煤矿绿色开采技术的研究与实践

　　 钱鸣高，许家林，缪协兴
(中国矿业大学，江苏徐州221008)
[摘要]阐述了煤矿绿色开采的提出、概念及绿色开采技术体系。绿色开采技术的主要内容应包括:保水开采、建筑物下采煤与离层注浆减沉、条带与充填开采、煤与瓦斯共采、煤巷支护与部分研石的井下处理、煤炭地下气化等，介绍了基于岩层控制的关键层理论开展的绿色开采技术研究与实践成果。
[关键词]绿色开采关键层理论岩层移动
[中图分类号]TDB23[文献标识码]A[文章编号]1003-6083(2004)01-0001-04
1煤矿绿色开采的提出
党的十六大报告明确提出“……走出一条科技含量高，经济效益好，资源消耗低，环境污染少，人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。”因此，必须充分考虑我国资源相对短缺，环境比较脆弱的基本特点，建立起适合我国国情的资源节约、环境友好的新型工业化发展道路。
近期提出的循环经济(recyclingeconomy)是指遵循自然生态系统的物质循环和能量流动规律重构经济系统[’}，将经济活动高效有序地组织成一个“资源利用－绿色工业－资源再生”的封闭型物质能量循环的反馈式流程，保持经济生产的低消耗、高质量、低废弃，从而将经济活动对自然环境的影响破坏减少到最低程度。它不同于传统经济的“高开采、低利用、高排放”，而是达到“低开采、高利用、低排放”的可持续发展目标。显然，此处的‘绿色工业”是广义的概念，应由各个工业部门去实现。对矿业来说就是要实现“绿色矿业”。“绿色矿业”的核心内容之一就是要实现“绿色开采”。
“绿色开采”的内涵是努力遵循循环经济中绿色工业的原则，形成一种与环境协调一致的，努力去实现“低开采、高利用、低排放”的开采技术。
矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致的，而进行开发建设后，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了矿区独特的生态环境问题，如造成农田以及建筑物破坏，村庄迁徙，矸石堆积，使河川径流量减少，以及地下水供水水源干枯，在地面导致的土地沙漠化，由于开采而使矿物内的有害物质流入地下水中等。我国目前的煤矿生产是在以下两种情况下进行的:一是生产成本不完全。如投入不足技术装备落后安全设施欠帐工人工资太低。二是相关费用支付不全。如矿产资源费以及植被恢复，地面塌陷与水损失污染治理等。提出并形成绿色开采技术是为了正视开采对环境造成的影响和破坏，并有清醒的认识与足够的估量，以便提出必要的对策和对政府提出必要的政策建议。
煤炭开采形成的环境问题主要为:
(1)对土地资源的破坏和占用。煤炭开采对土地资源的破坏损害，井下开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。
(2)对水资源的破坏和污染。煤炭开采过程中，进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源。同时开采还可能污染地下水资源。
(3)对大气环境的污染。主要来自矿井排出的煤层瓦斯抽放和煤矿矸石山的自燃。
以山西省为例，1949－1998年共生产原煤56亿多t，地面塌陷破坏面积达666000多hm²，其中40%是耕地。研石山占地2000多hm²。至1998年煤炭地下采空面积达1300km2(全省面积的1%)。采煤破坏地下水4.2亿m³/a，地表水迁流减少，导致井水位下降或断流共计3218个，影响水利工程433处，水库40座，输水管道793890m造成1678个村庄，812715口人，108241头牲畜饮水困难。使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。平均每采万t原煤造成塌陷土地0.2hm²，每年新增塌陷地约2万hm²。
矿井瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重的温室气体，也是导致煤矿重大安全事故的根源。据初步估计，我国2000m浅范围内具有30-35万亿m³煤层气资源，居世界前列。但由于我国煤层透气性小，难以在开采前抽出。建国以来，我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1500余次，仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数达2356人，为煤矿总死亡人数的40%。煤矿每年排放瓦斯70-190亿m³。同时瓦斯又是最好的清洁能源，因此必须加以利用，变害为宝。
由此可见，提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术”已迫在眉睫。事实上，笔者从20世纪90年代初已开始了有关“绿色开采技术”的研究和实践。在长期研究和实践的基础上，正式提出了煤矿绿色开采的理念及其技术体系[2]。
2绿色开采的内涵与技术体系
从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气(瓦斯)、土地以至于煤研石以及在煤层附近的其他矿床，都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。
而原来对矿井瓦斯的定义是:“矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体”。而在矿井水文地质类型划分中认为:“根据矿井水文地质条件、涌水量、水害情况和防治水难易程度，划为……类型”。显然，上述概念将原本为矿区资源的瓦斯和水单纯作为有害物来对待是不合适的。
煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术，在基本概念上是从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各种资源基本出发点是防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响目标是取得最佳的经济效益和社会效益。根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，“绿色开采技术”主要包括以下内容:①水资源保护—形成“保水开采”技术②土地与建筑物保护—形成离层注浆、充填与条带开采技术③瓦斯抽放—形成“煤与瓦斯共采”技术④煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术⑤地下气化技术。这些内容构成的绿色开采技术体系简要表达如图1所示。
(2)理论与实测研究证明，上覆远距离煤层能充分卸压，其卸压煤层气可通过“O”形圈大面积抽放出来。首次在桃园矿进行了上覆远距离卸压煤层气抽放的工业性试验，取得了较好的抽放效果，为我国低透气性煤田煤层气开采开辟了一条新途径。同时，该方法扩展了开采下解放层的应用范围，为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径。该方法在我国许多矿区具备推广应用前景。
(3)试验研究表明，邻近开采煤层的下位关键层的破断运动对“导气”裂隙发育的动态过程起控制作用。邻近层卸压瓦斯的涌出受控于“导气”裂隙发育的动态过程。对阳泉五矿15煤综放面而言，在初采期，其上邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征。上邻近层卸压瓦斯抽放孔(巷)布置应遵循如下原则:抽放孔(巷)沿倾向位置，在初采期应位于采空区中部，而在正常回采期间，应位于“O"形圈内。据此提出了阳泉五矿15煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案。
矸石不上井涉及到煤巷维护问题，而且随着采深的增加，岩石巷的开掘将是不可避免。因此矸石不上井就存在一个矸石井下处理系统，结果成本如何?应该说，在经济原则下矸石的井下处理是绿色采矿问题。但矸石的井上处理就像地面复恳一样是环境治理问题，不属于绿色开采技术。
煤炭地下气化是一种整体绿色开采技术。首先是如何使地下煤炭气化产生的致癌物质苯和酚不扩散与污染和毒化地下水资源，其次是如何处理燃烧形成的大量二氧化碳对空气严重污染的问题。否则煤炭地下气化就失去了绿色开采的意义。
4绿色开采若干待研究问题
下列问题将是绿色开采有待进一步研究的主要问题:
(1)采动破裂煤岩体中水与瓦斯流动规律研究
(2)基于岩层移动与关键层理论的开采沉陷预测与建筑物下采煤的定量设计方法
(3)适合煤矿特点的充填采矿材料与工艺系统
(4)煤矿绿色开采技术的经济评价方法与法规。
[参考文献]
[1]循环经济—实现现代化的理想经济模式.中国现代化进程战略构想[M].北京:科学出版社，2002.
[2]钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报，2003，32(4):343-348
[3]钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论[M].徐州:中国矿业大学出版社，2000.
[4]钱鸣高，缪协兴.采动底板岩层破断规律的理论研究[J].岩土工程学报，1995,17(6):55-62.
[5]黎良杰，钱鸣高，李树刚.断层突水机理分析[J].煤炭学报，1996,21(2):119-223.
[6]许家林，钱鸣高.覆岩注浆减沉钻孔布置的试验研究[J].中国矿业大学学报，1998,27(3):276-279.
[7]许家林，钱鸣高.岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用[J].中国矿业大学学报，2004,33(2):141-144.
[8]黄盛初，朱超，刘馨，等.中国煤矿煤层气开发产业化前景[A]煤炭信息研究院.2001年煤矿煤层气项目投资与技术国际研讨会论文集“c].徐州:中国矿业大学出版社，2001.
[9]JialinXu&MinggaoQian.StudyandApplicationofthe“Oshaped"CircleTheoryforRelievedNbthaneDrainage.Proceedingsofthe’99InternationalSymposiumonMiningScienceandTechnology，A.A.BALKEMA,1999:113-116.
[10]许家林，钱鸣高.地面钻井抽放上覆远距离卸压煤层气试验研究[J].中国矿业大学学报，2000,29(1)78-81.
[11]许家林，钱鸣高，金宏伟.基于岩层移动的“煤与煤层气共采”技术研究[J].煤炭学报，2004,29(2):129-132.
作者简介:钱鸣高(1932-)，男，江苏无锡县人，中国工程院院士，中国矿业大学教授，博士生导师，从事采矿工程方面研究。