煤炭綠色開采技術(shù)及其在西北礦區(qū)的應(yīng)用前景研究

康亞明，劉長武

(1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

社會進(jìn)步的標(biāo)志是經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)是能源。我國是一個富煤、貧油、少氣的國家，煤炭在我國的一次能源中所占比例為70%左右[1]。由于能源消耗主要以煤炭為主，煤炭在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用。我國煤炭產(chǎn)量2007年為25.5億t，2008年為27.16億t，2009年為29.5億t。隨著我國煤炭產(chǎn)量的不斷增加，煤炭開采所帶來的環(huán)境問題愈加突出。煤礦在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生眾多的污染源，諸如水、礦井廢氣、煤矸石、噪聲、粉塵及地表沉陷，而其中又以“三廢”(廢水、廢矸、廢氣)帶來的問題最為突出，“三廢”中又以廢水的污染問題最為明顯[2-5]。黨的十七大報告明確指出“……要完善有利于節(jié)約能源資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的法律和政策，加快形成可持續(xù)發(fā)展體制機(jī)制。落實節(jié)能減排工作責(zé)任制”。由于我國大部分礦區(qū)分布在干旱半干旱地區(qū)，我們必須要走適合我國國情的節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展之路。

西北地區(qū)采礦歷史悠久，而且礦山采掘深度日益加深。露天開采、地下開采同時存在，尤其是20世紀(jì)80年代以來，地質(zhì)生態(tài)環(huán)境急劇惡化，地質(zhì)災(zāi)害問題危機(jī)四伏。一方面制約了區(qū)內(nèi)資源的開發(fā)和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，另一方面進(jìn)行大規(guī)模的資源開發(fā)和各類人工經(jīng)濟(jì)活動，必將以前所未有的觸動力影響著本地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)，諸如水土流失加重、土地沙漠化擴(kuò)展、淺層水資源衰竭、水體污染、地面變形破壞、地質(zhì)災(zāi)害加劇等，形成惡性循環(huán)。為此，全面、系統(tǒng)、深入地對該地區(qū)煤礦進(jìn)行調(diào)查，研究煤炭資源合理開發(fā)利用方案，為該地區(qū)合理開發(fā)國土資源與保護(hù)自然環(huán)境，特別是地質(zhì)生態(tài)環(huán)境、保持可持續(xù)性發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

1 采煤引起的環(huán)境問題

煤炭的大規(guī)模開采與利用，既對經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了巨大的推動作用，同時也對環(huán)境產(chǎn)生了重大影響[6]，如煤炭開采引起地表塌陷，生產(chǎn)過程中的噪聲等。采掘的廢矸石及排出的廢氣、廢水、粉塵，對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響，使部分建筑物、民居損壞，村莊搬遷，土地破壞，礦區(qū)大氣環(huán)境污染，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞等。其中又以“三廢”(即廢水、廢氣、廢渣)帶來的污染問題更為突出[7]。

1.1 廢氣與粉塵的污染

中國大部分煤礦都有瓦斯，并且高瓦斯礦井和煤瓦斯突出礦井占40%左右。此外，在井下其他作業(yè)過程中，還產(chǎn)生部分有害氣體，如使用柴油動力機(jī)械排放的廢氣中含有大量的NOX；井下使用的硝胺炸藥在放炮中產(chǎn)生CO和NOX；煤炭自燃產(chǎn)生CO、CO2等。為了井下生產(chǎn)安全，通常采用通風(fēng)方式將井下的有害氣體抽出礦井排入大氣中。CO2、NOX、CH4、CO及H2S等是造成大氣污染和溫室效應(yīng)的有害源，嚴(yán)重影響地球的氣候和生態(tài)環(huán)境，已引起國際環(huán)境組織和世界各國的廣泛重視。

1.2 固體廢物的污染

固體廢物的污染，在煤礦中主要是煤矸石的污染。在煤礦開采過程中，會同時采出頂?shù)装宓乃槭c煤層中的夾矸，經(jīng)過洗選分離后的煤矸石，作為固體廢物堆積起來成為矸石山。煤矸石對環(huán)境的影響，首先表現(xiàn)為侵占土地、破壞自然景觀。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國煤矸石累計堆積已達(dá)30億t，占地55萬m2以上；其次是自燃發(fā)火，排出大量煙塵CO、H2S、SO2等有害氣體，損害人體健康，抑制作物生長，腐蝕構(gòu)筑物等。

1.3 水體污染

“三廢”中，廢水對環(huán)境的破壞最大，造成的后果也最嚴(yán)重。不同類的礦區(qū)水系受污染的方式是不同的。水體污染主要分為兩類：一是煤礦開采對地下水水位的影響，包含對淺層、中層和深層地下水的影響；二是煤礦生活污水、礦井生產(chǎn)中產(chǎn)生的礦井水對地下水水質(zhì)的影響。

1)煤炭開采對淺、中層地下水的影響。淺、中層地下水是工業(yè)用水和生活用水的主要水源，由于采煤的影響，導(dǎo)致煤系地層及上覆松散巖層中垂向裂縫增多、增大，煤系地層中的水以及松散巖層地層中的水均快速地向下滲透，形成了區(qū)域性地下水位降落漏斗。淺、中層地下水逐年被疏干，煤礦周圍村莊的水井也因無水而報廢，造成了村民的吃水問題。

2)煤炭開采對深層地下水的影響。煤礦開采過程中，為維持采礦的正常進(jìn)行及采煤工作面的橫向和縱向的發(fā)展，必須將工作面周圍的水或潛在的水排出。隨開采深度的加大，深層各含水層水被截留，轉(zhuǎn)化為礦坑水排出。礦井排水量逐年增加，導(dǎo)致深層地下水位逐年下降，所形成的地下水降落漏斗范圍和幅度也越來越大。深層地下水位一再下降，很難在短時期內(nèi)得到恢復(fù)。

3)煤炭開采對地下水水質(zhì)的影響。礦井疏排地下水是煤礦對地下水系統(tǒng)的一項最基本操作。操作后果主要有2個方面：一方面是當(dāng)有害地下水排到地面后，即構(gòu)成污染源，可導(dǎo)致地表水體、淺層土壤、地下水含水層等其他環(huán)境因素的次生污染；另一方面是煤礦疏排水改變了地下水系統(tǒng)的自然物理與化學(xué)格局，并對地下水系統(tǒng)(包括地下水的儲存量和水質(zhì)流場的介質(zhì)等)產(chǎn)生反作用。兩種作用都引起礦區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，并又反過來對礦區(qū)開發(fā)建設(shè)帶來不利影響[1]。

2 綠色開采的提出及方法

2.1 綠色開采的提出

黨的十六大報告明確提出：“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)勢得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子”。因此，必須充分考慮我國資源相對短缺、環(huán)境比較脆弱的基本特點(diǎn)，建立起適合我國國情的資源節(jié)約、環(huán)境友好的新型工業(yè)化發(fā)展道路。人類對礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用，一方面增加了社會財富，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展；另一方面又帶來了環(huán)境和災(zāi)害問題。環(huán)境就好比一把“雙刃劍”，對煤礦開采及經(jīng)濟(jì)效益既起到制約作用，又起到促進(jìn)作用。只有正確地使用這把“雙刃劍”，才能實現(xiàn)環(huán)境和煤礦效益的雙贏。煤炭綠色開采作為一種煤礦開采的方法，能夠較好地處理好煤炭開采及環(huán)境保護(hù)的關(guān)系。

2.2 綠色開采方法

1)減沉技術(shù)。減少因開采造成地表沉陷對地面建筑物和農(nóng)田破壞的辦法是：采用條帶與充填開采辦法減沉，對破壞的農(nóng)田復(fù)墾。但條帶開采與傳統(tǒng)開采都存在明顯的不足之處。研究表明：主關(guān)鍵層對地表移動過程起控制作用，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-主關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)體系控制地表沉陷。

2)煤與瓦斯共采。煤與煤層氣(瓦斯)共采，就是將煤炭和賦存于煤層中的瓦斯都作為礦井的資源加以開采，實現(xiàn)兩種資源的共同開采。我國高瓦斯礦區(qū)應(yīng)重視煤與瓦斯共采技術(shù)的研究，將煤與瓦斯共采作為礦區(qū)綠色開采的重點(diǎn)。

3)矸石減排。矸石減排是減少煤礦矸石排放量、消除矸石山的堆積。首先是少出或不出矸石，以煤巷取代巖巷，涉及到煤巷維護(hù)問題，需要不斷研發(fā)煤巷高效支護(hù)技術(shù)。矸石井下處理是將井下巖巷掘進(jìn)矸石不提升出井，通過建立井下矸石轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存與充填系統(tǒng)，將矸石充填到采空區(qū)，或進(jìn)行巷旁與廢棄巷道充填及矸石充填置換井下煤柱等。矸石綜合利用包括將地面矸石作為減沉充填或復(fù)墾充填材料、矸石制磚、矸石發(fā)電等。

4)煤炭地下氣化。煤炭地下氣化，就是不將煤炭采出地面，而將其在地下通過熱化學(xué)反應(yīng)在原地轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，它是一種整體綠色開采技術(shù)。對于難以回收的殘留煤柱、低品位煤、難采煤層，應(yīng)積極開展地下氣化技術(shù)的試驗研究。

5)保水開采。保水開采，就是在采煤的過程中，對地下水資源進(jìn)行保護(hù)并對礦井排水進(jìn)行資源化利用。煤層開采后，隨著上覆巖層中關(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)，取決于隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層中有無軟弱巖層經(jīng)重新壓實導(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，下降漏斗將隨之消失，地下水位也隨之恢復(fù)。而它對地面生態(tài)的影響，則決定于漏斗形成與消失的時間間隔。

3 綠色開采在西北礦區(qū)的應(yīng)用

西北地區(qū)土地遼闊，資源豐富，是我國本世紀(jì)末和下世紀(jì)很長一段時間內(nèi)重點(diǎn)開發(fā)的地區(qū)。但是，西北地區(qū)自然環(huán)境嚴(yán)酷，生態(tài)脆弱，大規(guī)模資源開發(fā)面臨著一系列嚴(yán)峻的環(huán)境問題，直接影響和制約著本地區(qū)的資源開發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，必須結(jié)合綠色開采，探討解決這一問題的有效途徑。

3.1 保水防潰采煤

由于煤層淺埋和上覆松散充水含水層的大面積分布，保水防潰采煤問題，一直是西北煤礦區(qū)面臨的一個典型難題。西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，而礦區(qū)開發(fā)大量使用地表水和地下水，煤炭開采要對地下水資源人為疏干。采動形成的導(dǎo)水裂隙，對煤系含水層形成自然疏干過程，這些都將對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在保水開采研究中，應(yīng)注意以下問題：①保水開采與防止?jié)⑺母拍?。保水開采，必須研究開采前后巖層的水文地質(zhì)變化，后者是從安全考慮。②西北地區(qū)必須研究采動覆巖內(nèi)是否有隔水層，開采對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)開采對水資源破壞的重要途徑。

3.2 沙漠化問題

沙漠化是在脆弱生態(tài)環(huán)境下多源因素的產(chǎn)物，是受自然因素和人為因素綜合作用而發(fā)生、發(fā)展的。其中西北地區(qū)是一個典型，特別是煤礦區(qū)，沙漠化問題更為嚴(yán)重。而通過矸石減排，可以有效地減少沙漠化問題。減少排矸和進(jìn)行矸石利用，是綠色開采技術(shù)的目標(biāo)之一。通過優(yōu)化巷道布置，多開煤巷少掘巖巷，開發(fā)煤巷護(hù)巷技術(shù)，可以減少矸石量。但隨著采深的增加，巖石巷的開掘?qū)⒉豢杀苊?，處理好矸石利用是解決途徑。含碳量低的煤矸石可用于建筑材料、復(fù)墾回填材料等。對于有些不宜于在地面使用的矸石，可在井下充填采空區(qū)以保護(hù)地表。

3.3 水土流失問題

隨著我國西北煤礦區(qū)某些地方片面追求經(jīng)濟(jì)效益，對草場、森林等資源進(jìn)行掠奪性開發(fā)。由于缺少固定水分的植被存在，惡性循環(huán)，從而造成嚴(yán)重的水土流失問題。礦產(chǎn)資源開發(fā)要占用和破壞大量的土地，露天開采必須剝離煤層上覆的土層和巖層，使原來生長在這些土層表面的生物遭到破壞，還將影響礦坑周圍動、植物的成長，造成土地沙化。地下開采將造成地面變形、沉陷，對農(nóng)田、道路、地面建筑物、地下管線產(chǎn)生危害或破壞。在煤炭開發(fā)、加工過程中，將產(chǎn)生大量的固體廢棄物，如煤矸石、尾礦壩及排土場的土石、煤泥等固體廢棄物。這些廢棄物的堆放不僅占用大量土地，并且對地表下面及附近的土地都有不同程度地影響。

3.4 水環(huán)境污染問題

工業(yè)的發(fā)展逐漸改變著人們的生活方式，其帶來的經(jīng)濟(jì)效益使人們不斷收益，但同時工業(yè)產(chǎn)生的廢水、廢物，特別是放射性有毒的工業(yè)副產(chǎn)品對水環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。礦物開采和加工不僅造成地表水和地下水污染，還能使地下水位降低，礦山周圍水資源枯竭，水土流失，旱災(zāi)過多，甚至土地沙化。礦山酸性污水不僅污染地表水，而且可能通過地下井巷或巖層的裂隙污染地下水。

4 結(jié)束語

煤炭是不可再生能源，在儲量逐漸降低、生產(chǎn)利用成本加大、環(huán)境污染加劇的今天，實施煤炭綠色開采，對礦井安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)有重要意義。通過煤炭綠色開采理論指導(dǎo)煤炭生產(chǎn)，合理處理經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的關(guān)系，使煤礦得到綠色健康協(xié)調(diào)發(fā)展，有著極大的使用價值，可以創(chuàng)造出顯著的社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益。

1)煤炭作為主體和可靠能源，綠色開采是其可持續(xù)發(fā)展的主要內(nèi)容之一，目標(biāo)是取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益，形成開采與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

2)在開采技術(shù)方面，涉及到充填和剪沉、瓦斯抽采、保水技術(shù)等。開采后巖層運(yùn)動，是導(dǎo)致環(huán)境破壞的基本原因。西北各個礦區(qū)應(yīng)根據(jù)自身的條件和特點(diǎn)，積極研究實施適合自己的綠色開采模式，在保水開采、沙漠化、水土流失、水環(huán)境污染方面做出更多的努力。

3)煤炭綠色開采技術(shù)是一個復(fù)雜的工程，目前只形成了基本的技術(shù)框架，與綠色開采相關(guān)的政策還有待于進(jìn)一步研究發(fā)展，以使煤炭企業(yè)得到快速健康的發(fā)展。

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