煤礦綠色開采技術

錢鳴高1，許家林1，繆協(xié)興2
(1.中國礦業(yè)大學 能源科學與工程學院，江蘇 徐州221008; 2.中國礦業(yè)大學 理學院，江蘇 徐州221008)

摘要:提出了煤礦綠色開采的概念，闡述了它的內涵和技術體系.綠色開采的理論基礎為:開采后巖層中的關鍵層運動形成的節(jié)理裂隙與離層規(guī)律以及瓦斯與地下水在破斷巖層中的滲流規(guī)律.綠色開采技術的主要內容包括:保水開采、建筑物下采煤與離層注漿減沉、條帶與充填開采、煤與瓦斯共采、煤巷支護與部分殲石的井下處理、煤炭地下氣化等.
關鍵詞:綠色開采;關鍵層理論;巖層移動;綠色開采技術體系
中圖分類號:TD 82文獻標識碼:A
1煤礦綠色開采的提出
黨的十六大報告明確提出“……走出一條科技含量高，經濟效益好，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，我們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，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.
近期提出的循環(huán)經濟(recycling economy)是指遵循自然生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動規(guī)律重構經濟系統(tǒng)[1]，將經濟活動高效有序地組織成一個“資源利用－綠色工業(yè)－資源再生”的封閉型物質能量循環(huán)的反饋式流程，保持經濟生產的低消耗、高質量、低廢棄，從而將經濟活動對自然環(huán)境的影響破壞減少到最低程度.它不同于傳統(tǒng)經濟的“高開采、低利用、高排放”，而是達到“低開采、高利用、低排放”的可持續(xù)發(fā)展目標.顯然，此處的“綠色工業(yè)”是廣義的概念，應由各個工業(yè)部門去實現.對礦業(yè)來說就是要實現“綠色礦業(yè)”.“綠色礦業(yè)”的核心內容之一就是要實現“綠色開采”
礦區(qū)在開發(fā)建設之前與周圍環(huán)境是協(xié)調一致的，而進行開發(fā)建設后，強烈的人為活動便使環(huán)境發(fā)生巨大的變化，由此形成了礦區(qū)獨特的生態(tài)環(huán)境問題，如造成農田以及建筑物破壞，村莊遷徙，矸石堆積，使河川徑流量減少，以及地下水供水水源干枯，在地面導致的土地沙漠化，由于開采而使礦物內的有害物質流入地下水中等.我國目前的煤礦生產是在以下兩種情況下進行的:一是生產成本不完全.如投入不足;技術裝備落后;安全設施欠帳;工人工資太低.二是相關費用支付不全.如礦產資源費以及植被恢復，地面塌陷與水損失;污染治理等.提出并形成綠色開采技術是為了使我們正視開采對環(huán)境造成的影響和破壞，并有清醒的認識與足夠的估量，以便提出必要的對策和對政府提出必要的政策建議.
煤炭開采形成的環(huán)境問題主要為:
1)對土地資源的破壞和占用煤炭開采對土地資源的破壞損害，井工開采以地表塌陷和矸石山壓占為主，而露天開采則以直接挖損和外排土場壓占為主.
2)對水資源的破壞和污染煤炭開采過程中，進行的人為疏干排水和采動形成的導水裂隙對煤系含水層的自然疏干，破壞了地下水資源.同時開采還可能污染地下水資源.
3)對大氣環(huán)境的污染主要來自礦井排出的煤層瓦斯和煤礦研石山的自燃.
以山西省為例，1949-1998年共生產原煤56億多噸，地面塌陷破壞面積達100多萬畝，其中40%是耕地.研石山占地3萬多畝，至1998年煤炭地下采空面積達1 300 km²(全省面積的1寫).采煤破壞地下水4. 2億m³/a，地表水逸流減少，導致井水水位下降或斷流共計3 218個，影響水利工程433處、水庫40座、輸水管道793. 89 km;造成1678個村莊，81. 2715萬人，10. 824 1萬頭牲畜飲水困難.使本來缺水的山西環(huán)境受到進一步破壞.平均每采萬噸原煤造成塌陷土地0. 2 hm²，每年新增塌陷地約2萬hm².
礦井瓦斯即煤層氣，它是比CO2還嚴重的溫室氣體，也是導致煤礦重大安全事故的根源.據初步估計，我國2 000 m淺范圍內具有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小，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，僅2001年由于瓦斯事故的死亡人數達2 356人，為煤礦總死亡人數的40％.煤礦每年排放瓦斯70-190億m³.同時瓦斯又是最好的清潔能源，因此必須加以利用，變害為寶.
由此可見，提出并盡快形成煤礦的“綠色開采技術”已迫在眉睫.
2綠色開采的內涵與技術體系
從廣義資源的角度論，在礦區(qū)范圍內的煤炭、地下水、煤層氣(瓦斯)、土地以至于煤矸石以及在煤層附近的其他礦床，都應該是經營這個礦區(qū)的開發(fā)對象而加以利用.
而原來對礦井瓦斯的定義是:“礦井中主要由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體”.而在礦井水文地質類型劃分中認為:“根據礦井水文地質條件、涌水量、水害情況和防治水難易程度，劃為……類型”.顯然，上述概念將原本為礦區(qū)資源的瓦斯和水單純作為有害物來對待是不合適的.
煤礦綠色開采以及相應的綠色開采技術，在基本概念上是從廣義資源的角度上來認識和對待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各種資源;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;目標是取得最佳的經濟效益和社會效益.根據煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，綠色開采技術主要包括以下內容:1)水資源保護－形成“保水開采”技術;2)土地與建筑物保護－形成離層注漿、充填與條帶開采技術;3)瓦斯抽放－形成“煤與瓦斯共采”技術;4)煤層巷道支護技術與減少殲石排放技術;5)地下氣化技術.這些內容構成的綠色開采技術體系簡要表達如圖1所示。

開采引起環(huán)境與主要安全問題的發(fā)生都與開采后造成的巖層運動有關(巖體不破壞上述問題都不會發(fā)生)，因此，綠色開采的重大基礎理論為:1)采礦后巖層內的“節(jié)理裂隙場”分布以及離層規(guī)律;2)開采對巖層與地表移動的影響規(guī)律;3)水與瓦斯在裂隙巖體中的滲流規(guī)律;4)巖體應力場分布規(guī)律及巖層控制技術.

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