煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)的研究與實(shí)踐

1、煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)的研究與實(shí)踐1煤礦綠色開(kāi)采的提出    黨的十六大報(bào)告明確提出“走出一條科技含量高，經(jīng)濟(jì)效益好，資源消耗低，環(huán)境污染少，人力資源優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子?！币虼?，必須充分考慮我國(guó)資源相對(duì)短缺，環(huán)境比較脆弱的基本特點(diǎn)，建立起適合我國(guó)國(guó)情的資源節(jié)約、環(huán)境友好的新型工業(yè)化發(fā)展道路。    近期提出的循環(huán)經(jīng)濟(jì)(recycling economy)是指遵循自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)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)高效有序地組織成一個(gè)“資源利用綠色工業(yè)資源再生”的封閉型物質(zhì)能量循環(huán)的反饋式流程，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)

2、濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響破壞減少到最低程度。它不同于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的“高開(kāi)采、低利用、高排放”，而是達(dá)到“低開(kāi)采、高利用、低排放”的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。顯然，此處的綠色工業(yè)”是廣義的概念，應(yīng)由各個(gè)工業(yè)部門(mén)去實(shí)現(xiàn)。對(duì)礦業(yè)來(lái)說(shuō)就是要實(shí)現(xiàn)“綠色礦業(yè)”?！熬G色礦業(yè)”的核心內(nèi)容之一就是要實(shí)現(xiàn)“綠色開(kāi)采”。    “綠色開(kāi)采”的內(nèi)涵是努力遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)中綠色工業(yè)的原則，形成一種與環(huán)境協(xié)調(diào)一致的，努力去實(shí)現(xiàn)“低開(kāi)采、高利用、低排放”的開(kāi)采技術(shù)。礦區(qū)在開(kāi)發(fā)建設(shè)之前與周?chē)h(huán)境是協(xié)調(diào)一致的，而進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)后，強(qiáng)烈的人為活動(dòng)便使環(huán)境發(fā)生巨大的變化，由此形成了礦區(qū)獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如造成農(nóng)田以及建筑物破壞，村

3、莊遷徙，矸石堆積，使河川徑流量減少，以及地下水供水水源干枯，在地面導(dǎo)致的土地沙漠化，由于開(kāi)采而使礦物內(nèi)的有害物質(zhì)流入地下水中等。我國(guó)目前的煤礦生產(chǎn)是在以下兩種情況下進(jìn)行的:一是生產(chǎn)成本不完全。如投入不足;技術(shù)裝備落后;安全設(shè)施欠帳;工人工資太低。二是相關(guān)費(fèi)用支付不全。如礦產(chǎn)資源費(fèi)以及植被恢復(fù)，地面塌陷與水損失;污染治理等。提出并形成綠色開(kāi)采技術(shù)是為了正視開(kāi)采對(duì)環(huán)境造成的影響和破壞，并有清醒的認(rèn)識(shí)與足夠的估量，以便提出必要的對(duì)策和對(duì)政府提出必要的政策建議。    煤炭開(kāi)采形成的環(huán)境問(wèn)題主要為:    (1)對(duì)土地資源的破壞和占用。煤炭開(kāi)采對(duì)土地資源的破壞損

4、害，井下開(kāi)采以地表塌陷和矸石山壓占為主，而露天開(kāi)采則以直接挖損和外排土場(chǎng)壓占為主。    (2)對(duì)水資源的破壞和污染。煤炭開(kāi)采過(guò)程中，進(jìn)行的人為疏干排水和采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙對(duì)煤系含水層的自然疏干，破壞了地下水資源。同時(shí)開(kāi)采還可能污染地下水資源。    (3)對(duì)大氣環(huán)境的污染。主要來(lái)自礦井排出的煤層瓦斯抽放和煤礦矸石山的自燃。    以山西省為例，19491998年共生產(chǎn)原煤56億多t，地面塌陷破壞面積達(dá)666 000多h m²，其中40%是耕地。研石山占地2 000多h m²。至1998年煤炭地下采空面積達(dá)1 30

5、0 km2(全省面積的1 %)。采煤破壞地下水4.2億 m³ / a，地表水遷流減少，導(dǎo)致井水位下降或斷流共計(jì)3 218個(gè)，影響水利工程433處，水庫(kù)40座，輸水管道793 890 m ;造成1 678個(gè)村莊，812 715口人，108 241頭牲畜飲水困難。使本來(lái)缺水的山西環(huán)境受到進(jìn)一步破壞。平均每采萬(wàn)t原煤造成塌陷土地0.2 hm²，每年新增塌陷地約2萬(wàn)h m²。    礦井瓦斯即煤層氣，它是比CO2還嚴(yán)重的溫室氣體，也是導(dǎo)致煤礦重大安全事故的根源。據(jù)初步估計(jì)，我國(guó)2 000 m淺范圍內(nèi)具有30 - 35萬(wàn)億m³煤層氣資源，居世界

6、前列。但由于我國(guó)煤層透氣性小，難以在開(kāi)采前抽出。建國(guó)以來(lái)，我國(guó)煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故1 500余次，僅2001年由于瓦斯事故的死亡人數(shù)達(dá)2 356人，為煤礦總死亡人數(shù)的40%。煤礦每年排放瓦斯70-190億m³。同時(shí)瓦斯又是最好的清潔能源，因此必須加以利用，變害為寶。    由此可見(jiàn)，提出并盡快形成煤礦的“綠色開(kāi)采技術(shù)”已迫在眉睫。事實(shí)上，筆者從20世紀(jì)90年代初已開(kāi)始了有關(guān)“綠色開(kāi)采技術(shù)”的研究和實(shí)踐。在長(zhǎng)期研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，正式提出了煤礦綠色開(kāi)采的理念及其技術(shù)體系2。2綠色開(kāi)采的內(nèi)涵與技術(shù)體系    從廣義資源的角度論，在礦區(qū)范圍內(nèi)的煤

7、炭、地下水、煤層氣(瓦斯)、土地以至于煤研石以及在煤層附近的其他礦床，都應(yīng)該是經(jīng)營(yíng)這個(gè)礦區(qū)的開(kāi)發(fā)對(duì)象而加以利用。    而原來(lái)對(duì)礦井瓦斯的定義是:“礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體”。而在礦井水文地質(zhì)類(lèi)型劃分中認(rèn)為:“根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件、涌水量、水害情況和防治水難易程度，劃為類(lèi)型”。顯然，上述概念將原本為礦區(qū)資源的瓦斯和水單純作為有害物來(lái)對(duì)待是不合適的。煤礦綠色開(kāi)采以及相應(yīng)的綠色開(kāi)采技術(shù)，在基本概念上是從廣義資源的角度上來(lái)認(rèn)識(shí)和對(duì)待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各種資源;基本出發(fā)點(diǎn)是防止或盡可能減輕開(kāi)采煤炭對(duì)環(huán)境和其他資源的不良影響;目標(biāo)是取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社

8、會(huì)效益。根據(jù)煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，“綠色開(kāi)采技術(shù)”主要包括以下內(nèi)容:水資源保護(hù)形成“保水開(kāi)采”技術(shù);土地與建筑物保護(hù)形成離層注漿、充填與條帶開(kāi)采技術(shù);瓦斯抽放形成“煤與瓦斯共采”技術(shù);煤層巷道支護(hù)技術(shù)與減少矸石排放技術(shù);地下氣化技術(shù)。這些內(nèi)容構(gòu)成的綠色開(kāi)采技術(shù)體系簡(jiǎn)要表達(dá)如圖1所示。     開(kāi)采引起環(huán)境與主要安全問(wèn)題的發(fā)生都與開(kāi)采后造成的巖層運(yùn)動(dòng)有關(guān)(巖體不破壞上述問(wèn)題都不會(huì)發(fā)生)，因此，綠色開(kāi)采的重大基礎(chǔ)理論為:采礦后巖層內(nèi)的“節(jié)理裂隙場(chǎng)”分布以及離層規(guī)律; 開(kāi)采對(duì)巖層與地表移動(dòng)的影響規(guī)律;水與瓦斯在裂隙巖體中的滲流規(guī)律;巖體應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及巖層控制技

9、術(shù)。3基于關(guān)鍵層理論的綠色開(kāi)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(kāi)采過(guò)程中的礦山壓力控制而提出來(lái)的。近年來(lái)，為了解決巖層控制中更為廣泛的問(wèn)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(kāi)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(kāi)采沉陷控制等的影響。因而，關(guān)鍵層理論將為綠色開(kāi)采的研究提供理論平臺(tái)。    開(kāi)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

10、合而形成隔水帶。把地下水視為資源，必須形成保水開(kāi)采技術(shù)，即開(kāi)采后地表水暫時(shí)形成下降漏斗仍能恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的開(kāi)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(kāi)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(wú)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 

11、;   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(lái)研究確定合理的減沉開(kāi)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(lái)說(shuō)，充填采礦是解決煤礦開(kāi)采環(huán)境問(wèn)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(kāi)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

12、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(kāi)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(wàn)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 m²，這對(duì)我國(guó)開(kāi)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(kāi)采引起

13、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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wèn)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(kāi)采思想提出的“煤與煤層氣共采”的基本

14、觀點(diǎn)為:將煤層氣作為一種資源，充分利用采煤過(guò)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(lái)優(yōu)化抽放方案、提高抽出率，在煤層開(kāi)采時(shí)形成采煤和采煤層氣兩個(gè)完整的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采出來(lái)，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: 

15、  (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(yáng)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(guò)“O”形圈大面積抽放出來(lái)。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(kāi)采開(kāi)辟了一條新途徑。同時(shí)，該方法擴(kuò)展了開(kāi)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(kāi)采煤層的下位關(guān)鍵

16、層的破斷運(yùn)動(dòng)對(duì)“導(dǎo)氣”裂隙發(fā)育的動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程。對(duì)陽(yáng)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，而在正常回采期間，應(yīng)位于“O"形圈內(nèi)。據(jù)此提出了陽(yáng)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(wèn)題，而且隨著采深的增加，巖石巷的開(kāi)掘?qū)⑹遣豢杀苊狻Ｒ虼隧肥簧暇痛嬖谝粋€(gè)矸石井下處理系統(tǒng)，結(jié)果成本如何?應(yīng)該說(shuō)，在經(jīng)濟(jì)原則下矸石的井下處理是綠色采礦問(wèn)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(wèn)題，不屬于綠色開(kāi)采技術(shù)。    煤炭地下氣化是一種整體綠色開(kāi)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