煤礦綠色開采技術的研究與實踐

錢鳴高，許家林，繆協興
(中國礦業大學，江蘇 徐州221008)

[摘要]闡述了 煤礦綠色開采的提出、概念及綠色開采技術體係。綠色開采技術的主要內容應包括:保水開采、建築物下采煤與離層注漿減沉、條帶與充填開采、煤與瓦斯共采、煤巷支護與部分研石的井下處理、煤炭地下氣化等，介紹了基於岩層控製的關鍵層理論開展的綠色開采技術研究與實踐成果。
[關鍵詞]綠色開采;關鍵層理論;岩層移動
[中圖分類號]TDB23 [文獻標識碼]A [文章編號]1003- 6083 (2004) 01- 0001- 04
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，環境汙染少，人力資源優勢得到充分發揮的新型工業化路子。”因此，必須充分考慮我國資源相對短缺，環境比較脆弱的基本特點，建立起適合我國國情的資源節約、環境友好的新型工業化發展道路。
近期提出的循環經濟(recycling economy)是指遵循自然生態係統的物質循環和能量流動規律重構經濟係統[’}，將經濟活動高效有序地組織成一個“資源利用－綠色工業－資源再生”的封閉型物質能量循環的反饋式流程，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境的影響破壞減少到最低程度。它不同於傳統經濟的“高開采、低利用、高排放”，而是達到“低開采、高利用、低排放”的可持續發展目標。顯然，此處的‘綠色工業”是廣義的概念，應由各個工業部門去實現。對礦業來說就是要實現“綠色礦業”。“綠色礦業”的核心內容之一就是要實現“綠色開采”。
“綠色開采”的內涵是努力遵循循環經濟中綠色工業的原則，形成一種與環境協調一致的，努力去實現“低開采、高利用、低排放”的開采技術。
礦區在開發建設之前與周圍環境是協調一致的，而進行開發建設後，強烈的人為活動便使環境發生巨大的變化，由此形成了礦區獨特的生態環境問題，如造成農田以及建築物破壞，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幹枯，在地麵導致的土地沙漠化，由於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;技術裝備落後; 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複，地麵塌陷與水損失;汙染治理等。提出並形成綠色開采技術是為了正視開采對環境造成的影響和破壞，並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，井下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)對水資源的破壞和汙染。煤炭開采過程中，進行的人為疏幹排水和采動形成的導水裂隙對煤係含水層的自然疏幹，破壞了地下水資源。同時開采還可能汙染地下水資源。
(3)對大氣環境的汙染。主要來自礦井排出的煤層瓦斯抽放和 煤礦矸石山的自燃。
以山西省為例，1949－1998年共生產原煤56億多t，地麵塌陷破壞麵積達666 000多h m²，其中40%是耕地。研石山占地2 000多h m²。至1998年煤炭地下采空麵積達1 300 km2(全省麵積的1 %)。采煤破壞地下水4.2億 m³ / a，地表水遷流減少，導致井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793 890 m ;造成1 678個村莊，812 715口人，108 241頭牲畜飲水困難。使本來缺水的山西環境受到進一步破壞。平均每采萬t原煤造成塌陷土地0.2 hm²，每年新增塌陷地約2萬h m²。
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 02manbetx.com 的根源。據初步估計，我國2 000 m淺範圍內具有30 - 35萬億m³煤層氣資源，居世界前列。但由於我國煤層透氣性小，難以在開采前抽出。建國以來，我國煤礦發生煤與瓦斯突出 02manbetx.com 1 500餘次，僅2001年由於瓦斯 02manbetx.com 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，提出並盡快形成煤礦的“綠色開采技術”已迫在眉睫。事實上，筆者從20世紀90年代初已開始了有關“綠色開采技術”的研究和實踐。在長期研究和實踐的基礎上，正式提出了煤礦綠色開采的理念及其技術體係[2]。
2綠色開采的內涵與技術體係
從廣義資源的角度論，在礦區範圍內的煤炭、地下水、煤層氣(瓦斯)、土地以至於煤研石以及在煤層附近的其他礦床，都應該是經營這個礦區的開發對象而加以利用。
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、湧水量、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;基本出發點是防止或盡可能減輕開采煤炭對環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土地與建築物保護—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矸石排放技術;⑤地下氣化技術。這些內容構成的綠色開采技術體係簡要表達如圖1所示。

開采引起環境與主要 安全問題的發生都與開采後造成的岩層運動有關(岩體不破壞上述問題都不會發生)，因此，綠色開采的重大基礎理論為:①采礦後岩層內的“節理裂隙場”分布以及離層規律; ②開采對岩層與地表移動的影響規律;③水與瓦斯在裂隙岩體中的滲流規律;④岩體應力場分布規律及岩層控製技術。
3基於關鍵層理論的綠色開采技術研究與實踐
采場老頂岩層“砌體梁”結構模型是針對開采過程中的礦山壓力控製而提出來的。近年來，為了解決岩層控製中更為廣泛的問題，提出了岩層控製的關鍵層理論[3]。關鍵層理論提出的目的是為了研究覆岩中厚硬岩層對層狀礦體開采中節理裂隙的分布及其對瓦斯抽放與突水防治以及對開采沉陷控製等的影響。因而，關鍵層理論將為綠色開采的研究提供理論平台。
開采後，隨著關鍵層的破斷，在該區域內地下水將形成下降漏鬥。地下水位能否恢複，則決定於隨著工作麵的推進，上覆岩層中有否軟弱岩層(事實上它是研究地下水滲漏的‘關鍵層”)經重新壓實導致裂隙閉合而形成隔水帶。把地下水視為資源，必須形成保水開采技術，即開采後地表水暫時形成下降漏鬥仍能恢複到原來狀態的開采技術。底板突水是在采動和水壓共同作用下底板破壞所致，因此，底板突水機理及防治研究應重視采動底板破壞規律的研究。岩層控製的關鍵層理論的原理可以用於采場底板突水治理研究中，即在采場底板隔水層中，找出起主要控製作用的岩層—隔水關鍵層，由此展開相應的力學 03manbetx 。在采場底板突水 02manbetx.com 統計 03manbetx 的基礎上，對無斷層底板關鍵層的破斷與突水機理及有斷層底板關鍵層的破斷與突水機理進行了研究，據此提出了底板突水預測預報的原理與方法，在淮北朱莊礦6313工作麵底板突水危險性的預測預報中得到了應用與驗證[4,5]
基於岩層控製的關鍵層理論提出:將保證覆岩主關鍵層不破斷失穩作為建築物下采煤 設計的基本原則。為了保證建築物下采煤既具有較好的經濟效益，同時又確保地麵建築物不受到損害，關鍵在於根據具體條件下覆岩結構與關鍵層特征來研究確定合理的減沉開采技術及參數。確定覆岩中的關鍵層位置，掌握其離層與破斷特征參數，是注漿減沉技術應用可行性 03manbetx 、鑽孔布置與注漿工藝 設計及減沉效果 評價的基礎[6,7]。從理論上來說，充填采礦是解決煤礦開采環境問題的理想途徑。為了降低充填成本，基於岩層控製的關鍵層理論，提出了部分充填(條帶充填)控製開采沉陷的思路:僅充填部分采空區，隻要保證未充填采空區的寬度小於覆岩主關鍵層的初次破斷跨距，且充填條帶能保持長期穩定，就可有效控製地表沉陷。在關鍵層理論指導下，開展了多個礦井建築物下條帶采煤試驗和巨厚火成岩下離層充填減沉試驗，累計 安全采出建築物下壓煤數百萬t，取得了顯著的經濟與社會效益。目前，關鍵層理論正應用於多個礦井的建築物下采煤實踐。
我國煤層70%以上煤層的滲透率小於1×10-3 μm²，這對我國開展煤層瓦斯采前預抽是極為不利的。正因為如此，我國已鑽的200多口采前地麵煤層氣井中，穩產高產井很少，單井產量超3000 m³/ d的也隻有約30口[8]。而如何提高煤層采前滲透率是尚未解決的難題。實踐表明，一旦煤層開采引起岩層移動，即使是滲透率很低的煤層，其滲透率也將增大數十倍至數百倍，為煤層氣運移和開采創造了條件。因而，卸壓煤層氣抽放將是我國煤層氣開采的重要途徑。我國煤礦卸壓瓦斯抽放工作一直在進行並取得了很大進展，但我國煤礦抽放瓦斯的主要目的還是為了采煤的安全，而不是將瓦斯作為一種有用的資源進行開采，大部分礦井抽放瓦斯未能利用而直接排放到大氣中。目前，我國卸壓瓦斯抽放總體上仍存在抽出率低及鑽孔工程量大的問題，瓦斯總體抽出率僅為23％。如何基於岩層移動規律進行卸壓瓦斯抽放方案的優化、提高瓦斯采出率將是我國煤礦卸壓瓦斯抽放進一步研究的主要方向。基於岩層控製的關鍵層理論及煤礦綠色開采思想提出的“煤與煤層氣共采”的基本觀點為:將煤層氣作為一種資源，充分利用采煤過程中岩層移動對瓦斯卸壓作用並根據岩層移動規律來優化抽放方案、提高抽出率，在煤層開采時形成采煤和采煤層氣兩個完整的開采係統，即形成“煤與煤層氣共采”技術，煤礦從采掘部署上把瓦斯抽放當作正規的開采工藝流程，從時間、空間與資金上給於保證，對抽放瓦斯進行利用。若在開采時形成采煤和采瓦斯兩個完整的係統，利用岩層運動的特點將煤層氣高效開采出來，即形成“煤與瓦斯共采”技術。關鍵層理論所得出的節理裂隙場分布規律將對瓦斯抽出技術有重要參考作用。將關鍵層理論及有關采動裂隙分布規律的研究成果應用於我國卸壓瓦斯抽放的研究與工程實踐，取得了以下主要成果[9-11]:
(1)建立了卸壓瓦斯抽放“O"形圈理論，它是指導卸壓瓦斯抽放鑽孔布置的理論依據，並已在淮北、淮南、陽泉等礦區的卸壓瓦斯抽放中得到成功試驗與應用。
(2)理論與實測研究證明，上覆遠距離煤層能充分卸壓，其卸壓煤層氣可通過“O”形圈大麵積抽放出來。首次在桃園礦進行了上覆遠距離卸壓煤層氣抽放的工業性試驗，取得了較好的抽放效果，為我國低透氣性煤田煤層氣開采開辟了一條新途徑。同時，該方法擴展了開采下解放層的應用範圍，為煤與瓦斯突出的防治提供了新途徑。該方法在我國許多礦區具備推廣應用前景。
(3)試驗研究表明，鄰近開采煤層的下位關鍵層的破斷運動對“導氣”裂隙發育的動態過程起控製作用。鄰近層卸壓瓦斯的湧出受控於“導氣”裂隙發育的動態過程。對陽泉五礦15煤綜放麵而言，在初采期，其上鄰近層卸壓瓦斯湧出呈四階段特征。上鄰近層卸壓瓦斯抽放孔(巷)布置應遵循如下原則:抽放孔(巷)沿傾向位置，在初采期應位於采空區中部，而在正常回采期間，應位於“O"形圈內。據此提出了陽泉五礦15煤綜放麵鄰近層卸壓瓦斯走向高抽巷布置的優化方案。
矸石不上井涉及到煤巷維護問題，而且隨著采深的增加，岩石巷的開掘將是不可避免。因此矸石不上井就存在一個矸石井下處理係統，結果成本如何?應該說，在經濟原則下矸石的井下處理是綠色采礦問題。但矸石的井上處理就像地麵複懇一樣是環境治理問題，不屬於綠色開采技術。
煤炭地下氣化是一種整體綠色開采技術。首先是如何使地下煤炭氣化產生的致癌物質苯和酚不擴散與汙染和毒化地下水資源，其次是如何處理燃燒形成的大量二氧化碳對空氣嚴重汙染的問題。否則煤炭地下氣化就失去了綠色開采的意義。
4綠色開采若幹待研究問題
下列問題將是綠色開采有待進一步研究的主要問題:
(1)采動破裂煤岩體中水與瓦斯流動規律研究;
(2)基於岩層移動與關鍵層理論的開采沉陷預測與建築物下采煤的定量 設計方法;
(3)適合煤礦特點的充填采礦材料與工藝係統;
(4)煤礦綠色開采技術的經濟 評價方法與 法規。
[參考文獻]
[1]循環經濟—實現現代化的理想經濟模式.中國現代化進程戰略構想[M].北京:科學出版社，2002 .
[2]錢鳴高，許家林，繆協興.煤礦綠色開采技術[J].中國 礦業大學學報，2003，32( 4) :343-348
[3]錢鳴高，繆協興，許家林，等.岩層控製的關鍵層理論[M].徐州:中國 礦業大學出版社，2000 .
[4]錢鳴高，繆協興.采動底板岩層破斷規律的理論研究[J].岩土工程學報，1995,17(6) :55-62.
[5]黎良傑，錢鳴高，李樹剛.斷層突水機理 03manbetx [J].煤炭學報，1996,21( 2) :119-223.
[6]許家林，錢鳴高.覆岩注漿減沉鑽孔布置的試驗研究[J].中國 礦業大學學報，1998 ,27(3) :276-279 .
[7]許家林，錢鳴高.岩層采動裂隙分布在綠色開采中的應用[J].中國礦業大學學報，2004,33(2) :141-144.
[8]黃盛初，朱超，劉馨，等.中國煤礦煤層氣開發產業化前景[A]煤炭信息研究院.2001年煤礦煤層氣項目投資與技術國際研討會 論文集「c].徐州:中國礦業大學出版社，2001.
[9]Jialin Xu & Minggao Qian .Study and Application of the“Oshaped" Circle Theory for Relieved Nbthane Drainage .Proceedings of the’99 International Symposium on Mining Science and Technology，A.A.BALKEMA,1999:113-116.
[10]許家林，錢鳴高.地麵鑽井抽放上覆遠距離卸壓煤層氣試驗研究[J].中國礦業大學學報，2000,29(1)78-81.
[11]許家林，錢鳴高，金宏偉.基於岩層移動的“煤與煤層氣共采”技術研究[J].煤炭學報，2004,29(2) :129-132.
作者簡介:錢鳴高(1932-)，男，江蘇無錫縣人，中國工程院院士，中國礦業大學教授，博士生導師，從事采礦工程方麵研究。