淺談煤礦綠色開采技術(shù)

王照祥

摘 要：深入分析了我國煤炭開采的現(xiàn)存問題，總結(jié)闡述了綠色開采的技術(shù)體系構(gòu)成，調(diào)查研究了相關(guān)保障技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，論證了以關(guān)鍵層理論為基礎(chǔ)綠色開采是煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。

關(guān)鍵詞：綠色開采；關(guān)鍵層理論；保水開采；充填開采；煤炭氣化

2009年12月7～18日，世界各國領(lǐng)導(dǎo)人齊聚丹麥首都哥本哈根，協(xié)商如何共同遏制全球變暖，如何保護我們賴以生存的空氣、水、土地和食物。然而會議沒有達成全球亟需的氣候保護協(xié)議，以不具法律約束力的《哥本哈根協(xié)議》草草收場，加劇了人們對全球氣候惡化的擔(dān)憂。如何應(yīng)對全球氣候變化，是每一個國家、每一個行業(yè)都有責(zé)任、有義務(wù)深入研究和思考的問題。

中國作為世界上主要的發(fā)展中國家，近些年在溫室氣體減排方面做了很多卓有成效的工作，全國各行業(yè)積極倡導(dǎo)和實施可持續(xù)發(fā)展、和諧發(fā)展觀及循環(huán)經(jīng)濟等技術(shù)理念。正是在這個過程中，2003年錢鳴高院士提出了“綠色開采”的理念[1-2]，為煤炭行業(yè)的發(fā)展指明了方向。

1.我國煤礦開采存在的問題

我國“富煤、貧油、少氣”的能源賦存狀況決定了能源消費必須以煤為主，一次能源消費中有70%～75%來源于煤炭，煤炭行業(yè)的健康發(fā)展關(guān)系到國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的全局。多年煤炭開采帶來一系列環(huán)境和安全問題，屢屢為人詬病。

1.1 安全問題

2009年12月21日，黑龍江龍煤集團鶴崗分公司新興煤礦發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故，再次引發(fā)公眾對煤礦安全，特別是群死群傷公眾事件的關(guān)注和深層思考。煤礦事故頻發(fā)的原因何在，如何從根本上杜絕大型和特大型傷亡事故，不斷拷問著各級監(jiān)管、經(jīng)營和科研服務(wù)單位。我國煤炭安全事故頻發(fā)有著諸如井工開采量大、小煤礦安全裝備和生產(chǎn)工藝落后、行業(yè)多年安全欠賬嚴重、科技投入不足以及技術(shù)與管理人才流失嚴重等客觀原因。從2006年起，國家加大對煤礦安全投入和治理，煤礦安全的總體形勢是好轉(zhuǎn)的，在產(chǎn)量增加的同時，死亡人數(shù)逐年下降，多年來煤炭產(chǎn)量以近2億t/a的速度遞增，而百萬噸死亡率逐步下降。如何推動煤炭安全形勢的進一步好轉(zhuǎn)，實現(xiàn)以人為本與本質(zhì)安全型的和諧礦區(qū)，是煤炭行業(yè)亟待解決的問題。

1.2 環(huán)境問題

主要包括由于地下采掘引起的地面塌陷、水土流失、沙漠化、采煤廢水排放以及煤矸石露天堆放污染等。

我國煤炭開采主要采用冒落法管理采空區(qū)頂板，造成地面沉降和陷落，因而引發(fā)村鎮(zhèn)、鐵路、橋梁和地面管線設(shè)施破壞。大量的農(nóng)田因塌陷、鹽漬化和水土流失無法耕種。礦井開采過程中的大氣降水、地表水、地下水及生產(chǎn)用水涌入井下而成為礦井水，目前礦山的年排水量約為22億m3。以山西省為例[1]，采煤破壞地下水達4.2億m3/a，導(dǎo)致井水水位下降或干涸共計3 218個，影響水利工程433處、水庫40座及輸水管道793.89 km，造成1 678個村莊，81.271 5萬人以及10.824 1萬頭牲畜飲水困難?！渡轿魇∶禾块_采對水資源的破壞影響及評價》顯示，該省因采煤漏水和礦井水排放等造成的經(jīng)濟損失累計達300多億元。

我國現(xiàn)有煤矸石山1 500余座，歷年堆積量達30億t，占地超過5 000 hm2，在大氣降水淋溶時還會進一步污染周圍水體、農(nóng)田和地下水。目前有自燃現(xiàn)象的矸石山約140多座，自燃過程中產(chǎn)生大量的硫化物等有毒有害氣體，成為大氣污染源。

礦井瓦斯主要是礦井中由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體。它既是煤礦重大安全事故的禍根，又是一種嚴重的溫室效應(yīng)氣體。研究顯示，甲烷造成的溫室效應(yīng)在全球氣候變暖中所占份額為15%，僅次于二氧化碳。等量甲烷造成的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍。據(jù)初步估計[2]，我國2 000 m以淺范圍內(nèi)具有30～35萬億m3煤層氣資源，居世界前列。但由于我國煤層透氣性差，難以在開采前抽出。建國以來，我國煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故1 500余次，2001年由于瓦斯事故的死亡人數(shù)占煤礦總死亡人數(shù)的40%。煤礦每年排放瓦斯70～190億m3。

2.綠色開采理論體系與總體框架

綠色開采理念是在科學(xué)采礦三原則（安全、環(huán)保和經(jīng)濟）的指導(dǎo)下提出的，強調(diào)在現(xiàn)有采煤理論、方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展與創(chuàng)新采礦科學(xué)技術(shù)，從廣義資源的角度上認識和對待煤、瓦斯和水等一切可以利用的各種資源。其基本出發(fā)點是防止或盡可能減輕開采煤炭對環(huán)境和其他資源的不良影響，以期取得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。

煤礦開采引發(fā)的環(huán)境與安全問題無不源于采礦活動造成的巖層運動，進而引起周圍巖體的應(yīng)力場、節(jié)理裂隙場和瓦斯運移場等相關(guān)物理場的變化，因此，研究綠色開采技術(shù)必須以科學(xué)先進的巖層控制理論為基礎(chǔ)，錢鳴高、繆協(xié)興及許家林等人提出的關(guān)鍵層理論[3-5]為科學(xué)采礦的實施提供了理論基礎(chǔ)。

在科學(xué)采礦的總體框架體系內(nèi)，主要包括保水開采、煤與瓦斯共采、充填與條帶開采和離層注漿減沉、煤巷支護和部分矸石井下處理以及煤炭地下氣化等五大技術(shù)方向。

3.主要技術(shù)現(xiàn)狀

近40年來，我國共發(fā)生礦井突水事故2 000余次，直接經(jīng)濟損失高達40多億元。據(jù)統(tǒng)計，我國國有煤礦中半數(shù)具有突水危險性，且突水危險越來越嚴重。同時，山西、陜西和內(nèi)蒙古等缺水地區(qū)也急需解決煤炭保水開采的問題。關(guān)鍵層理論認為[1]，煤炭采出后，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)，取決于隨著工作面的推進，上覆巖層中是否含有軟弱巖層（事實上它是研究地下水滲漏的“關(guān)鍵層”），及其能否經(jīng)重新壓實導(dǎo)致裂隙閉合而形成隔水帶。這說明從技術(shù)上把握了關(guān)鍵層的破斷規(guī)律，可以有條件開采受水患威脅的優(yōu)質(zhì)煤炭資源。

煤與瓦斯共采技術(shù)充分利用了煤炭開采中上覆巖層的礦壓活動，著重對卸壓煤層的抽采時機把握和抽采工藝優(yōu)化。在這項技術(shù)上，以袁亮院士為代表的課題組，創(chuàng)造性地解決了我國淮南礦區(qū)低透氣性煤層群開采的關(guān)鍵問題。該技術(shù)將高瓦斯、高地壓和低透氣性煤層群的技術(shù)難題統(tǒng)一考慮，以沿空留巷的方式一體化解決高瓦斯、高地溫、高地壓、井巷失穩(wěn)、瓦斯突出和沖擊地壓等開采技術(shù)難題，通過通風(fēng)降溫和簡化采掘接替，實現(xiàn)連續(xù)開采，并為高效抽采瓦斯和治理煤層群瓦斯提供最佳的工作空間，提出基于快速留巷Y形通風(fēng)抽采卸壓瓦斯的煤氣共采技術(shù)路線。這項技術(shù)在排除低透氣性難抽瓦斯安全隱患的同時，改善了作業(yè)環(huán)境，扭轉(zhuǎn)了采掘銜接緊張的不利局面，較好地貫徹了安全、經(jīng)濟和環(huán)保的科學(xué)采礦三原則。

4.結(jié)語

煤礦綠色開采是我國煤礦發(fā)展的必然方向，是和諧礦區(qū)建設(shè)的重要指導(dǎo)，有著以關(guān)鍵層理論為基礎(chǔ)的實施依據(jù)，框架體系內(nèi)主要技術(shù)的發(fā)展將為我國煤炭開采中實現(xiàn)安全高效、經(jīng)濟環(huán)保提供重要保障，達到煤炭行業(yè)“低開采、高利用、低排放”的可持續(xù)發(fā)展目標。