淺析我國煤礦的綠色開采技術(shù)

袁文濤

摘 要 綠色開采是煤炭開采的發(fā)展方向，對(duì)提高煤炭采出率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。本文分析了綠色開采技術(shù)，總結(jié)了我國煤礦綠色開采方法的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)科學(xué)采礦具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 綠色開采 保水開采 煤與瓦斯共采 充填開采 煤炭地下氣化

煤炭開采造成巖層移動(dòng)破壞，引起巖層中水與瓦斯的流動(dòng)，導(dǎo)致煤礦瓦斯事故與井下突水事故；煤炭開采引起巖層移動(dòng)，進(jìn)而造成地表沉陷，導(dǎo)致農(nóng)田、建筑設(shè)施的損壞；煤炭開采形成的大量堆積在地面的矸石，既占用良田，又造成環(huán)境污染。隨著我國礦井開采深度的不斷增加，礦山壓力顯現(xiàn)及沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻次增加，強(qiáng)度增大，危及礦井的安全生產(chǎn)。上述問題若得不到有效解決，在未來幾十年內(nèi)，隨著能源總需求和煤炭產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)，煤炭資源開采所帶來的礦區(qū)安全和生態(tài)環(huán)境問題將更為嚴(yán)重，人類的生存和社會(huì)發(fā)展環(huán)境將受到嚴(yán)重威脅。

根據(jù)我國的能源資源狀況，煤炭作為我國最重要的一次性能源，在未來20年內(nèi)，其在能源構(gòu)成中的主體地位將不會(huì)改變。2020年我國煤炭消費(fèi)量將達(dá)到40億t。屆時(shí)，煤炭產(chǎn)量很可能無法滿足工業(yè)需求，不能再單純地通過提高煤炭的產(chǎn)量緩解煤炭供應(yīng)的壓力，而應(yīng)該綜合考慮發(fā)展煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì)，減少煤炭開采對(duì)環(huán)境的破壞，而且也應(yīng)該把“發(fā)展煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開采”作為理念，大力發(fā)展綠色的采煤技術(shù)。

一、煤炭綠色開采體系

煤礦綠色開采以及相應(yīng)的綠色開采技術(shù)，在基本概念上是要從廣義資源的角度上來認(rèn)識(shí)和對(duì)待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各種資源?；境霭l(fā)點(diǎn)是防止或盡可能減輕開采煤炭對(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，綠色開采主要包括以下內(nèi)容：水資源保護(hù)——“保水開采”；瓦斯抽放——“煤與瓦斯共采”；土地與建筑物保護(hù)——“充填開采”；排放矸石占用土地污染環(huán)境——“煤炭地下氣化”等。2003年，中國礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士首次提出了煤礦綠色開采的概念和技術(shù)體系，隨后明確了實(shí)現(xiàn)煤炭資源開采和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的綠色開采研究目標(biāo)，為我國綠色開采技術(shù)的研究指明了方向。他錢院士提出的綠色開采技術(shù)體系，綠色開采理論依據(jù)：（1）關(guān)鍵層理論。（2）開采對(duì)巖層移動(dòng)的影響及移動(dòng)規(guī)律。（3）水在裂巖體中的滲流規(guī)律。（4）開采后巖層內(nèi)節(jié)理裂隙分布發(fā)育規(guī)律等。

二、保水開采

保水采煤在不同的礦區(qū)有不同的技術(shù)內(nèi)涵，缺水礦區(qū)要以水資源保護(hù)和利用為主；大水礦區(qū)要以減少水資源破壞和防治水災(zāi)害為主。因此，保水開采包含水資源保護(hù)、水資源利用（煤水共采）和水災(zāi)害防治等多項(xiàng)重要內(nèi)容。煤礦開采過程中破壞了地下含水層的原始徑流，大量排出地下水；采空區(qū)上方導(dǎo)水裂隙帶與地下水體貫通，形成大規(guī)模地下水降落漏斗，造成區(qū)域含水層水位下降，直接影響到區(qū)域水文地質(zhì)條件。采動(dòng)影響穩(wěn)定后產(chǎn)生的地表沉陷往往影響到地表水體（河流、湖泊、井泉等）的原來形態(tài)，造成部分溝泉水量減少甚至干涸，影響當(dāng)?shù)鼐用裾５纳a(chǎn)生活，進(jìn)而影響區(qū)域植被生長(zhǎng)，甚至土地沙漠化。我國大部分礦區(qū)處在干旱半干旱地區(qū)，而每年采煤破壞地下水22億m3，可見保水開采具有重要的意義。

三、煤與瓦斯共采

瓦斯既是礦井有害氣體也是潔凈能源。因此，應(yīng)該使其資源化，其技術(shù)途徑有：

1.采前抽采。若能在開采前將煤層內(nèi)瓦斯抽出，則是利用瓦斯改善煤礦安全的最好辦法。但由于我國大部分煤體透氣性低，在本層內(nèi)抽采瓦斯有難度。

2.煤與瓦斯共采。開采后圍巖壓力降低，大量瓦斯在采空區(qū)釋放，有利于瓦斯抽采，因此形成煤與瓦斯共采體系。

3.廢棄礦井抽采瓦斯。鑒于廢棄礦井煤層經(jīng)過采動(dòng)而充滿瓦斯，因而可以利用采動(dòng)后巖體內(nèi)裂隙場(chǎng)的分布及鉆孔，將瓦斯抽排管裝在井下、封閉井口后，抽出瓦斯。

4.回風(fēng)井回收瓦斯。

5.煤與瓦斯共采的技術(shù)主要有：留巷鉆孔法、卸壓法等。

四、充填開采

我國多數(shù)煤礦存在建筑物下、水體下、鐵路下壓煤的問題，充填采礦法對(duì)解決這類問題具有重要的意義。充填開采法是用充填材料充填采煤工作面采空區(qū)的巖層控制方法。該法可以緩和工作面支承壓力產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)，改善采場(chǎng)和巷道維護(hù)狀況，有效減少地表下沉和變形，提高煤礦采出率，保護(hù)地面建筑物、構(gòu)筑物、生態(tài)環(huán)境和水體。按照充填材料的不同，充填采礦法分矸石充填、水砂充填和膏體充填。

1.矸石充填。利用井下采空區(qū)處置煤矸石的充填采煤方法，既可以減少煤礦固體廢棄物排放，又可以減輕開采沉陷災(zāi)害、提高礦井資源回收率，是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一。

（1）拋矸機(jī)拋矸充填。將巖巷和半煤巖巷掘進(jìn)矸石用礦車運(yùn)至井下矸石車場(chǎng)，經(jīng)翻車機(jī)卸載后，矸石經(jīng)破碎機(jī)破碎，而后進(jìn)入矸石倉。通過矸石倉下口，膠帶或刮板輸送機(jī)將破碎后的矸石運(yùn)入上下山，而后由膠帶或刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載進(jìn)入采煤工作面回風(fēng)平巷，再由工作面采空區(qū)可伸縮膠帶輸送機(jī)運(yùn)至工作面采空區(qū)拋矸膠帶輸送機(jī)尾部，由拋矸膠帶輸送機(jī)向采空區(qū)拋矸充填。

（2）刮板輸送機(jī)卸矸充填。充填裝備由后端帶懸梁的自移式液壓支架和充填刮板輸送機(jī)組成。在自移式液壓支架后端增加后懸臂等配件，采用可調(diào)高但掛鏈懸掛充填刮板輸送機(jī)溜槽，懸掛是為了增加充填垂直高度。輸送機(jī)中部溜槽按順序連接，并與機(jī)頭和機(jī)尾組成整部刮板輸送機(jī)。每2節(jié)中部溜槽設(shè)置1個(gè)溜矸孔，溜矸孔開在溜槽的中板上。由電機(jī)車牽引矸石礦車至采區(qū)矸石車場(chǎng)，通過翻車機(jī)卸載，矸石經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)進(jìn)入矸石倉。破碎后的矸石經(jīng)上下山輸送機(jī)、平巷輸送機(jī)運(yùn)至液壓支架后的充填刮板輸送機(jī)，在采空區(qū)卸載。

（3）風(fēng)力拋矸充填。風(fēng)力充填材料粒度的直徑不宜大于充填管道的1/2～1/3。并且要求充填材料沉縮率低、不自然、腐蝕性小。矸石經(jīng)充填機(jī)、充填管路充填采空區(qū)。一般采煤機(jī)割兩刀煤充填一次，充填步距1.2 m～1.6 m，每次充填長(zhǎng)度6 m～9 m，工作面每向前推進(jìn)50 m～100 m，充填機(jī)前移一次。機(jī)械矸石充填對(duì)充填材料要求不嚴(yán)格，使用設(shè)備也較少，在我國山東礦區(qū)發(fā)展較快，有推廣趨勢(shì)。

2.水砂充填。水砂充填采煤法是利用水力通過管道把充填材料沙粒送入采空區(qū)的充填采煤法。我國早在20世紀(jì)初就開始應(yīng)用水砂充填采煤法，目前水砂充填技術(shù)已經(jīng)十分成熟。在地面用礦車將采出、破碎及篩分后的成品砂運(yùn)到貯砂倉貯存。在貯砂室，砂與水混合成砂漿，經(jīng)充填管路送至工作面采空區(qū)，并在采空區(qū)脫水，砂子形成充填體，廢水經(jīng)采區(qū)流水上山和流水道流入采區(qū)沉淀池，經(jīng)沉淀后，澄清的水流入水倉，用水泵經(jīng)排水管將水排至地面貯水池，以供循環(huán)利用。水砂充填采煤法充填致密，可減少煤塵危害，能有效地控制地表下沉和變形，但井上下充填系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備及設(shè)施投資大，充填材料昂貴，提高了噸煤成本。

3.膏體充填。膏體充填技術(shù)是1979年在德國的格倫德鉛鋅礦首先發(fā)展起來的，由于膏體充填具有料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、充填效率高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)成功以后在金屬礦山得到較快的發(fā)展，在包括中國在內(nèi)的許多國家得到應(yīng)用。為解放村莊壓煤，提高開采上限，提高煤炭資源采出率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，太平煤礦與中國礦業(yè)大學(xué)合作開展了固體廢物膏體充填不遷村采煤技術(shù)的研究。太平煤礦膏體充填系統(tǒng)是我國煤礦第一個(gè)膏體充填示范工程，2006年5月工業(yè)性試采取得成功。膏體充填采煤技術(shù)主要由三部分組成，即充填材料、充填設(shè)備與工藝、采動(dòng)巖層充填控制理論。膏體是由煤矸石、粉煤灰、水砂、水泥等組成，由地面設(shè)備加工而成的類似牙膏的流體，具有良好的流動(dòng)性和可泵性。充填時(shí)，膏體通過巷道中的管路，由充填泵提供動(dòng)力，輸送到液壓支架后的采空區(qū)。膏體充填技術(shù)的核心是膏體充填材料，膏體充填材料的強(qiáng)度對(duì)膏體充填的效果起決定作用。膏體充填后，地表下沉減小。膏體充填開采是綠色開采技術(shù)的重要組成部分，是解決煤礦開采環(huán)境問題的理想途徑，是解決村莊等建筑物下大量壓煤開采問題的迫切需要。

五、煤炭地下氣化

煤炭地下氣化是指將地下煤炭通過熱化學(xué)反應(yīng)在原位把煤炭轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w?？梢圆糠窒禾块_采對(duì)環(huán)境的污染和煤炭燃燒對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響與破壞。煤炭地下氣化是一種整體綠色開采技術(shù)。它開始于英國1912年，由于熱值低、成本高而未得到發(fā)展。我國于1958年-1960年曾在16個(gè)礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，于1962年停止，1984年又開始了新的試驗(yàn)，1994年達(dá)到連續(xù)產(chǎn)氣295 d，產(chǎn)氣量為200 m3/h，熱值13. 81～17. 57 MJ /m3，采用的是有井式、長(zhǎng)通道、大斷面的煤炭地下氣化方法。2005年中國礦業(yè)大學(xué)與重慶中梁山礦業(yè)集團(tuán)合作實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水煤氣和混合煤氣。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；燃燒形成的大量二氧化碳對(duì)空氣也是嚴(yán)重的污染。目前我國的地下氣化技術(shù)仍處于工業(yè)試驗(yàn)階段，有很多問題需要去研究和探索。

六、結(jié)束語

資源與環(huán)境協(xié)調(diào)的綠色開采是解決煤炭開采環(huán)境問題的根本出路。要實(shí)現(xiàn)綠色開采，需要綜合研究和解決經(jīng)濟(jì)與技術(shù)等方面的問題。綠色采礦可以減少環(huán)境污染，還能帶來良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。綠色采礦是形成綠色礦業(yè)及礦區(qū)綠色家園的重要組成部分，相信隨著綠色開采的不斷發(fā)展和完善，煤礦綠色開采一定會(huì)發(fā)揮它應(yīng)有的作用，為人類與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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