浅谈煤矿的“绿色开采”

【摘要】煤炭是一次性能源，根据有关资料显示，2020年我国的煤炭消费量将会增至五十亿吨以上，届时煤炭的生产将无法满足社会需求，过度并且漫无目的开采不但会对生态环境造成极大的破坏，而且会给后续煤炭资源的开发和利用带来一定的困难。正是在这个过程中，2003年钱鸣高院士提出了“绿色开采”的理念，为煤炭行业的发展指明了方向。

【关键词】煤矿 绿色开采

一、我国煤矿开采存在的问题

安全问题。近年来煤矿事故频发，特别重大瓦斯爆炸事故，引发公众对煤矿安全，特别是群死群伤公众事件的关注和深层思考。煤矿事故频发的原因何在，如何从根本上杜绝大型和特大型伤亡事故，不断拷问着各级监管、经营和科研服务单位。我国煤炭安全事故频发有着诸如井工开采量大、小煤矿安全装备和生产工艺落后、行业多年安全欠账严重、科技投入不足以及技术与管理人才流失严重等客观原因。

环境问题。主要包括由于地下采掘引起的地面塌陷、水土流失、沙漠化、采煤废水排放以及煤矸石露天堆放污染等。我国煤炭开采主要采用冒落法管理采空区顶板，造成地面沉降和陷落，因而引发村镇、铁路、桥梁和地面管线设施破坏。矿井瓦斯主要是矿井中由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。它既是煤矿重大安全事故的祸根，又是一种严重的温室效应气体。研究显示，甲烷造成的温室效应在全球气候变暖中所占份额为15%，仅次于二氧化碳。等量甲烷造成的温室效应是二氧化碳的21倍。我国2000m浅范围以内具有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差，难以在开采前抽出。

二、绿色开采理论体系与总体框架

绿色开采理念是在科学采矿三原则（安全、环保和经济）的指导下提出的，强调在现有采煤理论、方法和技术的基础上，发展与创新采矿科学技术，从广义资源的角度上认识和对待煤、瓦斯和水等一切可以利用的各种资源。其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，以期取得最佳的经济效益和社会效益。

煤矿开采引发的环境与安全问题无不源于采矿活动造成的岩层运动，进而引起周围岩体的应力场、节理裂隙场和瓦斯运移场等相关物理场的变化，因此，研究绿色开采技术必须以科学先进的岩层控制理论为基础，钱鸣高、缪协兴及许家林等人提出的关键层理论，为科学采矿的实施提供了理论基础。

在科学采矿的总体框架体系内，主要包括保水开采、煤与瓦斯共采、充填与条带开采和离层注浆减沉、煤巷支护和部分矸石井下处理以及煤炭地下气化等五大技术方向。

三、煤矿绿色开采技术

（1）对采空区进行充填技术。充填技术主要包括开采系统与充填系统的合理协调、充填运输系统的通畅及充填使用材料在填充完毕的处理技术等，如果可将上述问题解决将直接改变在发达地区的煤矿开采难题。为了达到降低成本的目的，目前使用的充填技术主要为，按照岩层控制理论，仅仅进行部分充填（条形充填），即仅对一些关键部位进行充填，且保证充填带的长久稳定，那么也可有效控制地表的沉陷。对采空区进行充填技术是煤矿绿色开采技术进行运用的重点技术之一，特别是在一些经济较为发达的地区进行开采之后，必须要重视对采空区的充填。充填采矿是解决煤矿开采后续问题的一项有效途径，但是因为现有的充填采矿成本相对不理想，使得该项技术在运用方面被限制。在市场经济下，制约充填技术发展的根本是充填材料的选择及怎样减少充填成本，另外就是充填技术本身存在着一定的缺陷。

（2）煤矿开采地下水的处理。在煤层开采过程中，如果关键层面被破断，在关键层内的地下水层将形成下降漏斗，而且它是否可以恢复，则取决于开采工作的进行。上表岩层是否存在软弱岩层，经过再次压实之后引起裂隙闭合进而出现隔水带，如果存在隔水带，则随着地表水的再次补给，下降漏斗会不断减小，最终消失。它对地面的影响与下降漏斗的出现大小及消失时间密切相关，致富露天煤矿地处我国内蒙古准格尔旗，该地区气候干燥、冬寒夏热、多风少雨，因此如果出现地下漏斗，那么仅仅依靠雨水进行补给是将会很困难。为了实现绿色开采的目的，就必须贯彻实行地下保水开采技术，即开采过后的地下水结构在很短时间内仍可恢复至原来状态，因开采出现的地下漏斗会迅速恢复，最终实现绿色开采。最后在开采结束之后还需要对周边地下水位进行调研同时要对矿区周边的各种生物诸如草、本等进行管理，看是否对它们造成了极大的影响，如果存在一定的影响，应该采取合理的措施予以保护。

（3）建筑物地底下采煤与减沉技术。在关键理论支持下的建筑物地底下采煤技术的设计原则是在岩层控制理论的指导下提出的，同时在采煤设计的过程中还可以将不破坏关键层作为开采的主要设计原理。在建筑物下采煤的过程中为取得较大的经济效益同时预防建筑物受到损害，需要在掌握具体建筑物低下结构和关键结构层的特征参数并对它们进行控制，并要使用减沉开采技术中的各项数据进行设计；在设计过程中可以根据关键层的位置对注浆减沉技术进行确定，对离层和破断特征参数合理的掌握，同时需要对注浆减沉技术的各种适应能力进行不断的分析和调整。

（4）瓦斯和煤的共同采集。在现阶段，我国煤矿煤层的开采过程中出现了变质高、渗透率低及气体的饱和度较小的特点，同时大多数的煤层渗透率在1以下，这样在共同采集煤层和瓦斯的过程中给瓦斯的开采带来了一定的影响。正是这个原因使得我国已经开钻的很多口井中较少能够出现稳产和高产井。根据相关经验证明，煤层的开采会给岩层的移动带来一定的影响，在渗透率较低的情况下，渗漏系数也会成倍至几十倍的增加，这就为瓦斯的移动和抽取创造了一定的条件。所以将瓦斯和煤层进行同时开采，不仅能够在一定程度上保证矿井的安全，还能够采集较为干净的能源。所以通过利用岩层的特点开采煤层气将是我国煤层开发的重要途径之一。

（5）地下煤炭气化技术。地下煤炭气化技术是现代重要的一种绿色开采技术。它的使用原理是在地底下进行热化学反应即在原来的位置将煤炭转移为可燃气体的先进技术，这能够在一定程度上改善传统的采煤方式。并能够改善井下工程的数量同时还可以减少艰苦作业的程度，除此之外，还能减轻煤炭开采过程中对环境的污染和破坏。经过10多余年的发展，煤炭地下气化技术有了一定的发展并积累了相关经验，为我国以后煤炭先进技术的发展奠定了一定的基础。在地下气化技术的发展方向，今后应解决的问题主要有：热值的提高和将生产的气体变成适合于用户使用的气体；科学化、规划化和标准化的行之有效的测控系统的建立，同时需将重点放在燃烧值和速度的控制技术上；对燃烧处理后的气化炉体结构和地面的沉降情况进行研究；对在地下煤炭气化技术生产过程中的致癌物质进行处理使其不对地下水源等产生污染，同时对在燃烧过程中对产生的二氧化碳进行处理，减少对空气的污染。