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浅谈煤矿绿色开采技术


摘要:深入分析了我国煤炭开采的现存问题,总结阐述了绿色开采的技术体 系构成,调查研究了相关保障技术的研究现状和发展趋势,论证了以关键层理论 为基础绿色开采是煤炭工业可持续发展的必然趋势。 关键词:绿色开采;关键层理论;保水开采;充填开采;煤炭气化





一、我国煤矿开采存在的问题 · · · · · · · ·

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 (一)安全问题· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 (二)环境问题· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 二、绿色开采理论体系与总体框架 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 三、主要技术现状· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 四、结语 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 参考文献 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5

浅谈煤矿绿色开采技术
2009 年 12 月 7~18 日,世界各国领导人齐聚丹麦首都哥本哈根,协商如何 共同遏制全球变暖,如何保护我们赖以生存的空气、水、土地和食物。然而会议 没有达成全球亟需的气候保护协议,以不具法律约束力的《哥本哈根协议》草草 收场,加剧了人们对全球气候恶化的担忧。如何应对全球气候变化,是每一个国 家、每一个行业都有责任、有义务深入研究和思考的问题。 中国作为世界上主要的发展中国家, 近些年在温室气体减排方面做了很多卓 有成效的工作,全国各行业积极倡导和实施可持续发展、和谐发展观及循环经济 等技术理念。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[1-2],为煤炭行业的发展指明了方向。 一、我国煤矿开采存在的问题 我国“富煤、贫油、少气”的能源赋存状况决定了能源消费必须以煤为主, 一次能源消费中有 70%~75%来源于煤炭, 煤炭行业的健康发展关系到国民经济 可持续发展的全局。多年煤炭开采带来一系列环境和安全问题,屡屡为人诟病。 (一)安全问题 2009 年 12 月 21 日,黑龙江龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿发生特别重大瓦斯爆 炸事故, 再次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。从 2006 年起,国家加大对煤矿安全投 入和治理,煤矿安全的总体形势是好转的,在产量增加的同时,死亡人数逐年下 降,多年来煤炭产量以近 2 亿 t/a 的速度递增,而百万吨死亡率逐步下降。如何 推动煤炭安全形势的进一步好转,实现以人为本与本质安全型的和谐矿区,是煤 炭行业亟待解决的问题。 (二)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

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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。大量的农田因塌陷、盐渍化和水 土流失无法耕种。矿井开采过程中的大气降水、地表水、地下水及生产用水涌入 井下而成为矿井水,目前矿山的年排水量约为 22 亿 m3。以山西省为例[1],采 煤破坏地下水达 4.2 亿 m3/a,导致井水水位下降或干涸共计 3 218 个,影响水利 工程 433 处、水库 40 座及输水管道 793.89 km,造成 1 678 个村庄,81.271 5 万 人以及 10.824 1 万头牲畜饮水困难。 《山西省煤炭开采对水资源的破坏影响及评 价》显示,该省因采煤漏水和矿井水排放等造成的经济损失累计达 300 多亿元。 我国现有煤矸石山 1 500 余座, 历年堆积量达 30 亿 t, 占地超过 5 000 hm2, 在大气降水淋溶时还会进一步污染周围水体、农田和地下水。目前有自燃现象的 矸石山约 140 多座,自燃过程中产生大量的硫化物等有毒有害气体,成为大气污 染源。 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。据初步估计[2],我国 2 000 m 以浅范围内具有 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。建国以来,我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故 1 500 余次,2001 年由于瓦斯事 故的死亡人数占煤矿总死亡人数的 40%。煤矿每年排放瓦斯 70~190 亿 m3。 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[1]。 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

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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[3-5]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、主要技术现状 近 40 年来,我国共发生矿井突水事故 2 000 余次,直接经济损失高达 40 多亿元。 据统计, 我国国有煤矿中半数具有突水危险性, 且突水危险越来越严重。 同时,山西、陕西和内蒙古等缺水地区也急需解决煤炭保水开采的问题。关键层 理论认为[1],煤炭采出后,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,取决于随着工作面的推进,上覆岩层中是否含有软弱 岩层(事实上它是研究地下水渗漏的“关键层”),及其能否经重新压实导致裂隙 闭合而形成隔水带。这说明从技术上把握了关键层的破断规律,可以有条件开采 受水患威胁的优质煤炭资源。 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。 充填开采技术在我国的应用源于抚顺地区建筑物下开采,最早采用的是水 砂充填。水砂充填工序复杂,难以实现大规模生产,减沉效果有限,从 20 世纪

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80 年代起,在井工煤炭开采中逐步淘汰。可喜的是,近期以中国矿业大学缪协 兴教授、周华强教授和冯光明教授领导的课题组,相继提出了矸石充填、膏体充 填和超高水充填理论体系,就各充填工艺的实施开展了卓有成效的科研工作,并 取得了工业化试验成功,在一定程度上解决了煤矸石堆存和“三下”压煤问题。 同期基于关键层理论指导下的上覆岩层离层注浆减沉技术也逐步开展。 矸石充填 在冀中能源邢东矿、邢台矿、云驾岭矿和梧桐庄矿相继开展,在山东新矿集团翟 镇矿、华丰矿以及皖北煤电集团五沟煤矿推广开来。膏体充填技术最早在山东济 宁的太平矿取得成功,后推广至冀中能源的小屯矿与邢台矿、河南煤业化工集团 焦煤公司鑫珠春矿、淄博矿业集团岱庄矿和枣煤矿集团拐蒋村矿。超高水充填技 术最先在冀中能源邯矿集团陶一矿取得工业化成功。上述充填技术的快速发展, 说明煤矿绿色开采技术越来越深入人心, 但现有充填技术的推广主要解决了冀中 和山东等煤价较高地区“三下”压煤问题,推广面有待扩展,技术上有待进一步 完善。 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。 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,深受世界各国重视[6]。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

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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。 四、结语 煤矿绿色开采是我国煤矿发展的必然方向,是和谐矿区建设的重要指导, 有着以关键层理论为基础的实施依据, 框架体系内主要技术的发展将为我国煤炭 开采中实现安全高效、 经济环保提供重要保障, 达到煤炭行业 “低开采、 高利用、 低排放”的可持续发展目标。

参考文献: [1] 钱鸣高.绿色开采的概念与技术体系[J].煤炭科技,2003(4):1-3. [2] 钱鸣高, 许家林, 缪协兴. 煤矿绿色开采技术的研究与实践[J]. 能源技术与管理, 2004(1):1-4. [3] 许家林, 钱鸣高. 岩层控制关键层理论的应用研究与实践[J]. 中国矿业, 2001(6): 54-56. [4] 许家林,连国明,朱卫兵,等.深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响[J].煤炭 学报,2007(7):686-690. [5] 许家林,朱卫兵,王晓振,等.浅埋煤层覆岩关键层结构分类研究[J].煤炭学报, 2009(7):865-870. [6] 马 驰, 余 力, 梁 杰.中国煤炭地下气化技术的发展[J].中国能源, 2003(2): 11-15.

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