǎi)用傾斜分層採(cǎi)煤法，分層分采方案，可以減少地表一次下沉對(duì)地面建築物的影響，分層開(kāi)採(cǎi)時(shí)要控制每一分層的開(kāi)採(cǎi)厚度，使其在開(kāi)採(cǎi)時(shí)所造成的地表變形不超過(guò)允許地表變形值。根據(jù)概率積分法地表最大水平變形公式，可計(jì)算出每分層的允許開(kāi)採(cǎi)厚度(M)：q—充分采動(dòng)時(shí)地表下沉係數(shù)；

H—開(kāi)採(cǎi)深度；

β—主要影響角。—允許地表水平變形值，mm/m；式中b—水準(zhǔn)移動(dòng)係數(shù)，由實(shí)測(cè)資料分析確定；

4、協(xié)調(diào)開(kāi)採(cǎi)煤層群、厚煤層分層開(kāi)採(cǎi)時(shí)，合理設(shè)計(jì)各工作面的開(kāi)採(cǎi)間距，相互位置與開(kāi)採(cǎi)順序，使開(kāi)採(cǎi)一個(gè)煤層(工作面)所產(chǎn)生的地表變形和開(kāi)採(cǎi)另一個(gè)煤層(工作面)所產(chǎn)生的地表變形相互抵消或部分抵消，以減少采動(dòng)引起的地表變形，保護(hù)地面建築物。L＝0.4(r1+r2)=0.4

式中，H1、H2-上煤層及下煤層的開(kāi)採(cǎi)深度。

圖3-9(b)為厚煤層數(shù)個(gè)分層同時(shí)協(xié)調(diào)開(kāi)採(cǎi)。上下分層工作面錯(cuò)距L，可按下式計(jì)算：L=0.8r=0.8·式中，H-厚煤層開(kāi)採(cǎi)深度。圖3-9協(xié)調(diào)開(kāi)採(cǎi)的變形抵消與錯(cuò)距示意圖(a)多煤層協(xié)調(diào)；(b)厚煤層分層開(kāi)採(cǎi)協(xié)調(diào)

該技術(shù)要保持一定的錯(cuò)距，因此組織生產(chǎn)難度較大。圖3-9(a)為數(shù)個(gè)煤層同時(shí)開(kāi)採(cǎi)時(shí)的協(xié)調(diào)開(kāi)採(cǎi)，上下煤層工作面錯(cuò)距L可按下式計(jì)算：

5、限厚開(kāi)採(cǎi)以不產(chǎn)生地表積水和滿足建築物所要求的保護(hù)等級(jí)為依據(jù)，確定可開(kāi)採(cǎi)的煤層厚度，僅回採(cǎi)這一厚度的煤，以實(shí)現(xiàn)減少下沉保護(hù)地面建築物及土地的目的。

6、三步法開(kāi)採(cǎi)“采-注-采”三步法開(kāi)採(cǎi)，即“小條帶開(kāi)採(cǎi)-注漿充填采空區(qū)-剩餘條帶開(kāi)採(cǎi)”，佈置條帶式工作面跳躍式開(kāi)採(cǎi)，注漿充填和加固采空區(qū)破裂巖體恢復(fù)承載能力，利用覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)上覆巖層移動(dòng)的控制。“采-注-跳采”三步法是在“采-注-采”三步法的基礎(chǔ)上提出的，其基本內(nèi)涵是將開(kāi)採(cǎi)區(qū)佈置成類(lèi)似於條帶式的寬、窄條帶相間的工作面（圖3-10）。

7、覆巖離層注漿覆巖離層注漿就是通過(guò)地面鑽孔向采空區(qū)上方覆巖中的離層帶高壓注入液體充填材料，控制覆巖下沉，控制地表沉降。圖3-10新“三步法”開(kāi)採(cǎi)地表沉陷控制過(guò)程

三、建築物和土地的保護(hù)措施

1、變形縫（1）變形縫的作用設(shè)置變形縫是將建築物自屋頂至基礎(chǔ)分成若干個(gè)彼此互不關(guān)聯(lián)的、長(zhǎng)度較小、剛度較好、自成變形體系的獨(dú)立單體，這樣可以減小建築物地基反力分佈的不均勻性，提高建築物適應(yīng)地表變形的能力，減少作用於建築物的附加應(yīng)力，對(duì)防止建築物牆壁裂縫的開(kāi)展和其他破壞現(xiàn)象有很大的作用。（2）設(shè)置變形縫的位置在建築物的下列部位應(yīng)設(shè)置變形縫：

①長(zhǎng)度過(guò)大的建築物，可每隔20m左右設(shè)置變形縫；②平面形狀複雜的建築物的轉(zhuǎn)折部位；③高度差異或荷載差異處；④建築結(jié)構(gòu)(包括基礎(chǔ))類(lèi)型不同處；⑤地基強(qiáng)度有明顯差異處；⑥局部地下室的邊緣；⑦分期建造的房屋交界處。2、鋼拉桿（1）鋼拉桿的作用鋼拉桿可承受地表正曲率變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力，設(shè)置鋼拉桿是減少地表正曲率變形對(duì)建築物牆壁影響的有效措施之一。（2）鋼拉桿的設(shè)置

鋼拉桿一般設(shè)於建築物外牆的簷口或樓板水準(zhǔn)上，並以閉合型式將建築物外牆箍住。當(dāng)?shù)乇碚首冃屋^大時(shí)，尚應(yīng)在建築物內(nèi)牆設(shè)置鋼拉桿。鋼拉桿可以在牆壁一側(cè)設(shè)置，亦可在牆壁兩側(cè)同時(shí)設(shè)置，當(dāng)於牆壁兩側(cè)同時(shí)設(shè)置時(shí)其直徑應(yīng)相同。

鋼拉桿不應(yīng)設(shè)於門(mén)窗洞口水準(zhǔn)上。當(dāng)鋼拉桿遇到門(mén)窗洞，而不能設(shè)置在同一水準(zhǔn)上時(shí)，則應(yīng)在牆內(nèi)設(shè)置如圖3-11所示的卸載梁，將門(mén)窗洞處鋼拉桿降低或升高。

圖3-11鋼拉桿卸載梁1—鋼拉桿；2—卸載梁；3—上部鋼拉桿剛性墊板；4—下部鋼拉桿剛性墊板；5—錨固螺栓；6—擋板；F0—砌體受壓面積3、鋼筋混凝土圈梁（1）鋼筋混凝土圈梁的作用在於增強(qiáng)建築物整體性和剛度，提高磚石砌體的抗彎、抗剪和抗拉的強(qiáng)度，可在一定程度上防止或減少裂縫等破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。（2）鋼筋混凝土圈梁的設(shè)置一般設(shè)置在建築物外牆上，當(dāng)?shù)乇碜冃魏艽髸r(shí)，可設(shè)置在建築物的外牆、內(nèi)縱牆和主要內(nèi)橫牆上。圖3-12為鋼盤(pán)混凝土圈梁示意圖。圖3-12設(shè)於建築物外側(cè)的圈梁a—牆壁圈梁；b—基礎(chǔ)圈梁

4、變形補(bǔ)償溝變形補(bǔ)償溝是在建築物外側(cè)從地表挖掘一定深度的溝槽，其作用是吸收地表壓縮變形。在房屋四周挖掘變形補(bǔ)償溝能減少地表土壤對(duì)房屋基礎(chǔ)埋入部分和地下室的壓力,也可用來(lái)減輕水準(zhǔn)變形對(duì)基礎(chǔ)底面的影響。圖3-13為變形補(bǔ)償溝剖面示意圖。圖3-13變形補(bǔ)償溝剖面示意圖四、開(kāi)灤礦區(qū)建築物下採(cǎi)煤實(shí)例

1、技術(shù)方案確立唐山礦十二水準(zhǔn)北翼七南石門(mén)下山區(qū)域是該礦綜放開(kāi)採(cǎi)主要生產(chǎn)區(qū)域。對(duì)應(yīng)地面受開(kāi)採(cǎi)影響範(fàn)圍有3.93萬(wàn)m2建築物。如採(cǎi)取搬遷開(kāi)採(cǎi)，預(yù)計(jì)費(fèi)用需1.2億多元；如採(cǎi)取井下減沉開(kāi)採(cǎi)，礦井產(chǎn)量將銳減。為此決定借鑒近幾年發(fā)展起來(lái)的離層帶注漿減緩地表沉陷技術(shù)，以達(dá)到建築物不搬遷，井下高強(qiáng)度開(kāi)採(cǎi)，確保企業(yè)取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。2、方案組織實(shí)施唐山礦十二水準(zhǔn)北翼七南石門(mén)下山采區(qū)的3696工作面平均采深784m，煤層平均傾角10°，平均厚度10m，工作面傾斜長(zhǎng)度90m，走向長(zhǎng)度380m，採(cǎi)用綜放開(kāi)採(cǎi)工藝，其井上下對(duì)照情況見(jiàn)圖3-14。圖3-14開(kāi)灤唐山礦井上井下對(duì)照?qǐng)D

（1）離層注漿層的設(shè)計(jì)工作面的上覆巖層為第四系沖積層厚165m，以下基巖為二疊系巖層。巖移觀測(cè)和室內(nèi)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)表明，覆巖離層主要集中在基巖下部，在距煤層頂板之上150-300m範(fàn)圍內(nèi)，再往上則離層縫隙太窄，存在時(shí)間也短。另外，為確保注漿漿液不下滲，不對(duì)工作面開(kāi)採(cǎi)造成影響，確定注漿段的下限為距工作面以上150m。（2）注漿鑽孔設(shè)計(jì)為保證注漿減沉效果，要優(yōu)化鑽孔設(shè)計(jì)。既要考慮減輕開(kāi)採(cǎi)沉陷對(duì)鑽孔的破壞，使其在開(kāi)採(cǎi)期間全程服務(wù)，又要考慮有利於增加注漿量，保護(hù)地面建築物。根據(jù)開(kāi)採(cǎi)範(fàn)圍、采厚和地層條件，設(shè)計(jì)2個(gè)注漿孔，在傾向上孔位距回風(fēng)巷40m，距運(yùn)輸巷50m；在走向上，注1孔距開(kāi)切眼90m，注2孔距終采線120m，2個(gè)孔相距170m，注漿孔平面佈置圖見(jiàn)圖3-15。

圖3-15注漿孔平面佈置

（3）注漿系統(tǒng)注漿系統(tǒng)由供灰系統(tǒng)、注漿泵站和輸漿管路三部分組成。（4）現(xiàn)場(chǎng)組織實(shí)施覆巖離層帶的形成滯後於回採(cǎi)工作面，當(dāng)回採(cǎi)工作面推過(guò)鑽孔一定距離後才開(kāi)始注漿。要儘量延長(zhǎng)鑽孔注漿時(shí)間，要求以離層縫隙注滿，直至離層帶閉合無(wú)法繼續(xù)注入為止。一、我國(guó)煤層氣賦存的特徵

我國(guó)是世界上煤層瓦斯資源儲(chǔ)量巨大的國(guó)家之一。據(jù)2006年國(guó)土資源部油氣中心對(duì)全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，我國(guó)煤層氣資源量居世界第三位，與我國(guó)陸上天然氣資源量相當(dāng)，資源量36.81萬(wàn)億m3，可采資源量10.86萬(wàn)億m3，我國(guó)煤層氣資源規(guī)模分佈和成藏模式如圖4-1、圖4-2所示。

17.9332.15303324.7536.3333823.8614.422.531.4627.3010203040資源量（萬(wàn)億立方米）李明潮1987焦作礦院1987張新民1991統(tǒng)配煤礦公司1992段俊虎1992關(guān)德師1992劉友民1993李靜1995煤田總局1998廊坊分院1999中聯(lián)公司2000廊坊分院2001中國(guó)煤層氣（瓦斯）資源估算新一輪油氣資源評(píng)價(jià)：36.81萬(wàn)億方1煤層氣(煤礦瓦斯)開(kāi)發(fā)利用1.1資源狀況

我國(guó)煤層氣資源豐富。據(jù)煤層氣資源評(píng)價(jià)，我國(guó)埋深2000m以淺煤層氣地質(zhì)資源量約36萬(wàn)億立方米，主要分佈在華北和西北地區(qū)。其中，華北地區(qū)、西北地區(qū)、南方地區(qū)和東北地區(qū)賦存的煤層氣地質(zhì)資源量分別占全國(guó)煤層氣地質(zhì)資源總量的56.3%、28.1%、14.3%、1.3%。1000m以淺、1000～1500m和1500～2000m的煤層氣地質(zhì)資源量，分別占全國(guó)煤層氣資源地質(zhì)總量的38.8%、28.8%和32.4%。全國(guó)大於5000億立方米的含煤層氣盆地(群)共有14個(gè)，其中含氣量在5000～10000億立方米之間的有川南黔北、豫西、川渝、三塘湖、徐淮等盆地，含氣量大於10000億立方米的有鄂爾多斯盆地東緣、沁水盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、滇東黔西盆地群、二連盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山盆地群、海拉爾盆地。

1.2資源開(kāi)發(fā)情況

(一)地面開(kāi)發(fā)

煤層氣地面開(kāi)發(fā)始於上個(gè)世紀(jì)70年代末，原煤炭科學(xué)研究院撫順研究所曾在撫順、陽(yáng)泉、焦作、白沙、包頭等礦區(qū)，以解決煤礦瓦斯突出為主要目的，施工了20餘口地面瓦斯抽排試驗(yàn)井。但由於技術(shù)、設(shè)備等條件限制，試驗(yàn)未達(dá)到預(yù)期效果。

上個(gè)世紀(jì)90年代，煤層氣開(kāi)發(fā)出現(xiàn)熱潮，在不同地區(qū)開(kāi)展了煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)十餘年發(fā)展，取得了重大突破。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2005年底，全國(guó)共施工先導(dǎo)性試驗(yàn)井組8個(gè)，各類(lèi)煤層氣井615口，其中多分支水準(zhǔn)井7口。2005年，地面煤層氣抽采不足1億立方米。

我國(guó)煤層氣可采資源總量約10萬(wàn)億立方米，其中大於1000億立方米的盆地(群)有15個(gè)：二連、鄂爾多斯盆地東緣、滇東黔西、沁水、準(zhǔn)噶爾、塔里木、天山、海拉爾、吐哈、川南黔北、四川、三塘湖、豫西、寧武等。二連盆地煤層氣可采資源量最多，約2萬(wàn)億立方米；鄂爾多斯盆地東緣、沁水盆地的可采資源量在1萬(wàn)億立方米以上，準(zhǔn)噶爾盆地可采資源量約為8000億立方米。(二)井下抽采

煤礦井下瓦斯抽采始於上個(gè)世紀(jì)50年代初。經(jīng)過(guò)五十年的發(fā)展，煤礦井下瓦斯抽采，已由最初為保障煤礦安全生產(chǎn)到安全能源環(huán)保綜合開(kāi)發(fā)型抽采；抽采技術(shù)由早期的對(duì)高透氣性煤層進(jìn)行本煤層抽采和采空區(qū)抽采單一技術(shù)，逐漸發(fā)展到針對(duì)各類(lèi)條件適合於不同開(kāi)採(cǎi)方法的瓦斯綜合抽采技術(shù)。

主要專案有：山西沁水棗園井組煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)專案，生產(chǎn)試驗(yàn)井15口；遼寧阜新劉家井組煤層氣開(kāi)發(fā)專案，鑽井8口，單井日均產(chǎn)氣3000立方米以上；山西晉城潘莊煤層氣地面開(kāi)發(fā)專案，施工了175口煤層氣井，日產(chǎn)氣約10萬(wàn)立方米；山西沁南潘河先導(dǎo)性試驗(yàn)工程，計(jì)畫(huà)施工900口煤層氣井，到2005年底完成鑽井100口，日產(chǎn)氣約8萬(wàn)立方米。1.3煤層氣(煤礦瓦斯)利用現(xiàn)狀

我國(guó)煤層氣(煤礦瓦斯)利用進(jìn)展緩慢。2005年，全國(guó)利用量約10億立方米。煤礦瓦斯利用主要集中在抽采量高的國(guó)有重點(diǎn)礦區(qū)。地面鑽井抽采利用，主要集中在山西沁水棗園井組、遼寧阜新劉家井組、晉城潘莊、山西沁南潘河專案等，採(cǎi)取管匯車(chē)運(yùn)輸銷(xiāo)售，供周邊地區(qū)使用。

目前，煤層氣主要用於民用和工業(yè)用燃料、發(fā)電、汽車(chē)燃料、生產(chǎn)炭黑等。其中，瓦斯發(fā)電發(fā)展較快，至2005年底，全國(guó)瓦斯發(fā)電裝機(jī)容量約20萬(wàn)千瓦。生產(chǎn)瓦斯燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠家有：山東勝利油田動(dòng)力機(jī)械設(shè)備廠、濟(jì)南柴油機(jī)廠、江蘇南通寶駒集團(tuán)等。工業(yè)瓦斯鍋爐的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家有：廣東迪森、上海新業(yè)、青島四方、太原綠威等。1.4存在的主要問(wèn)題

(一)缺乏有力的扶持政策

地面開(kāi)發(fā)煤層氣初期投入高、產(chǎn)出週期長(zhǎng)、投資回收慢。煤層氣開(kāi)發(fā)企業(yè)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期積極性不高；礦井平均瓦斯利用率僅在30%左右。

(二)基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)創(chuàng)新不夠

瓦斯治理和利用難度大，從理論和技術(shù)方面都存在許多關(guān)鍵性難題，特別是社會(huì)公益性研究被大大削弱，瓦斯治理和利用等方面的技術(shù)研究和創(chuàng)新進(jìn)展緩慢。

(三)煤礦瓦斯抽采難度增大

我國(guó)高瓦斯礦井多，煤層瓦斯含量高、壓力大、透氣性差、抽采難度大。

(四)煤層氣和煤炭礦業(yè)權(quán)重疊

煤層氣和煤炭是同一儲(chǔ)層的共生礦產(chǎn)資源。目前，由於部門(mén)之間、企業(yè)之間不協(xié)調(diào)，造成煤層氣開(kāi)採(cǎi)權(quán)和煤炭開(kāi)採(cǎi)權(quán)設(shè)置重疊，影響了煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2我國(guó)煤層氣賦存的特徵2.1煤層瓦斯的低滲透率我國(guó)煤層滲透率較低，平均在0.002～16.17毫達(dá)西。其中，滲透率小於0.10毫達(dá)西的占35%；0.1～1.0毫達(dá)西的占37%；大於1.0毫達(dá)西的占28%；大於10毫達(dá)西的較少。撫順煤田的滲透率相對(duì)較高，但也只有0.5-3.8md，水城、豐城、鶴崗、開(kāi)灤、柳林等礦區(qū)高滲透煤層滲透率只有0.1-1.8md，其他地區(qū)絕大多數(shù)實(shí)測(cè)的滲透率值都在0.001md以下，比美國(guó)的SanJuan盆地和BlackWarrior盆地低3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。

(五)煤層氣(煤礦瓦斯)利用受限制

開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)脫節(jié)，缺乏低濃度瓦斯的安全輸送和利用技術(shù)；瓦斯發(fā)電上網(wǎng)難、入網(wǎng)價(jià)格低，發(fā)電企業(yè)無(wú)利可圖，限制了礦井瓦斯抽采利用。

(六)煤礦瓦斯直接排空對(duì)環(huán)境影響較大煤層氣的溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍。據(jù)測(cè)算，我國(guó)煤炭開(kāi)採(cǎi)、加工、運(yùn)輸過(guò)程中每年釋放瓦斯約150億立方米，對(duì)環(huán)境影響較大。圖4-2煤層氣成藏模式圖

煤層滲透率的影響因素十分複雜，原巖應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤的變質(zhì)程度、煤巖組分等都將不同程度地影響煤層滲透率。一般情況下，煤層滲透率隨壓力（或深度）的增加而減小，如圖4-3所示。與美國(guó)、澳大利亞相比，中國(guó)的煤層氣儲(chǔ)層所承受的地應(yīng)力大，美國(guó)黑勇士盆地地應(yīng)力值1-6MPa，澳大利亞?wèn)|部悉尼盆地鮑恩盆地1-10MPa，少數(shù)達(dá)14MPa(Enever，1996)，中國(guó)很多地區(qū)的地應(yīng)力相當(dāng)於或大於這些地區(qū)的高限值。

煤層滲透率是影響瓦斯抽放難易程度的最主要因素，我國(guó)煤層瓦斯抽采難易程度劃分為三類(lèi)（見(jiàn)表4-1）。圖4-3原地應(yīng)力與滲透率的關(guān)係表4-1煤層瓦斯抽采的難易程度劃分表分類(lèi)鑽孔流量衰減係數(shù)(d-1)煤層透氣性係數(shù)(m2/MPa2.d)容易抽采<0.003>10可以抽采>0.003-0.05<10-0.1較難抽采>0.05<0.12.2煤層瓦斯壓力較低一般瓦斯壓力隨煤層埋深增大而增大，可用壓力梯度去衡量煤層瓦斯壓力的大小。為了在煤層瓦斯壓力評(píng)價(jià)中統(tǒng)一方法和原則，將煤層瓦斯壓力劃分為三種類(lèi)型(表4-2)。表4-2煤層瓦斯壓力梯度類(lèi)型劃分方案

我國(guó)煤層瓦斯壓力梯度大小變化幅度很大，最低值為1.2kPa/m(撫順)，最大值為13.4kPa/m(天府)，但大部分屬於低壓瓦斯。我國(guó)部分礦區(qū)瓦斯壓力梯度及類(lèi)型見(jiàn)表4-3。煤層瓦斯壓力低影響煤層氣產(chǎn)率，不利於瓦斯抽放。壓力梯度（KPa/m）煤層瓦斯壓力類(lèi)型＜9.5低壓9.5-10.0正常＞10.0高壓表4-3我國(guó)部分礦區(qū)瓦斯壓力梯度及類(lèi)型礦區(qū)瓦斯壓力梯度（kPa/m）數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)瓦斯壓力類(lèi)型最小最大平均值低壓南桐6.311.89.49低壓松藻4.84.54.82高壓天府9.413.411.46低壓中梁山7.49.98.95低壓芙蓉3.54.74.12低壓六枝4.611.66.98低壓水城4.57.45.53低壓白沙5.911.28.69低壓漣邵6.510.58.17低壓淮南3.27.75.410低壓北票7.511.39.36低壓撫順1.25.62.97低壓3煤層吸附瓦斯能力高煤對(duì)瓦斯的吸附能力受多種因素的影響，主要影響因素有壓力、溫度、礦物質(zhì)含量、水分含量、煤階、巖性、氣體組分等。

1、壓力：隨著壓力的增加，吸附氣量增加，如圖4-4所示。

2、溫度：溫度總是對(duì)脫附起活化作用，溫度越高，游離氣越多，吸附氣越少，如圖4-5所示。圖4-4瓦斯壓力與吸附瓦斯量關(guān)係曲線圖4-5溫度對(duì)瓦斯吸附量的影響曲線

3、水分含量：水為極性分子，吸附於煤中，從而取代甲烷的位置，水分在煤吸附過(guò)程中起著極其重要的作用，水的存在，降低了煤中甲烷吸附量。然而從宏觀上認(rèn)識(shí)，沒(méi)有水封堵，也難以形成較大的煤層甲烷吸附氣氣藏。

4、煤階：煤階是煤層氣的生成和煤的吸附能力的重要影響因素之一，對(duì)煤層氣含量起控制作用。當(dāng)煤樣為乾燥煤樣時(shí)：煤的吸附能力(蘭氏體積)隨煤階（鏡質(zhì)體反射率R0，%）增高呈U字型變化。當(dāng)煤樣為平衡水分煤樣時(shí)：煤的吸附能力與煤階的關(guān)係為一倒U字型，如圖4-6所示。

5、煤巖的顯微組分：煤主要由四種有機(jī)組分組成：鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組、惰質(zhì)組和絲質(zhì)組。惰質(zhì)組中微孔發(fā)育含量越高，吸附量越大；在惰質(zhì)組含量不高時(shí)，吸附量隨鏡質(zhì)組的增多而增大。原因是絲質(zhì)組就沒(méi)有胞腔或微孔，吸附量最小。圖4-6煤階與煤的吸附能力的關(guān)係4區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯分佈區(qū)域的控制地球的地貌與地殼內(nèi)所發(fā)生的各種地質(zhì)過(guò)程有極其密切的聯(lián)繫。構(gòu)造凹地是由於地球內(nèi)動(dòng)力作用，斷塊拉伸作用，形成凹地（窪地）或斷陷盆地，屬於明顯的構(gòu)造異常區(qū)域，較大地影響到礦區(qū)的巖體應(yīng)力狀態(tài)。

在這樣的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造下，煤層處?kù)斗忾]型地質(zhì)構(gòu)造的控制，透氣性較差，不利於瓦斯排放，容易造成瓦斯積聚，形成高壓瓦斯集中區(qū)。例如，利用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法，對(duì)淮南礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造形式初步分析得出：淮南煤田是典型的棋盤(pán)格構(gòu)造形式，處在經(jīng)度凹地和緯度凹地的相交區(qū)域，如圖4-7、4-8所示。

圖4-7地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法所確定的淮南凹地

圖4-8淮南凹地剖面圖

閉合而完整的背斜或穹窿構(gòu)造並且覆蓋不透氣的地層是良好的儲(chǔ)存瓦斯構(gòu)造。在其軸部煤層內(nèi)往往積存高壓瓦斯，形成“氣頂”，如圖4-9(a)、(b)、(c)所示。對(duì)於低透氣性煤層的向斜構(gòu)造，由於軸部煤(巖)層受到強(qiáng)力擠壓而使其透氣性變得更差，一般軸部可以封存比兩翼更高的瓦斯；

而對(duì)於高透氣性煤層則由於其軸部和兩翼裂隙發(fā)育，有利於瓦斯的逸散，補(bǔ)給瓦斯量越接近軸部越趨於枯竭，見(jiàn)圖4-9(f)。受構(gòu)造影響形成煤層局部變厚的大煤包也會(huì)出現(xiàn)瓦斯含量增高的現(xiàn)象。這是因?yàn)槊喊車(chē)跇?gòu)造擠壓應(yīng)力作用下煤層變薄，形成對(duì)大煤包瓦斯的封閉條件，有利於瓦斯的大量積聚，如圖4-9(d)、(e)所示。由兩條封閉性斷層與緻密巖層封閉的地壘或地塹構(gòu)造也能成為瓦斯含量增高區(qū)，見(jiàn)圖4-9(g)、(h)，特別是地壘構(gòu)造往往由於有深部供氣來(lái)源，瓦斯含量會(huì)明顯增大。

斷層對(duì)瓦斯含量的影響比較複雜，一方面要看斷層（帶）的封閉性；另一方面還要看與煤層接觸的對(duì)盤(pán)巖層的透氣性。開(kāi)放性斷層通常會(huì)引起斷層附近的煤層瓦斯含量降低，當(dāng)與煤層接觸的對(duì)盤(pán)巖層透氣性大時(shí)，瓦斯含量降低的幅度更大，圖4-10(a)、(b)。封閉性斷層處的煤層圍巖層透氣性低時(shí)，可以阻止煤層瓦斯的排放，煤層具有較高的瓦斯含量圖4-10(c)。圖4-10(d)表示煤層被兩條封閉性逆斷層分割成三個(gè)斷塊時(shí)瓦斯含量分佈的情況。

圖4-9幾種常見(jiàn)的瓦斯儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)

1—不透氣性巖層；2—瓦斯含量增高部位；3—煤層圖4-10斷層對(duì)煤層瓦斯含量的影響1-瓦斯散失區(qū)；2-瓦斯含量降低區(qū)；3-瓦斯含量異常增高區(qū)；4-瓦斯含量正常增高區(qū)；5-地表

二、我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀和技術(shù)途徑1瓦斯抽放技術(shù)體系

瓦斯抽放分為地面鑽井抽放和井下抽采兩大類(lèi)，如圖4-11、4-12所示。按煤層氣開(kāi)採(cǎi)方法、卸壓瓦斯的來(lái)源及卸壓瓦斯抽放方法的不同，構(gòu)建了“煤與煤層氣共采”技術(shù)體系圖，如圖4-13所示。圖4-11地面煤與瓦斯協(xié)調(diào)開(kāi)採(cǎi)示意圖

圖4-12井下煤與瓦斯協(xié)調(diào)開(kāi)採(cǎi)示意圖

圖4-13煤與瓦斯協(xié)調(diào)開(kāi)採(cǎi)技術(shù)體系

2瓦斯抽放現(xiàn)狀我國(guó)煤礦井下的瓦斯抽放始於20世紀(jì)50年代，其中撫順、陽(yáng)泉是抽放量最大的礦區(qū)。2005年瓦斯抽采量23億m3，平均利用率達(dá)40％左右。年抽采量超過(guò)1億m3的礦區(qū)有陽(yáng)泉、晉城、淮南、松藻、盤(pán)江、水城和撫順等7個(gè)礦區(qū)。目前中國(guó)煤層氣產(chǎn)能晉城煤業(yè)集團(tuán)藍(lán)焰公司：15~30萬(wàn)m3/d

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司：10~15萬(wàn)m3/d

遼寧阜新礦業(yè)集團(tuán)：3萬(wàn)m3/d三、煤與瓦斯協(xié)調(diào)開(kāi)採(cǎi)技術(shù)1井下瓦斯抽采技術(shù)由於我國(guó)煤層氣低滲透率的特點(diǎn)，利用煤層開(kāi)採(cǎi)引起巖層的移動(dòng)破壞增大煤層滲透性，在採(cǎi)煤的同時(shí)高效抽放卸壓瓦斯，是我國(guó)煤層氣開(kāi)採(cǎi)的主要途徑。

1.1鑽機(jī)

目前，常用的鑽機(jī)有：煤炭科學(xué)研究總院西安分院生產(chǎn)的MK系列鑽機(jī)，孔深75-600m，孔徑75-200mm；煤炭科學(xué)研究總院重慶設(shè)計(jì)院生產(chǎn)的ZYG—150型鑽機(jī)，孔深150m，孔徑65-115mm；MK-6、MK-7鑽機(jī)如圖4-15、4-16所示。圖4-15MK-6鑽機(jī)實(shí)圖圖4-16MK-7型鑽機(jī)實(shí)圖

1.2瓦斯抽采方法的選擇原則選擇礦井瓦斯抽采方法應(yīng)依據(jù)礦井煤層賦存條件、瓦斯基本參數(shù)、瓦斯來(lái)源、開(kāi)採(cǎi)順序、巷道佈置、瓦斯抽采的目的及利用要求等因素確定，並遵循以下原則：（1）盡可能利用開(kāi)採(cǎi)巷道抽采瓦斯，必要時(shí)可設(shè)專用瓦斯抽采巷道；（2）能適應(yīng)煤層的賦存條件及開(kāi)採(cǎi)技術(shù)條件；（3）有利於提高瓦斯抽采率；（4）抽采的瓦斯量和濃度能滿足利用要求；（5）儘量採(cǎi)用綜合瓦斯抽采方法；（6）瓦斯抽采工程系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易於維護(hù)，建設(shè)投資省，抽采成本低；（7）若圍巖瓦斯湧出量大，以及溶洞、裂隙帶儲(chǔ)存有高壓瓦斯時(shí)，應(yīng)採(cǎi)取圍巖瓦斯抽采措施；

（8）煤層埋藏較淺(一般600m以內(nèi))、瓦斯含量較高、地面施工鑽孔條件較好的厚煤層或煤層群，應(yīng)採(cǎi)用地面鑽孔抽采瓦斯的方法。

1.3開(kāi)採(cǎi)層瓦斯抽采技術(shù)（1）開(kāi)採(cǎi)層建立瓦斯抽放系統(tǒng)的基本條件一個(gè)採(cǎi)煤工作面的瓦斯湧出量大於5m3/min或一個(gè)掘進(jìn)工作面瓦斯湧出量大於3m3/min，用通風(fēng)方法解決瓦斯問(wèn)題很困難；開(kāi)採(cǎi)有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層；礦井絕對(duì)瓦斯湧出量達(dá)到以下條件的：①大於或等於40m3/min；②年產(chǎn)量1.0-1.5Mt的礦井，大於30m3/min；③年產(chǎn)量0.6-1.0Mt的礦井，大於25m3/min；④年產(chǎn)量0.4-0.6Mt的礦井，大於20m3/min；⑤年產(chǎn)量≤0.4Mt的礦井，大於15m3/min。

（2）開(kāi)採(cǎi)層瓦斯抽采方法按下列要求選擇①煤層透氣性較好，應(yīng)採(cǎi)用本層預(yù)抽方法，一般優(yōu)先考慮沿煤層布孔方式；②透氣性較差，分層開(kāi)採(cǎi)的煤層，應(yīng)採(cǎi)用邊采邊抽的卸壓抽放方法；③單一低透氣性高瓦斯煤層，可選用密集網(wǎng)格鑽孔、水力割縫、水力壓裂、物理化學(xué)等方法強(qiáng)化抽采；④存在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的煤層，應(yīng)優(yōu)先選擇穿層網(wǎng)格布孔方式；⑤煤巷掘進(jìn)瓦斯湧出量較大的煤層，應(yīng)採(cǎi)用先抽後掘的抽采方式；1.4鄰近層瓦斯抽采技術(shù)（1）開(kāi)採(cǎi)近距離煤層群，應(yīng)採(cǎi)用從工作面巷道向鄰近層打垂直或斜交穿層鑽孔抽采瓦斯的方法。

（2）層間距較大的傾斜、急傾斜煤層群，可採(cǎi)用從開(kāi)採(cǎi)層頂(底)板巖石巷道打鑽孔瓦斯抽采的方法。（3）當(dāng)鄰近層或圍巖瓦斯湧出量較大時(shí)，可在工作面回風(fēng)側(cè)沿開(kāi)採(cǎi)層頂（底）板佈置水準(zhǔn)長(zhǎng)鑽孔(或高位鑽孔)抽采鄰近層瓦斯。

1.5采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)（1）采空區(qū)瓦斯抽放應(yīng)符合下列要求①采空區(qū)應(yīng)選用全封閉式抽放方法。②現(xiàn)采空區(qū)可根據(jù)煤層賦存條件和巷道佈置情況，採(cǎi)用頂(底)板鑽孔、埋管法等抽采方法，並應(yīng)採(cǎi)取措施，提高瓦斯抽采濃度。③對(duì)有自燃發(fā)火傾向的煤層瓦斯抽采，必須採(cǎi)取預(yù)防煤層自燃的措施。

（2）采空區(qū)高位頂板孔抽采鑽孔佈置（圖4-17）在煤層工作面回風(fēng)巷中，沿回風(fēng)巷煤層走向，一般退後30m位置向工作面采空區(qū)施工煤層頂板穿層鑽孔，鑽孔終孔點(diǎn)進(jìn)入開(kāi)採(cǎi)煤層裂隙帶，接管抽采采空區(qū)瓦斯。圖4-17采空區(qū)高位頂板孔佈置示意圖

1.6鑽場(chǎng)及鑽孔佈置技術(shù)（1）鑽場(chǎng)佈置原則①鑽場(chǎng)的佈置應(yīng)免受采動(dòng)影響，避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造帶，便於維護(hù)，利於封孔。②儘量利用現(xiàn)有的開(kāi)拓、準(zhǔn)備和回採(cǎi)巷道佈置鑽場(chǎng)；大直徑鑽孔(300-500mm)或“高抽巷”應(yīng)佈置在上覆巖層裂隙帶內(nèi)。③走向高抽巷宜佈置在工作面偏回風(fēng)順槽l/3工作面長(zhǎng)度處。（2）鑽孔佈置的要求

1)、采空區(qū)瓦斯抽采的鑽孔或埋管應(yīng)佈置在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)。

2)、穿層鑽孔方向應(yīng)盡可能正交或斜交煤層層理。

3)、順層鑽孔一般以3-5個(gè)孔為宜；穿層鑽孔一般以6-9個(gè)孔為宜。

4)、穿層鑽孔的終孔位置，應(yīng)穿過(guò)煤層頂(底)板0.5m。

5)、單一煤層噸煤抽采鑽孔工程量應(yīng)大於0.12m，煤層群噸煤抽采鑽孔工程量應(yīng)大於0.10m。突出危險(xiǎn)煤層的突出危險(xiǎn)區(qū)噸煤抽采鑽孔工程量不得低於0.12m。

（3）採(cǎi)煤工作面預(yù)抽瓦斯鑽孔佈置技術(shù)（圖4-18）

（4）煤層掘進(jìn)工作面邊掘邊抽鑽場(chǎng)、鑽孔佈置技術(shù)（圖4-19）6)、抽采鑽孔嚴(yán)格按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工，其方位角和傾角誤差不超過(guò)±2°，開(kāi)孔位置誤差不超過(guò)±50mm。

7)、開(kāi)採(cǎi)層順煤層鑽孔，煤厚2m以下佈置單排鑽孔、煤厚2m以上時(shí)佈置雙排鑽孔。2地面鑽井瓦斯抽放技術(shù)煤層氣地面開(kāi)採(cǎi)技術(shù)主要包括鑽井、完井、采氣和地面集氣處理生產(chǎn)系統(tǒng)。有兩種開(kāi)採(cǎi)情況，一是在沒(méi)有採(cǎi)煤作業(yè)的煤田內(nèi)開(kāi)採(cǎi)煤層氣；二是在生產(chǎn)礦區(qū)內(nèi)開(kāi)採(cǎi)煤層氣。圖4-20為晉城寺河礦井地面瓦斯抽放系統(tǒng)。

圖4-20寺河礦井地面瓦斯抽放系統(tǒng)

地面瓦斯抽放鑽井現(xiàn)場(chǎng)2.1鑽井技術(shù)常用的鑽井技術(shù)有普通回轉(zhuǎn)和衝擊回轉(zhuǎn)兩種衝擊回轉(zhuǎn)技術(shù)利用空氣或空氣泡沫作為迴圈介質(zhì)來(lái)鑽進(jìn)煤層氣井，普通回轉(zhuǎn)鑽進(jìn)使用泥漿作為迴圈介質(zhì)來(lái)鑽進(jìn)煤層氣井。在鑽進(jìn)時(shí)幾乎沒(méi)有地層水湧入鑽井時(shí)，空氣迴圈不僅可以有效地清除鑽屑，而且可以排除產(chǎn)出水。圖4-21表明普通回轉(zhuǎn)鑽探技術(shù)與衝擊回轉(zhuǎn)鑽探技術(shù)的區(qū)別。圖4-21普通回轉(zhuǎn)鑽進(jìn)和衝擊回轉(zhuǎn)鑽進(jìn)技術(shù)對(duì)比圖2.2完井技術(shù)

煤層氣井完井技術(shù)指煤層氣井與煤層的連通方式，以及為實(shí)現(xiàn)特定連通方式所採(cǎi)用的井身結(jié)構(gòu)、井口裝置和有關(guān)的技術(shù)措施。在選擇煤層氣井的完井方法時(shí)應(yīng)最大限度地保護(hù)煤層，防止對(duì)目標(biāo)煤層造成傷害，減少煤層氣流入井筒的阻力。（1）裸眼完井和下套管完井（2）複合完井增產(chǎn)技術(shù)（3）定向羽狀水準(zhǔn)井技術(shù)（3）定向羽狀水準(zhǔn)井技術(shù)完井後的采氣井場(chǎng)圖2.3采氣技術(shù)當(dāng)煤層滲