浅谈煤炭绿色开采及其技术体系

浅谈煤炭绿色开采及其技术体系摘要:煤炭资源开采对环境的影响问题，是国际上广泛关注的焦点问题，更是影响中国社会与经济发展战略的重要问题之一。

从国家对煤炭工业发展要求出发，阐述了研究煤炭资源绿色开采的必要性和意义：对煤炭资源绿色开采的内涵作了进一步的阐述。

在论述煤炭资源绿色开采技术体系框架的同时，对保水开采、煤与瓦斯共采、条带开采与充填开采、井下矸石处理、煤炭地下气化等主要的关键问题与研究现状作了深入的分析，提出了进一步研究与发展的建议。

关键词：煤炭资源；循环经济；绿色开采；关键层1 资源与环境协调(绿色)开采的提出随着煤炭资源大规模的开发利用,煤矿环境污染和破坏日益严重,由此带来的环境问题和社会问题也日益突出。

保护矿区环境、防治煤矿环境污染和破坏已越来越受到了人们的重视,并成为煤炭工业生产和建设必不可少的组成部分。

目前,尽管我国的煤炭产量和消费已占界的1 /3,但整个煤炭行业距离经济有竞争力、充分考虑安全与环境保护的健康发展还有很多问题没有根本解决。

近年,国内外许多专家学者对于矿产资源的开采、利用、环境、生态及可持续发展问题均有系统的研究,并提出了绿色开采技术体系。

1.1 国内外对煤炭绿色开采的研究现状国外学者对煤炭产业的绿色技术创新进行了大量的理论与实践研究,取得了很多有价值的成果。

有的学者对煤炭产业绿色技术创新的理论基础、基本原则及发展模式等进行了深入的探讨，有些学者对发展煤炭产业的绿色技术构建进行了较为完整的论述,为煤炭产业提供了绿色技术支撑。

有些学者基于实践,提出了煤炭产业绿色技术创新的整体框架,对煤炭绿色开采技术、洗选加工技术、清洁转化技术、综合治理技术等进行了较为完整的论述。

有些学者提出了基于绿色技术创新的煤炭资源开发利用、煤炭产业组织优化的研究结论。

有些学者研究了绿色技术创新与煤炭城市发展的相关问题。

有的学者对煤炭产业实施绿色技术创新的制度和对策进行了研究。

这些研究为我国的煤炭产业绿色技术创新提供了宝贵的经验。

在我国,最先由钱鸣高院士提出了绿色开采技术体系和关键层理论,在钱鸣高院士提出的煤炭资源绿色开采技术体系的基础上,提出了改进的煤炭资源绿色开采技术体系，在此体系下以生产煤炭为主的煤炭企业也作了不少很有成效的探索，如：1)利用劣质煤和地面堆积如山的煤矸石发电、制砖。

2)利用煤矿坑下排水净化。

3)利用瓦斯发电。

4)开采塌陷区的复垦和景观化等。

兖州、潞安、新汶、神华、淮南等矿业集团都有自身特色的生态恢复系统。

1.2 开发资源需思考的几个问题有的专家认为,事实上资源开采存在两种情况：其一，人类的索取超过了自然的生产力，生态资本出现赤字，人类将自食其果。

其二，在向自然索取的同时，尊重自然意志，遵循自然规律，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。

显然,对于采矿来说就是在开采过程中不要让生态资本出现赤字。

否则速度越高，经济效益越低，这是一种不可持续的、虚假的繁荣。

1.3 煤炭开采与环境众所周知，矿区在开发建设之前与周围环境已形成了一定的协调方式，而一旦开发建设，强烈的人为活动使环境发生巨大的变化，由此形成了独特的矿区的生态环境问题。

因此有人提出警告:“不要让资源大省成为地质灾害大省”。

煤炭开采形成的环境问题有：1)对土地资源的破坏和占用。

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压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。

2)对水资源的破坏和污染。

煤炭开采破坏地下水资源表现在对其进行人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，同时开采还可能污染地下水资源。

3)对大气环境的污染。

主要来自矿井排出的煤层瓦斯和煤矿矸石山的自燃所形成的废气。

以山西为例，由于山西煤炭产量占全国的1/4~1/3，因而开采对山西环境影响最大。

1949 -1998年间山西共生产原煤56亿吨，造成地面塌陷破坏面积超过6.7万km2，其中40%是耕地；矸石山占地2000 km2到1998年煤炭地下采空面积累计达1 300 km2(全省面积的1%)，采煤破坏地下水4.2亿m3/年。

这使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。

假若如报道那样，山西煤炭开采可能导致生态资本出现赤字，而煤炭的价值要依靠延长产业链形成，开采煤炭本身赢利很少，因而仅靠出售原煤，环境破坏得不到补偿，只会越挖越穷，而下游产业利用煤炭富裕起来，造成社会分配的不公平。

山西提出了开征煤炭价格调节基金就是促使煤炭生产企业自觉履行治理环境污染的义务，建立生态补偿费制度，将煤炭工业生态破坏成本内部化。

由此对经济情况并未完全好转的煤炭工业造成压力。

2 资源与环境协调(绿色)开采的内涵2.1 对原有矿井废弃(或有害)物观念的转变从广义资源的角度来说，在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层内所涵的瓦斯、土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该是这个矿区的开发对象而加以利用。

而在原来的定义中，矿井瓦斯是：矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。

事实上瓦斯是清洁能源,1m3瓦斯可发电3~3.5 kW·h。

矿井水文地质类型是：根据矿井水文地质条件、涌水量、水害情况和防治水难易程度……类型。

事实上水是资源,采矿应该将其调控。

其它，如矸石作为塌陷地的复垦材料以及制砖利用等。

2.2 绿色开采技术涉及的范围1)采矿方法的改变。

如；为保护地面建筑物而发展条带开采和条带充填技术、采空区以及离层区充填技术；煤与瓦斯共采技术；保护地下水资源开采技术——保水开采技术；地下气化技术；开采与土地保护。

2)加强煤巷维护技术，从而不出或少出矸石。

从经济原则出发，矸石在井下处理，或考虑地面处理以保护环境或将其进行制砖，填方等加以利用。

2.3 绿色开采技术的基础理论问题开采的环境问题都是由于采动所引起，因此与开采后造成的岩层运动有关(岩体不破坏上述问题都不会发生)。

岩层运动不仅对矿山压力有影响，对环境而言是开采后形成岩层节理“裂隙场”，由此影响离层的发育状态及位置，引起地表沉陷，瓦斯与地下水在裂隙岩体内的渗流等。

为此提出了岩层控制的关键层理论.2.4 关键层的判别方法与程序关键层的判别可以用覆岩中的坚硬岩层的刚度条件和强度条件加以判别。

两层邻近坚硬岩层在一起,可能形成同时破断复合效应，则：1)当相邻两硬岩层复合破断时，两硬岩层间将不会出现离层。

2)当形成复合效应时，增大了关键层的破断距，在位置靠近采场时，将引起工作面来压步距的增大和变化。

采动后岩体内的“裂隙场”,主要有以下特点：1)中心离层区的形成，关键层运动对离层产生、发展的时空分布起控制作用。

覆岩中心最大离层区主要出现在关键层下采空区的中部。

2)采动裂隙“O”形圈的形成。

关键层初次垮落后，关键层在采空区中部离层趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区。

此时，从平面看，在采空区四周存在一沿层面横向连通的离层发育区，称之为采动裂隙“O”形圈。

3 煤炭资源绿色开采技术体系3.1 煤与瓦斯共采技术原理1）采前抽采。

若能在开采前将煤层内瓦斯抽出,是瓦斯利用、改善煤矿安全的最好办法。

由于我国大部分煤体透气性低,在本煤层抽放瓦斯有技术难度。

2）煤与瓦斯共采。

开采后围岩压力降低,大量瓦斯在采空区释放,形成煤与瓦斯共采体,是瓦斯抽采的好时机。

3）废弃矿井抽采瓦斯。

废弃矿井煤层经采动而充满瓦斯,可利用采动后岩体内裂隙场的分布及钻孔,将瓦斯抽排管装在井下、封闭口后,抽出瓦斯。

4）回风井回收瓦斯。

3.2 开采与地下水分布开采后，随着地表的沉陷将改变地表水的流向，同时随着上覆岩层中关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗。

地下水位能否恢复，则决定于上覆岩层中有否软弱岩层，随着工作面的推进，经重新压实并导致裂隙闭合而形成隔水带。

若有隔水带，则随着雨水的再次补给，下降漏斗也将随之消失。

另外，必须指出：1)保水开采与防止溃水是两个概念，后者是从安全考虑，而保水开采则必须研究开采前后岩层的水文地质变化。

2)我国西北地区保水开采是重点，必须研究所开采的岩层是否有隔水带，开采对地下水的破坏形成的漏斗以及在降雨水后的恢复过程。

3)要研究地下水是全部流失还是保存在更深的岩层内形成地下水库而后再利用。

3.3 减沉技术减沉开采技术主要包括：条带开采、充填开采和离层区注浆减沉技术。

1)条带开采：实验证明主关键层对地表移动过程起控制作用，主关键层的破断将导致地表快速下沉，地表下沉速度随主关键层周期性破断而呈现跳跃性变化。

控制主关键层就是控制地表。

因此，首先要判别上覆岩层中的主关键层位置，在对主关键层破断特征进行研究的基础上，通过合理设计条带参数、覆岩离层注浆等技术手段来保证覆岩主关键层不破断并保持长期稳定。

2)充填技术:充填技术是解决“三下”开采技术的重要组成部分，在国外它与采矿技术密切相关。

尤其在经济发达地区充填技术是解决建筑物下开采的特殊措施。

目前我国充填技术的使用成本高，但如果将“充填体-上覆岩层-主关键层”视为统一结构体来应对地面建筑，并使其达到最低廉的成本，它将对地面有良好的控制效果。

顺利解决上述问题将根本改变将来我国在经济发达区域的开采技术。

鉴于在形成结构体中对充填体强度与密实度要求，因而应该考虑使用膏体充填。

所谓膏体充填指的是把物料制作成不需脱水的牙膏状浆体，通过泵压和/或重力作用，经过管道输送到井下，在采空区形成充填体的方法。

利用条带开采、间隔全工作面充填和离层区充填法等技术，完全可以做到保护地面建筑物而又尽可能回收煤炭资源。

3.4 井下矸石的处理我国矸石排量占原煤产量的15% ~20%。

按2013年产36.8亿吨煤计算，矸石排量在6~7亿吨。

减少排矸和进行矸石利用是绿色开采技术的另一大任务。

通过优化巷道布置，多开煤巷少掘岩巷,开发煤巷护巷技术，减少矸石量。

但随着采深的增加，岩石巷的开掘将不可避免，处理好矸石利用是良好的解决途径。

根据矸石成分可以采取不同的处理方法，如含碳量大于20%的煤矸石发热量在612~1 215MJ /kg，可用于发电、供热，含碳量低的煤矸石,可用作建筑材料、复垦回填材料等。

对于有些不宜在地面使用的矸石，可在井下充填采空区以保护地表。

3.5 煤炭地下气化煤炭地下气化是一种整体绿色开采技术。

煤的地下气化作为绿色开采技术来理解，是指其不将煤炭采出地面,而将其在地下直接气化，即将地下煤炭通过热化学反应在原地转化为可燃气体的技术。

它始于英国，早期在美国、苏联、德国、法国、荷兰、西班牙都进行过试验，但由于热值低，成本高而未得到发展。

我国采用有井式、长通道、大断面的煤炭地下气化方法，1994年达到连续产气295 天，产气量为200m3/h,热值13 181~17 157 MJ /m3。

2005年，中国矿业大学与重庆中梁山矿业集团合作实现了连续稳定生产优质水煤气和混合煤气。