強(qiáng)岱民

(河南永錦能源有限公司)

·試驗(yàn)研究·

淺析我國煤礦的綠色開采技術(shù)

強(qiáng)岱民

(河南永錦能源有限公司)

綠色開采是煤炭開采的發(fā)展方向，對提高煤炭采出率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。本文分析了綠色開采技術(shù)，總結(jié)了我國煤礦綠色開采方法的發(fā)展現(xiàn)狀，對科學(xué)采礦具有一定的指導(dǎo)意義。

綠色開采；保水開采；煤與瓦斯共采；充填開采；煤炭地下氣化

煤炭開采造成巖層移動破壞，引起巖層中水與瓦斯的流動，導(dǎo)致煤礦瓦斯事故與井下突水事故；煤炭開采引起巖層移動，進(jìn)而造成地表沉陷，導(dǎo)致農(nóng)田、建筑設(shè)施的損壞；煤炭開采形成的大量堆積在地面的矸石，既占用良田，又造成環(huán)境污染；隨著我國礦井開采深度的不斷增加，礦山壓力顯現(xiàn)及沖擊地壓等動力災(zāi)害發(fā)生的頻次增加，強(qiáng)度增大，危及礦井的安全生產(chǎn)。上述問題若得不到有效解決，在未來幾十年內(nèi)，隨著能源總需求和煤炭產(chǎn)量的不斷增長，煤炭資源開采所帶來的礦區(qū)安全和生態(tài)環(huán)境問題將更為嚴(yán)重，人類的生存和社會發(fā)展環(huán)境將受到嚴(yán)重威脅。

根據(jù)我國的能源資源狀況，煤炭作為我國最重要的一次性能源，在未來20 年內(nèi)，其在能源構(gòu)成中的主體地位將不會改變。2020 年我國煤炭消費(fèi)量將達(dá)到40 億 t。屆時(shí)，煤炭產(chǎn)量很可能無法滿足工業(yè)需求。不能再單純地通過提高煤炭的產(chǎn)量緩解煤炭供應(yīng)的壓力，而應(yīng)該綜合考慮發(fā)展煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì)，減少煤炭開采對環(huán)境的破壞，而且也應(yīng)該把“發(fā)展煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開采”作為理念，大力發(fā)展綠色的采煤技術(shù)。

1 煤炭綠色開采體系

煤礦綠色開采以及相應(yīng)的綠色開采技術(shù)，在基本概念上是要從廣義資源的角度上來認(rèn)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(diǎn)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(biāo)是取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。根據(jù)煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，綠色開采主要包括以下內(nèi)容：水資源保護(hù)—“保水開采”；瓦斯抽放—“煤與瓦斯共采”；土地與建筑物保護(hù)—“充填開采”；排放矸石占用土地污染環(huán)境—“煤炭地下氣化”等。

2003 年,中國礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士首次提出了煤礦綠色開采的概念和技術(shù)體系，隨后明確了實(shí)現(xiàn)煤炭資源開采和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的綠色開采研究目標(biāo)，為我國綠色開采技術(shù)的研究指明了方向。錢院士提出的綠色開采技術(shù)體系,見圖1。

圖1 煤炭綠色開采技術(shù)體系示意圖

綠色開采理論依據(jù)：

1) 關(guān)鍵層理論。2) 開采對巖層移動的影響及移動規(guī)律。 3) 水在裂巖體中的滲流規(guī)律。 4) 開采后巖層內(nèi)節(jié)理裂隙分布發(fā)育規(guī)律等。

2 保水開采

保水采煤在不同的礦區(qū)有不同的技術(shù)內(nèi)涵，缺水礦區(qū)要以水資源保護(hù)和利用為主；大水礦區(qū)，要以減少水資源破壞和防治水災(zāi)害為主。因此，保水開采包含水資源保護(hù)、水資源利用(煤水共采)和水災(zāi)害防治等多項(xiàng)重要內(nèi)容。

煤礦開采過程中破壞了地下含水層的原始徑流，大量排出地下水；采空區(qū)上方導(dǎo)水裂隙帶與地下水體貫通，形成大規(guī)模地下水降落漏斗，造成區(qū)域含水層水位下降，直接影響到區(qū)域水文地質(zhì)條件。采動影響穩(wěn)定后產(chǎn)生的地表沉陷往往影響到地表水體(河流、湖泊、井泉等)的原來形態(tài)，造成部分溝泉水量減少甚至干涸；影響當(dāng)?shù)鼐用裾５纳a(chǎn)生活，進(jìn)而影響區(qū)域植被生長，甚至土地沙漠化。我國大部分礦區(qū)處在干旱半干旱地區(qū)，而每年采煤破壞地下水22億 m3，可見保水開采具有重要的意義。

3 煤與瓦斯共采

瓦斯既是礦井有害氣體也是潔凈能源。因此，應(yīng)該使其資源化，其技術(shù)途徑有：

1) 采前抽采：若能在開采前將煤層內(nèi)瓦斯抽出，則是利用瓦斯改善煤礦安全的最好辦法。但由于我國大部分煤體透氣性低，在本層內(nèi)抽采瓦斯有難度。 2) 煤與瓦斯共采：開采后圍巖壓力降低，大量瓦斯在采空區(qū)釋放,有利于瓦斯抽采，因此形成煤與瓦斯共采體系。3) 廢棄礦井抽采瓦斯。鑒于廢棄礦井煤層經(jīng)過采動而充滿瓦斯，因而可以利用采動后巖體內(nèi)裂隙場的分布及鉆孔，將瓦斯抽排管裝在井下、封閉井口后,抽出瓦斯。4) 回風(fēng)井回收瓦斯。5) 煤與瓦斯共采的技術(shù)主要有：留巷鉆孔法、卸壓法等。

4 充填開采

我國多數(shù)煤礦存在建筑物下、水體下、鐵路下壓煤的問題，充填采礦法對解決這類問題具有重要的意義。充填開采法是用充填材料充填采煤工作面采空區(qū)的巖層控制方法。該法可以緩和工作面支承壓力產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)，改善采場和巷道維護(hù)狀況，有效減少地表下沉和變形，提高煤礦采出率，保護(hù)地面建筑物、構(gòu)筑物、生態(tài)環(huán)境和水體。按照充填材料的不同，充填采礦法分矸石充填、水砂充填和膏體充填。

4.1矸石充填

利用井下采空區(qū)處置煤矸石的充填采煤方法，既可以減少煤礦固體廢棄物排放，又可以減輕開采沉陷災(zāi)害、提高礦井資源回收率，是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一。

1) 拋矸機(jī)拋矸充填。將巖巷和半煤巖巷掘進(jìn)矸石用礦車運(yùn)至井下矸石車場，經(jīng)翻車機(jī)卸載后，矸石經(jīng)破碎機(jī)破碎，而后進(jìn)入矸石倉。通過矸石倉下口，膠帶或刮板輸送機(jī)將破碎后的矸石運(yùn)入上下山，而后由膠帶或刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載進(jìn)入采煤工作面回風(fēng)平巷，再由工作面采空區(qū)可伸縮膠帶輸送機(jī)運(yùn)至工作面采空區(qū)拋矸膠帶輸送機(jī)尾部，由拋矸膠帶輸送機(jī)向采空區(qū)拋矸充填。

2) 刮板輸送機(jī)卸矸充填。充填裝備由后端帶懸梁的自移式液壓支架和充填刮板輸送機(jī)組成。在自移式液壓支架后端增加后懸臂等配件，采用可調(diào)高但掛鏈懸掛充填刮板輸送機(jī)溜槽，懸掛是為了增加充填垂直高度。輸送機(jī)中部溜槽按順序連接，并與機(jī)頭和機(jī)尾組成整部刮板輸送機(jī)。每2節(jié)中部溜槽設(shè)置1個(gè)溜矸孔，溜矸孔開在溜槽的中板上。由電機(jī)車牽引矸石礦車至采區(qū)矸石車場，通過翻車機(jī)卸載，矸石經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)進(jìn)入矸石倉。破碎后的矸石經(jīng)上下山輸送機(jī)、平巷輸送機(jī)運(yùn)至液壓支架后的充填刮板輸送機(jī)，在采空區(qū)卸載。

3) 風(fēng)力拋矸充填。風(fēng)力充填材料粒度的直徑不宜大于充填管道的1/2～1/3。并且要求充填材料沉縮率低、不自然、腐蝕性小。矸石經(jīng)充填機(jī)、充填管路充填采空區(qū)。一般采煤機(jī)割兩刀煤充填一次，充填步距1.2～1.6 m，每次充填長度6～9 m，工作面每向前推進(jìn)50～100 m，充填機(jī)前移一次。

機(jī)械矸石充填對充填材料要求不嚴(yán)格，使用設(shè)備也較少，在我國山東礦區(qū)發(fā)展較快，有推廣趨勢。

4.2水砂充填

水砂充填采煤法是利用水力通過管道把充填材料沙粒送入采空區(qū)的充填采煤法。我國早在20世紀(jì)初就開始應(yīng)用水砂充填采煤法，目前水砂充填技術(shù)已經(jīng)十分成熟。

在地面用礦車將采出、破碎及篩分后的成品砂運(yùn)到貯砂倉貯存。在貯砂室，砂與水混合成砂漿，經(jīng)充填管路送至工作面采空區(qū)，并在采空區(qū)脫水，砂子形成充填體，廢水經(jīng)采區(qū)流水上山和流水道流入采區(qū)沉淀池，經(jīng)沉淀后，澄清的水流入水倉，用水泵經(jīng)排水管將水排至地面貯水池，以供循環(huán)利用。水砂充填采煤法充填致密，可減少煤塵危害，能有效地控制地表下沉和變形，但井上下充填系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備及設(shè)施投資大，充填材料昂貴，提高了噸煤成本。

4.3膏體充填

膏體充填技術(shù)是1979 年在德國的格倫德鉛鋅礦首先發(fā)展起來的，由于膏體充填具有料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、充填效率高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)成功以后在金屬礦山得到較快的發(fā)展，在包括中國在內(nèi)的許多國家得到應(yīng)用。為解放村莊壓煤，提高開采上限，提高煤炭資源采出率，延長礦井服務(wù)年限，太平煤礦與中國礦業(yè)大學(xué)合作開展了固體廢物膏體充填不遷村采煤技術(shù)的研究。太平煤礦膏體充填系統(tǒng)是我國煤礦第一個(gè)膏體充填示范工程，2006年5月工業(yè)性試采取得成功。

膏體充填采煤技術(shù)主要由三部分組成，即充填材料、充填設(shè)備與工藝、采動巖層充填控制理論。膏體是由煤矸石、粉煤灰、水砂、水泥等組成，由地面設(shè)備加工而成的類似牙膏的流體，具有十分良好的流動性和可泵性。充填時(shí)，膏體通過巷道中的管路，由充填泵提供動力，輸送到液壓支架后的采空區(qū)。膏體充填技術(shù)的核心是膏體充填材料，膏體充填材料的強(qiáng)度對膏體充填的效果起決定作用。膏體充填后，地表下沉減小。膏體充填開采是綠色開采技術(shù)的重要組成部分，是解決煤礦開采環(huán)境問題的理想途徑，是解決村莊等建筑物下大量壓煤開采問題的迫切需要。

5 煤炭地下氣化

煤炭地下氣化是指將地下煤炭通過熱化學(xué)反應(yīng)在原位把煤炭轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w。可以部分消除煤炭開采對環(huán)境的污染和煤炭燃燒對生態(tài)環(huán)境的不利影響與破壞。

煤炭地下氣化是一種整體綠色開采技術(shù)。它開始于英國1912年，由于熱值低、成本高而未得到發(fā)展。我國于1958 -1960 年曾在16 個(gè)礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，于1962 年停止，1984 年又開始了新的試驗(yàn)，1994年達(dá)到連續(xù)產(chǎn)氣295 d，產(chǎn)氣量為200 m3/h，熱值13. 81～17. 57 MJ /m3，采用的是有井式、長通道、大斷面的煤炭地下氣化方法。2005 年中國礦業(yè)大學(xué)與重慶中梁山礦業(yè)集團(tuán)合作實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水煤氣和混合煤氣。但是，地下煤炭氣化燃燒產(chǎn)生的苯和酚是致癌物質(zhì)，有可能毒化水資源；燃燒形成的大量二氧化碳對空氣也是嚴(yán)重的污染。目前我國的地下氣化技術(shù)仍處于工業(yè)試驗(yàn)階段，有很多問題需要去研究和探索。

6 結(jié) 語

資源與環(huán)境協(xié)調(diào)的綠色開采是解決煤炭開采環(huán)境問題的根本出路。要實(shí)現(xiàn)綠色開采，需要綜合研究和解決經(jīng)濟(jì)與技術(shù)等方面的問題。綠色采礦可以減少環(huán)境污染，還能帶來良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。綠色采礦是形成綠色礦業(yè)及礦區(qū)綠色家園的重要組成部分，相信隨著綠色開采的不斷發(fā)展和完善，煤礦綠色開采一定會發(fā)揮它應(yīng)有的作用，為人類與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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DiscussiononGreenMininginChina

QiangDai-min

Green mining is our direction of development of coal mining, it has great significance in improving the rate of coal mining, protecting the ecological environment and realize sustainable development of coal mines, scientific development. This paper analyzes the green mining technology, and summarizes development status of green coal mining method in our country, and has a certain significance for guidoing scientific mining.

Green mining; Water preserved mining; Simultaneous extraction of coal and gas; Backfilling; Underground coal gasification

強(qiáng)岱民 男 1966年出生 1988年畢業(yè)于河南理工大學(xué) 工程師 禹州 461670

TD821

A

1672-0652(2010)07-0039-03

2010-05-04