煤礦綠色開采技術(shù)研究綜述

【摘 要】 本文分析了綠色開采技術(shù)的理論基礎(chǔ)、內(nèi)涵及研究現(xiàn)狀，梳理了綠色開采技術(shù)的技術(shù)框架，對(duì)綠色開采技術(shù)的研究進(jìn)程和主要內(nèi)容進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】 煤炭 綠色開采 技術(shù) 綜述

我國是一個(gè)富煤、貧油、少氣的國家，煤炭在一次能源中占70%左右。在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，煤炭仍是我國的主要能源，可以說礦產(chǎn)資源深刻地影響著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面，盡管礦產(chǎn)資源滿足生產(chǎn)和生活的需要，但傳統(tǒng)的資源開采不僅造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，加劇資源供需矛盾的嚴(yán)峻形勢(shì)，更造成生態(tài)環(huán)境很大程度上的破壞，對(duì)生物的多樣性和生態(tài)平衡造成嚴(yán)重威脅。對(duì)綠色開采相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理對(duì)深刻理解與實(shí)踐綠色開采，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 綠色開采的內(nèi)涵與理念綜述

2010年8月13日，國土資源部發(fā)布了《國土資源部關(guān)于貫徹落實(shí)全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃發(fā)展綠色礦業(yè)建設(shè)綠色礦山工作的指導(dǎo)意見》，隨文附帶了《國家級(jí)綠色礦上基本條件》。這是第一份以官方文件的形式提出綠色礦山的明確要求，是綠色礦山發(fā)展的指導(dǎo)性文件。

從綠色開采的內(nèi)涵來看，學(xué)術(shù)界眾說紛紜。學(xué)者錢鳴高（2003）認(rèn)為，從廣義資源的角度論看，在礦區(qū)范圍內(nèi)的煤炭、地下水、煤氣層（瓦斯）、土地以至于煤矸石以及在煤層附近的其他礦床都是礦區(qū)的開發(fā)對(duì)象。綠色開采即是以防止或盡可能減輕開發(fā)煤炭對(duì)環(huán)境和其他資源的不良影響為出發(fā)點(diǎn)，以取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益為最終目標(biāo)。其在論述科學(xué)開采的概念中，提出科學(xué)開采要實(shí)行礦產(chǎn)品完全成本花的思路。汪云甲（2005）認(rèn)為，礦區(qū)的綠色開發(fā)是將礦區(qū)資源與環(huán)境作為一個(gè)整體，考慮各種自然資源，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)資源的綜合體、立體、協(xié)調(diào)的開發(fā)利用，綠色開采、綠色礦山、綠色礦業(yè)是這些理念的進(jìn)一步拓展。黃敬軍（2008）則提出綠色開采帶來的是一種全新的礦山發(fā)展模式，是解決礦山可持續(xù)發(fā)展的最佳途徑，要點(diǎn)為確立礦山資源環(huán)境一體化、突出生態(tài)園林礦山。孫維中（2006）認(rèn)為，綠色開采要嚴(yán)格實(shí)施科學(xué)有序的開采，又要對(duì)礦區(qū)及周邊環(huán)境的擾動(dòng)控制在環(huán)境可控的范圍內(nèi)，并通過有效措施對(duì)必須破壞擾動(dòng)的部分進(jìn)行恢復(fù)治理，確保礦山的存在、發(fā)展直至終結(jié)，始終與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，即注重礦產(chǎn)資源開發(fā)、與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)程度等兩個(gè)方面。

從以上綠色開采的內(nèi)涵出發(fā)，煤礦綠色開采主要具有三方面的特點(diǎn)：一是對(duì)原有礦井廢棄（或有害）物觀念轉(zhuǎn)變，；二是從源頭上采取措施減輕開采對(duì)環(huán)境的破壞，而不是先破壞后治理，即應(yīng)通過采礦方法的改變和調(diào)整來實(shí)現(xiàn)地下水資源的保護(hù)；三是基于巖層運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)建立綠色開采理論基礎(chǔ)：巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)礦山壓力造成影響，煤層開采后引起的巖層變形-破裂-移動(dòng)是造成一系列環(huán)境問題的根源。

綠色開采的理念已得到世界采礦界的廣泛認(rèn)同，國際著名采礦專家Gauss曾在其主編的刊物上發(fā)表專論介紹中國的綠色開采，并建議將綠色開采作為現(xiàn)代采礦科學(xué)的新詞匯。

2 綠色開采技術(shù)體系綜述

2.1綠色開采技術(shù)體系

綠色開采技術(shù)體系的提出主旨在于將煤炭開采活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響和破壞減少到最低限度。對(duì)礦業(yè)來說，就是要成為“綠色礦業(yè)”，綠色礦業(yè)的核心內(nèi)容之一就是要實(shí)現(xiàn)“綠色開采”。

錢鳴高（2003）針對(duì)煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，提出綠色開采技術(shù)包括以下內(nèi)容（見圖1）：①水資源保護(hù)——形成保水開采技術(shù)；②土地與建筑物保護(hù)——形成離層筑漿、填充與條帶開采技術(shù)；③瓦斯抽放——形成“煤與瓦斯共采”技術(shù)；④煤層巷道支護(hù)技術(shù)與減少矸石排放技術(shù)；⑤地下氣化技術(shù)。

綠色開采技術(shù)系統(tǒng)所參照的理論主要有以下幾點(diǎn)：①關(guān)鍵層理論，有關(guān)關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)對(duì)采場(chǎng)礦壓與巖層移動(dòng)的影響，以及綜述了關(guān)鍵層理論及采場(chǎng)礦壓控制、巖層移動(dòng)與地標(biāo)沉陷控制和煤層瓦斯抽放等應(yīng)用研究方面的學(xué)說；②開采對(duì)巖層造成的破壞以及移動(dòng)的影響及對(duì)其移動(dòng)規(guī)律的觀察和利用；③對(duì)開采區(qū)域誰在裂巖體中的滲透規(guī)律的掌握；④了解煤炭開采后巖層內(nèi)節(jié)理裂隙分布、變化規(guī)律等。

2.2 綠色開采技術(shù)的研究進(jìn)程及主要內(nèi)容

2.2.1關(guān)鍵層理論研究的簡要回顧

基于采場(chǎng)老頂巖層“砌體梁”理論，1996年，以錢鳴高院士為代表的課題組提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論，關(guān)鍵層是指對(duì)巖體活動(dòng)全部或局部起控制作用的巖層。該理論的提出，對(duì)研究層狀框體開采中厚硬巖層對(duì)巖層中節(jié)里裂隙的分布及其對(duì)瓦斯抽放以及突水防治具有重要意義。

2.2.2 保水開采技術(shù)

保水開采技術(shù)就是在采煤過程中對(duì)地下水資源進(jìn)行保護(hù)并對(duì)礦井進(jìn)行資源化利用。目前研究大多基于以下兩點(diǎn)理論。

隔水層理論：水體地面與煤層之間應(yīng)有相應(yīng)厚度的隔水層，才能實(shí)現(xiàn)水體下安全采煤。該理論認(rèn)為具體的采煤方法需要綜合參考隔水層的厚度、隔水層的性能、水體至煤層的距離、厚采、水量大小以及水源等因素。

“三帶”理論：理論認(rèn)為①對(duì)于地面水體，松散層底部和基巖中的強(qiáng)、中含水層水體，要求被保護(hù)的水源等水體，不容許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р?；②?duì)于松散層底部的額弱含水層水體，允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р?；③?duì)于厚松散層地步為極弱含水層或可以疏干的含水層，允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞нM(jìn)入，同事允許垮落帶波及。

長壁工作面快速推進(jìn)、留設(shè)防水煤柱、對(duì)采空區(qū)實(shí)施填充是當(dāng)下最常用的三類技術(shù)。加快工作面推進(jìn)速度可使破斷巖層盡快朝反方向與工作面一側(cè)未斷巖層在斷面下端鉸接并擠壓閉合，形成隔水關(guān)鍵層，保證安全回采和水資源不流失；防水煤柱的留設(shè)可以使煤層頂板巖層破壞減小，導(dǎo)水裂縫帶不波及水體，但該方法會(huì)浪費(fèi)大量煤炭資源；煤層開采過程中對(duì)采空區(qū)及時(shí)進(jìn)行填充，可以有效減小工作面前后支撐壓力的分布，達(dá)到和留設(shè)防水煤柱一樣的效果。

2.2.3土地與建筑物保護(hù)-形成離層注漿、充填與條帶減沉開采技術(shù)

我國目前減少煤礦開采造成地表沉陷對(duì)地面建筑物和農(nóng)田破壞的方法有：離層注漿、條帶與充填開采，利用這些方法對(duì)破壞的農(nóng)田復(fù)墾。

許家林（2006）提出了煤礦充填開采技術(shù)：它僅對(duì)采空區(qū)的局部或離層區(qū)與冒落采空區(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采沉陷。按部分充填的位置分為三種部分充填開采技術(shù)：采空區(qū)膏體條帶充填、覆巖離層分區(qū)隔離筑漿充填、條帶開采冒落區(qū)注漿填充。

目前我國比較成熟的充填方法有，膏體充填，矸石充填，超高水充填。

2.2.4瓦斯抽放-形成“煤與瓦斯共采技術(shù)”

煤層瓦斯是有害氣體，同時(shí)又是潔凈能源。瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出，一直是我國煤礦所面臨的重大災(zāi)害。同時(shí)，排放到大氣中的瓦斯還造成了嚴(yán)重的環(huán)境破壞。對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采利用，是綠色開采必須解決的基本問題之一。在基于對(duì)巖層采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)提出的卸壓瓦斯抽采“O”型圈理論，在一些礦區(qū)的卸壓瓦斯抽采中，對(duì)鉆孔布置起到了指導(dǎo)作用。

我國目前礦井瓦斯抽放技術(shù)主要由：采掘前抽放（預(yù)抽），邊采邊抽和采后抽放（采空區(qū)抽放）。

2.2.5 煤層巷道支護(hù)技術(shù)與減少矸石排放技術(shù)

減少排矸和進(jìn)行矸石利用是綠色開采技術(shù)的另一大任務(wù)。煤層巷道支護(hù)技術(shù)的機(jī)理就是減少巖石巷道的掘進(jìn)量，以煤巷掘進(jìn)為主，從而實(shí)現(xiàn)減少矸石的排放問題。目前研究成果有：系統(tǒng)研究和揭示深部、動(dòng)壓巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)生發(fā)展過程，以及擠脫型和擠壓型兩類冒頂?shù)膶?shí)質(zhì)。科學(xué)地解釋了動(dòng)壓巷道底鼓過程冒頂及其原理：提高支護(hù)效能，及時(shí)主動(dòng)有效加固頂板，消除松脫型冒頂；增大錨故范圍，削弱層狀頂板沿弱面的漸次離層和垮冒；建立“楔形”的強(qiáng)化承載結(jié)構(gòu)，防止錨固區(qū)外離層和擠壓型冒頂。

2.2.6 地下氣化技術(shù)

煤炭地下氣化是指不用將煤炭采出地面，而直接在煤層賦存滴點(diǎn)獲得可燃?xì)怏w的過程，即在地下將煤通過熱化學(xué)過程變?yōu)闅鈶B(tài)燃料，然后經(jīng)由鉆孔排至地面收集利用。煤炭地下氣化是是一種整體綠色開采技術(shù)。目前我國煤氣化已經(jīng)取得了很大發(fā)展，但煤井下氣化還正處于研究試驗(yàn)階段，還需我國科研實(shí)踐工作者去努力研究和探索。

結(jié)束語

煤炭資源的綠色開采是煤炭行業(yè)貫徹科學(xué)發(fā)展觀的必然選擇，也是可持續(xù)發(fā)展工業(yè)技術(shù)的重要組成部分，綠色開采是近年來提出的嶄新的開采理念，未來綠色開采技術(shù)一定會(huì)有更大的發(fā)展空間，將成為未來煤礦開采技術(shù)方式的發(fā)展方向。

目前，煤炭綠色開采技術(shù)形成了基本的技術(shù)框架，仍有一些新興領(lǐng)域值得探討，如新型煤礦填充材料與工藝系統(tǒng)、基于巖層移動(dòng)與關(guān)鍵層理論的開采沉陷預(yù)測(cè)與建筑物下采煤的定量設(shè)計(jì)方法等。同時(shí)，仍缺乏綠色開采技術(shù)所服務(wù)的其他學(xué)科和知識(shí)，諸如經(jīng)濟(jì)核算、評(píng)價(jià)體系構(gòu)建、科學(xué)管理等，這都有待于進(jìn)一步研究。

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作者簡介：周洋蛟（1988年-），男，漢族，籍貫：四川省遂寧市，職務(wù)/職稱：機(jī)電工程師，學(xué)歷：全日制本科，單位：四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，單位郵編610000。