1、专题部分绿色开采技术理论及途径摘要：绿色开采是煤炭开采的发展方向,对提高煤炭采出率、保护生态环境和实现煤矿可持续发展都具有十分重要的意义。本文分析了绿色开采技术,总结了我国煤矿绿色开采方法的发展现状,对科学采矿具有一定的指导意义。关键词:绿色开采;保水开采;煤与瓦斯共采;充填开采;煤炭地下气化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，我们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。2煤炭开采形成的环境问题（1）对土
2、地资源的破坏和占用，煤炭开采对土地资源的破坏损害,，井工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和煤矿矸石山的自燃。3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)、土地以至于煤矸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. 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
3、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歼石排放技术；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。 图1 煤炭资源绿色开采技术体系总之，绿色开采的内涵是减少采煤对环境的破坏，形成一种使资源与环境相互协调的开采技术。主要表现在：改革开采技术
4、减轻对水土的破坏和地表的扰动；减少废弃物排放；矿山废弃物的资源化利用，实现循环经济。其中，岩层控制理论是基础，改革开采技术是根本。4 实现绿色开采的途径4.1、充填开采 我国多数煤矿存在建筑物下、水体下、铁路下压煤的问题,充填采矿法对解决这类问题具有重要的意义。充填开采法是用充填材料充填采煤工作面采空区的岩层控制方法。该法可以缓和工作面支承压力产生的矿压显现,改善采场和巷道维护状况,有效减少地表下沉和变形,提高煤矿采出率,保护地面建筑物、构筑物、生态环境和水体。按照充填材料的不同,充填采矿法分矸石充填、水砂充填和膏体充填。 4.1.1矸石充填矸石充填利用井下采空区处置煤矸石的充填采煤方法,既可
5、以减少煤矿固体废弃物排放,又可以减轻开采沉陷灾害、提高矿井资源回收率,是实现煤矿绿色开采的关键技术途径之一。 (1)抛矸机抛矸充填。将岩巷和半煤岩巷掘进矸石用矿车运至井下矸石车场,经翻车机卸载后,矸石经破碎机破碎,而后进入矸石仓。通过矸石仓下口,胶带或刮板输送机将破碎后的矸石运入上下山,而后由胶带或刮板输送机转载进入采煤工作面回风平巷,再由工作面采空区可伸缩胶带输送机运至工作面采空区抛矸胶带输送机尾部,由抛矸胶带输送机向采空区抛矸充填。 (2)刮板输送机卸矸充填。充填装备由后端带悬梁的自移式液压支架和充填刮板输送机组成。在自移式液压支架后端增加后悬臂等配件,采用可调高但挂链悬挂充填刮板输送机溜
6、槽,悬挂是为了增加充填垂直高度。输送机中部溜槽按顺序连接,并与机头和机尾组成整部刮板输送机。每2节中部溜槽设置1个溜矸孔,溜矸孔开在溜槽的中板上。由电机车牵引矸石矿车至采区矸石车场,通过翻车机卸载,矸石经转载机、破碎机进入矸石仓。破碎后的矸石经上下山输送机、平巷输送机运至液压支架后的充填刮板输送机,在采空区卸载。 (3)风力抛矸充填。风力充填材料粒度的直径不宜大于充填管道的1/21/3。并且要求充填材料沉缩率低、不自然、腐蚀性小。矸石经充填机、充填管路充填采空区。一般采煤机割两刀煤充填一次,充填步距1.21.6 m,每次充填长度69 m,工作面每向前推进50100 m,充填机前移一次。机械矸石
7、充填对充填材料要求不严格,使用设备也较少,在我国山东矿区发展较快,有推广趋势。 4.1.2 水砂充填水砂充填采煤法是利用水力通过管道把充填材料沙粒送入采空区的充填采煤法。我国早在20世纪初就开始应用水砂充填采煤法,目前水砂充填技术已经十分成熟。在地面用矿车将采出、破碎及筛分后的成品砂运到贮砂仓贮存。在贮砂室,砂与水混合成砂浆,经充填管路送至工作面采空区,并在采空区脱水,砂子形成充填体,废水经采区流水上山和流水道流入采区沉淀池,经沉淀后,澄清的水流入水仓,用水泵经排水管将水排至地面贮水池,以供循环利用。水砂充填采煤法充填致密,可减少煤尘危害,能有效地控制地表下沉和变形,但井上下充填系统复杂,设备
8、及设施投资大,充填材料昂贵,提高了吨煤成本。 4.1.3 膏体充填膏体充填技术是1979年在德国的格伦德铅锌矿首先发展起来的,由于膏体充填具有料浆质量分数高、充填效率高、成本较低等优点,这项技术试验成功以后在金属矿山得到较快的发展,在包括中国在内的许多国家得到应用。为解放村庄压煤,提高开采上限,提高煤炭资源采出率,延长矿井服务年限,太平煤矿与中国矿业大学合作开展了固体废物膏体充填不迁村采煤技术的研究。太平煤矿膏体充填系统是我国煤矿第一个膏体充填示范工程,2006年5月工业性试采取得成功。膏体充填采煤技术主要由三部分组成,即充填材料、充填设备与工艺、采动岩层充填控制理论。膏体是由煤矸石、粉煤灰、
9、水砂、水泥等组成,由地面设备加工而成的类似牙膏的流体,具有十分良好的流动性和可泵性。充填时,膏体通过巷道中的管路,由充填泵提供动力,输送到液压支架后的采空区。膏体充填技术的核心是膏体充填材料,膏体充填材料的强度对膏体充填的效果起决定作用。膏体充填后,地表下沉减小。膏体充填开采是绿色开采技术的重要组成部分,是解决煤矿开采环境问题的理想途径,是解决村庄等建筑物下大量压煤开采问题的迫切需要。4.2 煤与瓦斯共采技术瓦斯主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等，又称煤层气。既是矿井有害气体也是洁净能源。因此
10、，应使其资源化，既有利于改善矿井安全生产条件和提高经济效益，又可以改善地方环境质量和全球大气环境。瓦斯抽放有本煤层预抽，本煤层随采随抽，临近层抽放、采空区抽放等多种方法。其主要技术途径有:(1)采前抽采:若能在开采前将煤层内瓦斯抽出，则是利用瓦斯改善煤矿安全的最好办法。但由于我国大部分煤体透气性低，在本层内抽采瓦斯有难度。(2)煤与瓦斯共采:开采后围岩压力降低，大量瓦斯在采空区释放，有利于瓦斯抽采，因此形成煤与瓦斯共采体系。煤与瓦斯共采的技术主要有:留巷钻孔法、卸压法等。(3)废弃矿井抽采瓦斯。鉴于废弃矿井煤层经过采动而充满瓦斯，因而可以利用采动后岩体内裂隙场的分布及钻孔，将瓦斯抽排管装在井下
11、、封闭井口后，抽出瓦斯。(4)回风井回收瓦斯。煤与瓦斯共采技术充分利用了煤炭开采中上覆岩层的矿压活动，着重对卸压煤层的抽采时机把握和抽采工艺优化。在这项技术上，以袁亮院士为代表的课题组，创造性地解决了我国淮南矿区低透气性煤层群开采的关键问题。该技术将高瓦斯、高地压和低透气性煤层群的技术难题统一考虑，以沿空留巷的方式一体化解决高瓦斯、高地温、高地压、井巷失稳、瓦斯突出和冲击地压等开采技术难题，通过通风降温和简化采掘接替，实现连续开采，并为高效抽采瓦斯和治理煤层群瓦斯提供最佳的工作空间，提出基于快速留巷Y形通风抽采卸压瓦斯的煤气共采技术路线。这项技术在排除低透气性难抽瓦斯安全隐患的同时，改善了作业
12、环境，扭转了采掘衔接紧张的不利局面，较好地贯彻了安全、经济和环保的科学采矿三原则。4.3煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术首先是加强煤巷维护技术，将巷道尽可能布置在煤层中，从而少出或不出矸石。对不可避免的矸石产出，可将矸石作为充填材料，或根据技术、经济条件可将矸石运到地面进行处理，用于回填、制砖、发电等，变废为宝。煤巷支护是煤矿设备产能发挥的重要保证。随着我国煤矿开采逐步转入深部，以大采深、高应力、软弱破碎围岩和快速成巷为特征的动压巷道支护技术成为今后的研究热点。部分矸石井下处理工艺为巷充法，即通过沿空留巷和在条带煤柱内开掘矸石充填巷等方式，一定程度上实现了无煤柱开采，提高了矿井回采率。较为突
13、出的技术成果为2002年3月冀中能源邢东煤矿可调向、升降与变速矸石充填机的研制与应用。目前，具有相同功能的充填设备在枣矿集团田陈矿、蒋庄矿和新矿集团鄂庄矿有所应用。山东盛泉矿业有限公司在高档普采工作面应用该技术是其应用领域的又一扩展。4.4 煤炭地下气化技术煤炭地下气化技术是指在地下将煤炭通过热化学反应直接气化，转化为可燃气体。可以部分消除煤炭开采对环境的污染和煤炭燃烧对生态环境的不利影响与破坏。煤炭地下气化是一种整体绿色开采技术。目前我国的地下气化技术仍处于工业试验阶段，有很多问题需要去研究和探索。煤炭地下气化技术集建井、采煤及转化等多种工艺为一体，大大提高了煤炭资源的利用效率和利用水平，深
14、受世界各国重视。该技术将灰渣留于井下，充填减沉，无固体废弃物排放，避免了大气污染，是一种有较好发展前景的采煤技术，被誉为新一代采煤方法。自20世纪30年代以来，美国、德国和苏联等主要产煤国均对此进行了大量技术研究，取得了不少科研成果，储备了煤炭地下气化的一些关键性技术。我国自1958年开始在鹤岗兴山矿、大同胡家湾、吉林蛟河及安徽独山进行了自然条件下煤炭地下气化试验。1980年以后，相继在徐州马庄和新河、唐山刘庄、新汶孙村、协庄、鄂庄以及山东里彦等10多个矿区进行了试验，初步实现了煤炭地下气化从试验到应用的突破。该技术的成熟将从根本上解决传统煤炭开采和使用方式存在的一系列技术、安全和环境问题，对
15、发挥我国雄厚煤炭资源的优势，生产洁净能源，保障能源供给安全，促进经济和环境的协调发展都具有十分重要的战略意义。4.5 保水采煤技术保水采煤根据矿区含水程度的不同有不同的技术内涵：缺水矿区，要以水资源保护和利用为主；大水矿区，要以减少水资源破坏和防治水灾害为主。因此，保水开采包含水资源保护、水资源利用(煤水共采)和水灾害防治等多项重要内容。保水采煤根本目的是为了保护地面和地下水体不受开采的影响，同时使矿山本身不受水害的威胁。保水采煤主要应控制煤层上覆岩层中冒落带和导水裂缝带的发育高度。当它们未发展到水体时，水体不受疏降影响；当它们发展到水体时，水体会被疏降，有时还会向矿井渗漏，对矿井形成灾害。5
16、绿色开采技术的理论依据采场老顶岩层“砌体梁”结构模型是针对开采过程中的矿山压力控制而提出来的。近年来，为了解决岩层控制中更为广泛的问题，提出了岩层控制的关键层理论。关键层理论提出的目的是为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽放与突水防治以及对开采沉陷控制等的影响。因而，关键层理论将为绿色开采的研究提供理论平台。 开采后，随着关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水位能否恢复，则决定于随着工作面的推进，上覆岩层中有否软弱岩层(事实上它是研究地下水渗漏的关键层”)经重新压实导致裂隙闭合而形成隔水带。把地下水视为资源，必须形成保水开采技术，即开采后地表水暂时形成下降漏斗仍能恢复到原来状态的开采技术。底板突水是在采动和水压共同作用下底板破坏所致，因此，底板突水机理及防治研究应重视采动底板破坏规律的研究
