淺談煤炭資源的綠色開(kāi)采

淺談煤炭資源的綠色開(kāi)采摘要：摘要:針對(duì)傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采導(dǎo)致的環(huán)境破壞等問(wèn)題，提出煤炭開(kāi)采應(yīng)進(jìn)行綠色開(kāi)采。闡述了綠色開(kāi)采的必要性和理論基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)展煤炭綠色開(kāi)采技術(shù)探索研究，總結(jié)了煤與瓦斯共采、保水開(kāi)采、減沉技術(shù)、矸石充填和煤炭地下氣話(huà)等煤炭綠色開(kāi)采技術(shù)，分析了煤炭綠色開(kāi)采技術(shù)及其應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)際提出煤炭綠色開(kāi)采建議。關(guān)鍵詞：綠色開(kāi)采，煤與瓦斯共采，保水開(kāi)采，矸石充填1引言隨著世界能源形式的持續(xù)緊張，我國(guó)對(duì)煤炭的需求量急劇增長(zhǎng)。然而伴隨著煤炭產(chǎn)量增長(zhǎng)的同時(shí)，因煤炭開(kāi)采所引起的環(huán)境問(wèn)題也日益突出。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)于礦產(chǎn)資源的開(kāi)采、利用、環(huán)境、生態(tài)及可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題均有系統(tǒng)的研究，并提出了綠色開(kāi)采技術(shù)體系。綠色開(kāi)采技術(shù)立足于煤炭開(kāi)采的源頭，通過(guò)對(duì)采煤方法和工藝、巖層控制及相關(guān)技術(shù)的研究，改變傳統(tǒng)采煤工藝造成的生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的環(huán)保、高效、高回收率和安全開(kāi)采，根木解決煤炭開(kāi)采資源采出率低、地表沉陷與生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)采礦工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。近幾年來(lái)，我國(guó)的綠色開(kāi)采理論有了長(zhǎng)足的發(fā)展：現(xiàn)已構(gòu)建了煤炭資源綠色開(kāi)采的理論與技術(shù)框架，初步建設(shè)了綠色開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，在綠色開(kāi)采技術(shù)的一些方面取得了突破和進(jìn)展。2煤炭綠色開(kāi)采2.1煤炭綠色開(kāi)采的內(nèi)涵礦區(qū)開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞和污染表現(xiàn)為：①對(duì)土地資源的破壞。地下開(kāi)采主要表現(xiàn)為地表塌陷和矸石山的壓占；②對(duì)水資源的破壞和污染。表現(xiàn)為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。開(kāi)采形成的污水和廢棄物可能污染水資源；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和煤礦矸石山的自燃所形成的廢氣。綠色開(kāi)采概念的就是針對(duì)以上破壞和污染而提出的，所以綠色開(kāi)采的內(nèi)涵主要表現(xiàn)在，改革開(kāi)采技術(shù)減輕對(duì)地表的擾動(dòng)和水土的破壞，減少?gòu)U棄物排放；礦山廢棄物的資源化利用，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。2.2煤炭綠色開(kāi)采的基本思想改革開(kāi)采技術(shù)，形成開(kāi)采與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展：煤炭開(kāi)采對(duì)環(huán)境的影響很多是不可逆的，尤其在生態(tài)環(huán)境比較脆弱的西部地區(qū)大規(guī)模開(kāi)采對(duì)環(huán)境的影響不可忽視。長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭開(kāi)采技術(shù)主要是保證安全、提高回收率、高產(chǎn)高效。顯然，必須要形成“資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)采技術(shù)”，使開(kāi)采導(dǎo)致的環(huán)境破壞控制在環(huán)境允許容量?jī)?nèi)。煤礦資源開(kāi)采與地面環(huán)境建設(shè)一體化：必須在開(kāi)采地下資源的同時(shí)，進(jìn)行地面的環(huán)境保護(hù)和綠化作為補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)地下與地面的一體均衡發(fā)展。提倡資源開(kāi)發(fā)環(huán)境損害最小化：必須要依靠技術(shù)進(jìn)步，在損害環(huán)境最小的狀態(tài)下取得最大量的資源或者在同樣環(huán)境損害狀態(tài)下達(dá)到最大資源回收率，使得環(huán)境損害/單位資源最小。23綠色開(kāi)采技術(shù)的理論基礎(chǔ)開(kāi)采的環(huán)境問(wèn)題都由采動(dòng)所引起，與開(kāi)采后造成的巖層運(yùn)動(dòng)有關(guān)。巖層運(yùn)動(dòng)使巖體松動(dòng)，形成巖體內(nèi)“裂隙場(chǎng)”，由此影響離層的發(fā)育狀態(tài)及位置和地表沉陷，從而改變了瓦斯與地下水在裂隙巖體內(nèi)的滲流規(guī)律。因此，綠色開(kāi)采的理論基礎(chǔ)為：①采動(dòng)巖體“節(jié)理裂隙場(chǎng)”分布以及離層規(guī)律；②開(kāi)采對(duì)地表的影響規(guī)律；③液體與氣體在裂隙巖體中的滲流規(guī)律；④巖層控制(主要是煤巷支護(hù))與巖體應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律。巖層中的關(guān)鍵層對(duì)整個(gè)巖層運(yùn)動(dòng)及巖體內(nèi)“裂隙場(chǎng)”起控制作用，與綠色采礦密切相關(guān)，巖層控制的關(guān)鍵層理論是綠色采礦的基礎(chǔ)理論。2.4綠色開(kāi)采技術(shù)體系綜述綠色開(kāi)采技術(shù)體系主要包括以下內(nèi)容：①水資源保護(hù)一形成“保水開(kāi)采技術(shù)”；②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)；③瓦斯抽放一形成“煤與比斯共采”技術(shù)；④煤層巷道支護(hù)技術(shù)與減少矸排放技術(shù)；⑤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。圖1綠色開(kāi)采技術(shù)體系3綠色開(kāi)采技術(shù)3.1煤與瓦斯共采技術(shù)煤層氣即瓦斯，長(zhǎng)期以來(lái)被看作危害礦井安全的罪魁禍?zhǔn)?，以往煤礦對(duì)其處理方法都是直接排入大氣，這在一定程度上加劇了全球的溫室效應(yīng)，也是一種資源的浪費(fèi)。煤層氣作為一種高效、清潔的能源，其中蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境利益。我國(guó)的煤層氣儲(chǔ)量非常豐富，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。綠色開(kāi)采技術(shù)中的煤與煤層氣共采技術(shù)，利用煤炭開(kāi)采過(guò)程中巖層移動(dòng)形成的離層與裂隙分布規(guī)律，及開(kāi)采卸壓原理，使原聚集在煤炭微裂隙中的瓦斯通過(guò)“導(dǎo)氣”裂隙逐步釋放，實(shí)現(xiàn)煤與煤層氣共采。近年來(lái)，隨著對(duì)關(guān)鍵層破斷前后裂隙分布規(guī)律以及采動(dòng)礦山壓力引起的巖層移動(dòng)規(guī)律的深入研究，我國(guó)學(xué)者提出了“O”形圈理論。當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到一定值后，“導(dǎo)氣”裂隙的分布呈現(xiàn)“O”形圈特征（見(jiàn)圖2）。它是正?；夭善陂g鄰近層卸壓瓦斯流向采空區(qū)的主要通道，這對(duì)卸壓比斯抽放具有重要息義。圖2采動(dòng)裂隙的“O”形圈分布規(guī)律3.2保水開(kāi)采技術(shù)我國(guó)水資源分布很不均衡，約有70%的礦區(qū)缺水，尤其西部礦區(qū)缺水更為嚴(yán)重，對(duì)于西部礦區(qū)保水開(kāi)采是綠色開(kāi)采的主要內(nèi)容。礦區(qū)開(kāi)發(fā)大量使用地表水和地下水，煤炭開(kāi)采要對(duì)地下水資源人為疏干，采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙對(duì)煤系含水層形成自然疏干過(guò)程，這些都將對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。地下水位能否恢復(fù)，決定于上覆巖層中是否有可再生的隔水層。研究采動(dòng)基巖和隔水層的移動(dòng)規(guī)律，揭示導(dǎo)水裂隙形成規(guī)律和采動(dòng)隔水層穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采的基礎(chǔ)。在保水開(kāi)采研究中應(yīng)注意以下問(wèn)題：①保水開(kāi)采與防止?jié)⑺母拍?。保水開(kāi)采必須研究開(kāi)采前后巖層的水文地質(zhì)變化，后者是從安全考慮。②在我國(guó)西部地區(qū)必須研究采動(dòng)覆巖內(nèi)是否有隔水層，開(kāi)采對(duì)地表和地下水系的破壞在降雨前后能否恢復(fù)，能否再造相應(yīng)的隔水層。③地下水的利用是減輕和修復(fù)開(kāi)采對(duì)水資源破的重要途徑。近年來(lái)，我國(guó)研究人員將巖層控制關(guān)鍵層理論與采動(dòng)巖體滲流理論相結(jié)合，為礦區(qū)水災(zāi)治理及水資源保護(hù)與利用提供了新的技術(shù)途徑。還通過(guò)建立保水開(kāi)采的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，提出保水開(kāi)采機(jī)理，建立頂板含水層保水開(kāi)采技術(shù)，以及以采煤土作面頂板含水層為主要研究對(duì)象，研究采動(dòng)巖體關(guān)鍵層、含水層及隔水層的結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)等。3.3矸石充填與減沉技術(shù)我國(guó)矸石排量占原煤產(chǎn)量的15%—20%。按年產(chǎn)25億t煤計(jì)算，矸石排量在4億一5億t。減少排矸和進(jìn)行矸石利用是綠色開(kāi)采技術(shù)的一大任務(wù)。我們通過(guò)優(yōu)化巷道布置，多開(kāi)煤巷少掘巖巷，開(kāi)發(fā)煤巷護(hù)巷技術(shù)，減少矸石量。另外，隨著矸石充填液壓支架、高速動(dòng)力拋?lái)窓C(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的矸制成功，以及矸石充填開(kāi)采在邢東礦區(qū)和新汶礦區(qū)的工業(yè)性試驗(yàn)取得的初步成功，使得矸石充填開(kāi)采的成功實(shí)施成為可能。這種新的開(kāi)采方法不但可以在保證一定采出率基礎(chǔ)上有效的控制巖層和地農(nóng)移動(dòng)、保護(hù)地表建筑物，而且還能實(shí)現(xiàn)矸石不升井、直接充填采空區(qū)，達(dá)到促進(jìn)資源開(kāi)采和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的目的。減少因開(kāi)采造成地表沉陷對(duì)地面建筑物和農(nóng)田破壞的辦法是：采用條帶與充填開(kāi)采辦法減沉，對(duì)破壞的農(nóng)川復(fù)墾。但條帶開(kāi)采與傳統(tǒng)開(kāi)采都存在明顯的不足之處。研究表明，主關(guān)鍵層對(duì)地表移動(dòng)過(guò)程起控制作用，主關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致地表快速下沉。因而，通過(guò)主關(guān)鍵層控制地表沉陷，形成“條帶煤柱或充填體—上覆巖層一主關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)體系控制地表沉陷?；谝陨险J(rèn)識(shí)，提出了煤礦部分充填開(kāi)采技術(shù)：它僅對(duì)采空區(qū)的局部或離層區(qū)與垮落區(qū)進(jìn)行充填，靠覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、充填體及部分煤柱共同支撐覆巖控制開(kāi)采沉陷。按部分充填的位置分為3種部分充填開(kāi)采技術(shù)：采空區(qū)膏體條帶充填、覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填和條帶開(kāi)采垮落區(qū)注漿充填。3.4煤炭地下氣化技術(shù)煤炭地下氣化技術(shù)是貫徹科學(xué)發(fā)展觀，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的綠色開(kāi)采的重要途徑。煤炭地下氣化技術(shù)將埋藏在地下的煤炭通過(guò)可控的化學(xué)反應(yīng)，變成為高質(zhì)量、高潔凈度的可燃性煤氣，通過(guò)竹道輸送給發(fā)電廠(chǎng)、化工廠(chǎng)、居民用戶(hù)等，不僅可使地下煤炭資源回收率大大提高，而目開(kāi)辟了煤炭資源潔凈生產(chǎn)的新途徑，可避免煤炭生產(chǎn)產(chǎn)生的大量廢水、煤矸石向空氣和地面排放，對(duì)礦區(qū)和周?chē)h(huán)境造成嚴(yán)重污染；可消除粉塵、噪音對(duì)作業(yè)人員的危害；可大幅度降低煤炭開(kāi)采后地面的下沉和變形，很好地保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。但是，地下煤炭氣化燃燒產(chǎn)生的苯和酚是致癌物質(zhì)，有可能毒化水資源；燃燒形成的大量CO2對(duì)空氣也會(huì)造成嚴(yán)重的污染。目前，我國(guó)的煤炭地下氣化技術(shù)仍處于工業(yè)試驗(yàn)階段，有很多問(wèn)題需要去研究與探索。4結(jié)論煤炭是不可再生能源，在儲(chǔ)量逐漸降低、生產(chǎn)利用成本加大環(huán)境污染加劇的今天，實(shí)施煤炭綠色開(kāi)采，對(duì)礦井安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)有重要意義。（1）煤炭作為主體和可靠能源，綠色開(kāi)采是其可持續(xù)發(fā)展的主要內(nèi)容之一，突出特點(diǎn)是考慮對(duì)環(huán)境的保護(hù)，形成開(kāi)采與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。（2）在開(kāi)采技術(shù)方面，涉及到充填和復(fù)墾、瓦斯抽采、保水技術(shù)、矸石利用、煤巷支護(hù)和地下氣化等。開(kāi)采后巖層運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致環(huán)境破壞的基本原因，巖層控制的關(guān)鍵層理論等是實(shí)施綠色開(kāi)采技術(shù)研究的基礎(chǔ)。（3）各個(gè)礦區(qū)應(yīng)根據(jù)自身的條件和特點(diǎn)，積極研究實(shí)施適合自己的綠色開(kāi)采模式。（4）煤炭綠色開(kāi)采技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，目前只形成了基本的技術(shù)框架，還有許多有待于解決的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)司光耀,張強(qiáng).綠色開(kāi)采技術(shù)的研究現(xiàn)狀.露天采礦技術(shù),2009,3..謝中