? 開采引起環(huán)境與主要安全問題的發(fā)生都與開采后造成的巖層運(yùn)動(dòng)有關(guān)(巖體不破壞上述問題都不會(huì)發(fā)生)，因此，綠色開采的重大基礎(chǔ)理論為:①采礦后巖層內(nèi)的“節(jié)理裂隙場(chǎng)”分布以及離層規(guī)律; ②開采對(duì)巖層與地表移動(dòng)的影響規(guī)律;③水與瓦斯在裂隙巖體中的滲流規(guī)律;④巖體應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及巖層控制技術(shù)。
3基于關(guān)鍵層理論的綠色開采技術(shù)研究與實(shí)踐
??? 采場(chǎng)老頂巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型是針對(duì)開采過程中的礦山壓力控制而提出來的。近年來，為了解決巖層控制中更為廣泛的問題，提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論[3]。關(guān)鍵層理論提出的目的是為了研究覆巖中厚硬巖層對(duì)層狀礦體開采中節(jié)理裂隙的分布及其對(duì)瓦斯抽放與突水防治以及對(duì)開采沉陷控制等的影響。因而，關(guān)鍵層理論將為綠色開采的研究提供理論平臺(tái)。
??? 開采后，隨著關(guān)鍵層的破斷，在該區(qū)域內(nèi)地下水將形成下降漏斗。地下水位能否恢復(fù)，則決定于隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層中有否軟弱巖層(事實(shí)上它是研究地下水滲漏的‘關(guān)鍵層”)經(jīng)重新壓實(shí)導(dǎo)致裂隙閉合而形成隔水帶。把地下水視為資源，必須形成保水開采技術(shù)，即開采后地表水暫時(shí)形成下降漏斗仍能恢復(fù)到原來狀態(tài)的開采技術(shù)。底板突水是在采動(dòng)和水壓共同作用下底板破壞所致，因此，底板突水機(jī)理及防治研究應(yīng)重視采動(dòng)底板破壞規(guī)律的研究。巖層控制的關(guān)鍵層理論的原理可以用于采場(chǎng)底板突水治理研究中，即在采場(chǎng)底板隔水層中，找出起主要控制作用的巖層—隔水關(guān)鍵層，由此展開相應(yīng)的力學(xué)分析。在采場(chǎng)底板突水事故統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)無斷層底板關(guān)鍵層的破斷與突水機(jī)理及有斷層底板關(guān)鍵層的破斷與突水機(jī)理進(jìn)行了研究，據(jù)此提出了底板突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的原理與方法，在淮北朱莊礦6313工作面底板突水危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中得到了應(yīng)用與驗(yàn)證[4,5]
??? 基于巖層控制的關(guān)鍵層理論提出:將保證覆巖主關(guān)鍵層不破斷失穩(wěn)作為建筑物下采煤設(shè)計(jì)的基本原則。為了保證建筑物下采煤既具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又確保地面建筑物不受到損害，關(guān)鍵在于根據(jù)具體條件下覆巖結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵層特征來研究確定合理的減沉開采技術(shù)及參數(shù)。確定覆巖中的關(guān)鍵層位置，掌握其離層與破斷特征參數(shù)，是注漿減沉技術(shù)應(yīng)用可行性分析、鉆孔布置與注漿工藝設(shè)計(jì)及減沉效果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[6,7]。從理論上來說，充填采礦是解決煤礦開采環(huán)境問題的理想途徑。為了降低充填成本，基于巖層控制的關(guān)鍵層理論，提出了部分充填(條帶充填)控制開采沉陷的思路:僅充填部分采空區(qū)，只要保證未充填采空區(qū)的寬度小于覆巖主關(guān)鍵層的初次破斷跨距，且充填條帶能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，就可有效控制地表沉陷。在關(guān)鍵層理論指導(dǎo)下，開展了多個(gè)礦井建筑物下條帶采煤試驗(yàn)和巨厚火成巖下離層充填減沉試驗(yàn)，累計(jì)安全采出建筑物下壓煤數(shù)百萬t，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。目前，關(guān)鍵層理論正應(yīng)用于多個(gè)礦井的建筑物下采煤實(shí)踐。
??? 我國(guó)煤層70%以上煤層的滲透率小于1×10-3 μm2，這對(duì)我國(guó)開展煤層瓦斯采前預(yù)抽是極為不利的。正因?yàn)槿绱?，我?guó)已鉆的200多口采前地面煤層氣井中，穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)井很少，單井產(chǎn)量超3000 m3/ d的也只有約30口[8]。而如何提高煤層采前滲透率是尚未解決的難題。實(shí)踐表明，一旦煤層開采引起巖層移動(dòng)，即使是滲透率很低的煤層，其滲透率也將增大數(shù)十倍至數(shù)百倍，為煤層氣運(yùn)移和開采創(chuàng)造了條件。因而，卸壓煤層氣抽放將是我國(guó)煤層氣開采的重要途徑。我國(guó)煤礦卸壓瓦斯抽放工作一直在進(jìn)行并取得了很大進(jìn)展，但我國(guó)煤礦抽放瓦斯的主要目的還是為了采煤的安全，而不是將瓦斯作為一種有用的資源進(jìn)行開采，大部分礦井抽放瓦斯未能利用而直接排放到大氣中。目前，我國(guó)卸壓瓦斯抽放總體上仍存在抽出率低及鉆孔工程量大的問題，瓦斯總體抽出率僅為23％。如何基于巖層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行卸壓瓦斯抽放方案的優(yōu)化、提高瓦斯采出率將是我國(guó)煤礦卸壓瓦斯抽放進(jìn)一步研究的主要方向?；趲r層控制的關(guān)鍵層理論及煤礦綠色開采思想提出的“煤與煤層氣共采”的基本觀點(diǎn)為:將煤層氣作為一種資源，充分利用采煤過程中巖層移動(dòng)對(duì)瓦斯卸壓作用并根據(jù)巖層移動(dòng)規(guī)律來優(yōu)化抽放方案、提高抽出率，在煤層開采時(shí)形成采煤和采煤層氣兩個(gè)完整的開采系統(tǒng)，即形成“煤與煤層氣共采”技術(shù)，煤礦從采掘部署上把瓦斯抽放當(dāng)作正規(guī)的開采工藝流程，從時(shí)間、空間與資金上給于保證，對(duì)抽放瓦斯進(jìn)行利用。若在開采時(shí)形成采煤和采瓦斯兩個(gè)完整的系統(tǒng)，利用巖層運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)將煤層氣高效開采出來，即形成“煤與瓦斯共采”技術(shù)。關(guān)鍵層理論所得出的節(jié)理裂隙場(chǎng)分布規(guī)律將對(duì)瓦斯抽出技術(shù)有重要參考作用。將關(guān)鍵層理論及有關(guān)采動(dòng)裂隙分布規(guī)律的研究成果應(yīng)用于我國(guó)卸壓瓦斯抽放的研究與工程實(shí)踐，取得了以下主要成果[9-11]:
??? (1)建立了卸壓瓦斯抽放“O"形圈理論，它是指導(dǎo)卸壓瓦斯抽放鉆孔布置的理論依據(jù)，并已在淮北、淮南、陽泉等礦區(qū)的卸壓瓦斯抽放中得到成功試驗(yàn)與應(yīng)用。
??? (2)理論與實(shí)測(cè)研究證明，上覆遠(yuǎn)距離煤層能充分卸壓，其卸壓煤層氣可通過“O”形圈大面積抽放出來。首次在桃園礦進(jìn)行了上覆遠(yuǎn)距離卸壓煤層氣抽放的工業(yè)性試驗(yàn)，取得了較好的抽放效果，為我國(guó)低透氣性煤田煤層氣開采開辟了一條新途徑。同時(shí)，該方法擴(kuò)展了開采下解放層的應(yīng)用范圍，為煤與瓦斯突出的防治提供了新途徑。該方法在我國(guó)許多礦區(qū)具備推廣應(yīng)用前景。
??? (3)試驗(yàn)研究表明，鄰近開采煤層的下位關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動(dòng)對(duì)“導(dǎo)氣”裂隙發(fā)育的動(dòng)態(tài)過程起控制作用。鄰近層卸壓瓦斯的涌出受控于“導(dǎo)氣”裂隙發(fā)育的動(dòng)態(tài)過程。對(duì)陽泉五礦15煤綜放面而言，在初采期，其上鄰近層卸壓瓦斯涌出呈四階段特征。上鄰近層卸壓瓦斯抽放孔(巷)布置應(yīng)遵循如下原則:抽放孔(巷)沿傾向位置，在初采期應(yīng)位于采空區(qū)中部，而在正?；夭善陂g，應(yīng)位于“O"形圈內(nèi)。據(jù)此提出了陽泉五礦15煤綜放面鄰近層卸壓瓦斯走向高抽巷布置的優(yōu)化方案。
??? 矸石不上井涉及到煤巷維護(hù)問題，而且隨著采深的增加，巖石巷的開掘?qū)⑹遣豢杀苊?。因此矸石不上井就存在一個(gè)矸石井下處理系統(tǒng)，結(jié)果成本如何?應(yīng)該說，在經(jīng)濟(jì)原則下矸石的井下處理是綠色采礦問題。但矸石的井上處理就像地面復(fù)懇一樣是環(huán)境治理問題，不屬于綠色開采技術(shù)。
??? 煤炭地下氣化是一種整體綠色開采技術(shù)。首先是如何使地下煤炭氣化產(chǎn)生的致癌物質(zhì)苯和酚不擴(kuò)散與污染和毒化地下水資源，其次是如何處理燃燒形成的大量二氧化碳對(duì)空氣嚴(yán)重污染的問題。否則煤炭地下氣化就失去了綠色開采的意義。
4綠色開采若干待研究問題
??? 下列問題將是綠色開采有待進(jìn)一步研究的主要問題:
??? (1)采動(dòng)破裂煤巖體中水與瓦斯流動(dòng)規(guī)律研究;
??? (2)基于巖層移動(dòng)與關(guān)鍵層理論的開采沉陷預(yù)測(cè)與建筑物下采煤的定量設(shè)計(jì)方法;
??? (3)適合煤礦特點(diǎn)的充填采礦材料與工藝系統(tǒng);
??? (4)煤礦綠色開采技術(shù)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與法規(guī)。
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作者簡(jiǎn)介:錢鳴高(1932-)，男，江蘇無錫縣人，中國(guó)工程院院士，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事采礦工程方面研究。