我国煤矿绿色开采技术分析研究

[摘要]随着我国煤矿开采带来的资源短缺和环境污染等众多问题，矿山的绿色开采已经成为了煤矿未来发展的趋势。本文结合我国煤矿开采现存的问题，引出了煤矿绿色开采体系，同时详细介绍了几种绿色开采技术，对技术的概念、研究以及应用进行了阐述，对实现煤炭资源的可持续发展具有一定的指导意义。

[关键词]绿色开采体系 保水开采；煤与瓦斯共采 煤炭地下气化

[中图分类号] TD82 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-12-67-2

1我国煤矿开采现存的问题

随着经济的高速发展以及煤矿开采程度的不断加深，我国大部分矿区出现了资源的枯竭和环境的严重破坏，这不但对地表、水体、大气造成了污染，而且还给人们的生产生活造成了极大的威胁。煤矿开采造成的主要问题有：

（1）地表的沉陷。煤矿在开采过程中如果不注意保护煤柱的留设，那么随着煤炭的不断挖掘，上覆岩层移动变形会逐渐加大，地表将会沉陷，造成地面水体、建筑物等的破坏。

（2）大气遭到破坏。作为与煤共生的产物，排到大气中的瓦斯将会造成严重的大气污染，另外，煤矸石在一定条件下会自燃，形成的SO2和CO等有毒有害气体还会威胁人们的身体健康。

（3）形成矸石山。煤矿在开采过程中矸石外运，将大量的煤矸石堆积在地面，从而形成了矸石山，造成植被的破坏和土地的沙漠化。做为以煤炭为主要能源的国家，我国社会经济发展对煤炭资源的依赖性越来越强，但是我国煤矿传统“高消费、高排放、低效率”的特点在许多矿区依然存在，煤矿开采之所以会出现上面的种种问题，就是由开采技术不合理、管理体制不严格、环保意识不强烈，可持续发展意识薄弱等原因造成的。因此，在煤炭开采带来的这些诸多弊端的影响下，煤矿开采与经济发展、环境保护之间的矛盾亟待解决，随着90年代可持续发展理念的提出，实现煤炭的绿色开采体系是煤矿必须要走的道路。

2煤炭绿色开采技术体系

煤矿绿色开采技术体系的本质就是和谐处理煤矿开采和环境保护之间的关系，一方面是要在尽可能保证环境不受污染的前提下利用合理的技术开采煤炭资源，取得经济的快速发展；另一方面还要综合利用煤炭开采过程中的其他资源，像瓦斯、水、煤矸石等。该体系创立的核心是开采技术的研发和完善，针对上述煤炭开采造成的种种环境问题，我国学者钱鸣高以岩层控制关键层理论、水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律、岩体在开采过程中的应力场分布等为理论依托，提出了相应的绿色开采技术[1]，具体包括：

（1）充填开采技术――针对地表沉陷，留设煤柱是目前广用的手段，但留设煤柱不利于煤炭资源的综合利用，因此，充填开采技术有极大的优势。

（2）煤与瓦斯共采技术――针对大气污染，减少瓦斯排放的途径就是利用瓦斯资源。

（3）减少矸石排放技术――针对矸石山造成的地表破坏，一方面是要减少井下的矸石外运，以煤巷代替岩巷，加强煤巷的支护技术，另一方面是对矸石山进行复垦绿化，或者改性加工成建筑材料或充填材料。

（4）煤炭地下气化技术――该技术通过减少巷道的开挖来减缓岩层移动造成的矿山压力显现，从而避免一切环境破坏的产生。

3煤炭绿色开采技术的主要内容

下面将对上述的几种煤炭绿色开采技术的概念、研究以及应用进行具体的说明。

3.1充填开采

3.1.1技术概念

充填开采主要是利用一些价值比较低的材料或者废弃物，像煤矸石、粉煤灰等，经过加工处理，然后注入采空区，对上覆岩层进行控制，最终控制地表的移动变形的技术，其能有效的保护地表环境，是煤矿绿色开采体系很重要的部分。

3.1.2技术研究

充填开采是控制岩层采动破坏、防止地表下沉塌陷的最佳途径。其主要有关键层离层充填和采空区充填两种。

关键层离层充填依据的是“关键层”理论，其认为，在采动影响下，关键层的离层断裂会直接影响到地面，造成地表塌陷，因此，对关键层进行处理，会有效的控制地表的下沉，“关键层”理论表明关键层在断裂之前，会先出现离层，随着离层距离的增大，关键层最终会发生破裂，所以，在关键层破裂之前，对其离层进行注浆，会防止其发生破裂，从而阻止了地表的沉陷。但是该方法的缺点是关键层的位置和最佳的注浆时机不好把握。

采空区充填是目前普遍认为的“充填开采技术”，而且其对地表下沉的控制效果好，因此，加强对采空区充填技术的研究将是绿色开采技术的重点。

采空区充填技术的主要内容是充填材料和设备的研制以及充填技术的改进。充填材料的研制主要围绕加工改造废弃物和减低充填成本展开。目前比较主流的材料有矸石充填、水砂充填、膏体材料充填和高水材料充填。充填材料的成本，以及它的稳定性、强度和流动性将是判别充填材料能否应用的依据。充填设备的用途主要是能有效的把充填材料运送到采空区，有充填泵和充填液压支架等。

开采系统和充填系统的配套协调也是充填采煤技术必须要解决的问题。

3.1.3“充填开采”技术应用

充填采煤技术在冀中能源集团邢台矿已经应用了很长时间，效果很好，该矿井将井下磨碎的煤矸石和电厂粉煤灰通过一定的比例混合搅拌，然后通过螺旋给料机运到充填钻孔，然后依靠自重落到井底，接着由皮带输送机运送到采空区进行充填，经过这一系列的操作，很好的控制了地表的下沉。

3.2煤与瓦斯共采

3.2.1技术概念

对于瓦斯，人们普遍认为它是矿井有害气体，会造成大气污染，而且达到一定浓度时会引发瓦斯爆炸，但是，它也是能源燃料，在煤层中储量很丰富。因此，瓦斯的安全高效抽采是治理瓦斯最有效的措施。

瓦斯抽采就是把煤层或采空区的瓦斯通过抽采钻孔采出地面的技术，

3.2.2瓦斯抽采分类

瓦斯抽采根据其抽采位置的不同可以分为：本煤层抽采、邻近层抽采和采空区抽采。

本煤层抽采：主要是回采和掘进工作面瓦斯的抽采，可以在巷道两侧打抽放钻孔进行抽采。

邻近层抽采：邻近层的抽采对本煤层有着保护作用，因为工作面在回采过程中将引起上覆或底板岩层的破裂，邻近层的瓦斯会通过生成的大量裂隙涌入到本煤层中来，从而造成瓦斯突出，因此，预先抽放邻近层的瓦斯是安全开采的保证。

采空区抽采：采空区的瓦斯含量也是很大的，通过地面钻孔或专门布置瓦斯抽采巷都能够对采空区瓦斯进行抽采。

3.2.3技术研究

煤层的渗透率影响着瓦斯的抽采率，由于我国煤层普遍属于低渗透性煤层，瓦斯不易抽采，所以，煤层渗透性的提高成为了改进瓦斯抽采技术的关键，我国学者针对这一点展开过大量的研究，像太原理工大学赵阳升教授经过二十多年的研究，研发出了水力割缝强化煤层渗透性，提高瓦斯抽采效率的成套技术与装备，并获得了工业试验的成功；还有的学者经过大量的研究表明，采动过程中岩层的移动会增大煤层渗透性，尤其是“关键层”的断裂移动会对邻近层的瓦斯涌出起着决定性影响，这为瓦斯的运移和抽采创造了有利的条件。除了增大渗透率，抽采钻孔的合理布置方式也是一项关键技术，我国学者提出了底板穿层钻孔隔缝网络化增透技术，优化了钻孔的布置方式，对瓦斯的高效开采起到了重要的作用。

除此之外，钻孔的密封性也是影响因素。经过大量的工业试验表明，大多数抽采钻孔存在密封性不佳的缺点，而这导致大量的瓦斯在抽采过程中泄露，所以封孔质量好、空口严密，才能使瓦斯抽采达到规定的指标。

3.2.4“煤与瓦斯“共采技术应用

瓦斯抽采技术在我国应用比较早，许多矿区都已经取得了可喜的成果，而且已经作为了其产业链中重要的一部分，像阳煤集团，晋煤集团、潞安集团等，已经在瓦斯抽采利用上走在了我国煤矿企业的前列。

3.3减少矸石排放

开采过程中矸石的外排会造成矸石的大量堆积，从而造成土地的沙漠化，所以减少矸石的产生是解决此问题的最基本方法。《煤炭安全规程》规定过，布置井下巷道时，要遵循“多掘煤巷，少掘岩巷“的原则，多掘煤巷既能够就能够从源头上解决矸石的产生，又能够增加煤炭的采出率；矸石的井下处理也能够解决矸石外排的问题，通过建立井下矸石处理系统，把开采过程中采出的矸石集中破碎加工，处理后的矸石可以用作采空区充填材料、钢轨的铺垫、巷道壁帮充填或者混凝土砌碹。

3.4煤炭地下气化

煤炭地下气化是未来煤矿发展的方向，基本流程就是从地表沿煤层相隔一定距离开挖两条斜井到达煤层，然后把这两条斜井通过煤层中的一条水平井连接起来，接着将煤层就地燃烧原位转化成煤气，最后排出地面的一种化学采煤方法。该方法对环境的污染较小，既不会造成地表沉陷，也不会产生矸石，而且受地质条件约束小，可以对薄煤层、深部煤层、遗留的煤柱或难采的边角煤等进行开采。煤炭地下气化技术虽然经过了很长时间的研究和实践，但是目前只在少数矿区进行了工业试验，还不能形成大规模的工业生产，其中还有好多问题需要解决，像如何防止地下燃烧生成的有毒有害气体不对地下水产生污染，如何控制燃烧速率等等。

4结语

随着煤矿开采的加重，环境污染逐年加深，资源开采成本不断加剧，在可持续发展理念的引导下，实施煤矿的绿色开采已经成为了时代的需要，目前虽然已有很多绿色开采技术，并且都取得了很好的效果，但是绿色开采是一项长期的目标，现存的好多技术仍然存在缺陷。

参考文献

[1]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）：343～347.

[2]黄庆享，张文忠，侯志成.固液耦合试验隔水层相似材料的研究.岩石力学与工程学报，2010.5.

[3]缪协兴， 陈荣华， 白海波.保水开采隔水关键层的基本概念及力学分析.煤炭学报，2007.6.

[4]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，2003.4.