淺談煤炭綠色開采技術的方法及原理

劉宇博，趙柏竣，劉一博

淺談煤炭綠色開采技術的方法及原理

劉宇博，趙柏竣，劉一博

(中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221008)

“綠色開采”是以遵循循環經濟綠色工業為基礎，形成開采與環境相協調，以實現“低開采、高效率、低排放”的采煤技術。煤炭開采對環境污染嚴重，實施綠色開采是煤礦實現可持續發展的必經之路。本文對綠色開采中煤與瓦斯共采技術、充填開采技術和保水開采技術的原理及方法進行了闡述。

綠色開采技術;煤與瓦斯共采技術;充填開采技術;保水開采技術;原理;方法

我國煤炭資源儲量豐富且分布廣泛，是我國經濟發展中可靠的能源保障，而我國龐大的煤炭需求量和開采量也引起了諸多環境問題，如開采沉陷破壞土地與建筑物、水資源破壞、大氣污染及煤矸石露天排放污染環境等。通過對開采工藝的改進，可減小煤礦開采對環境的污染，有利于煤炭開采的可持續發展及環境保護。

1 綠色開采的重要意義與技術框架

煤炭開采在為社會建設提供能源的同時，對環境也造成了巨大的破壞。據統計，2000年全國煤礦廢水及污水總排放量達到2.75億t;全國已有開采沉陷地0.45 Mhm2以上，山西省地面塌陷破壞面積達7萬hm2多，其中40%為耕地;全國矸石堆放量達30億t以上，占地面積約2.6萬hm2;煤礦向大氣中排放大量的有毒有害氣體，如 CH4、CO、CO2、SO、SO2、H2S等，我國煤礦每年排入大氣中的CH4約100億m3，排放粉塵約40萬t，不僅對礦區造成了嚴重的環境污染，而且引發塵肺病患者多達幾十萬人。

綠色開采通過對開采方法的改進，能夠改善能源結構、節約能源以及實現環境保護與能源發展同步進行，是實現我國煤炭科學開采的必經之路，符合科學采礦三原則要求，即經濟原則、環保原則、安全原則;同時符合我國煤炭循環經濟對發展提出的要求，滿足“3R”原則，即減量化原則(Reducing)、再利用原則(Reusing)、資源化原則(Recycling)。

綠色開采是一個龐大的系統，目前，綠色開采在技術上主要體現在煤與瓦斯共采、保水開采與矸石充填采煤三個方面，綠色開采技術框架見圖1［1］。

圖1 綠色開采技術框架

2 煤與瓦斯共采技術

煤與瓦斯共采是將煤炭以及賦存于煤層中的瓦斯同時作為礦井的資源進行開采，實現煤炭與瓦斯共同開采的一種技術。煤與瓦斯共采技術能有效減少溫室氣體的排放，促進高效清潔能源的利用。

2.1 我國煤礦瓦斯儲量及特點

我國是世界上煤層瓦斯儲量巨大的國家之一，居世界第三，煤層氣資源幾乎與陸上天然氣資源儲量相當，主要分布于華北和西北地區，我國煤層瓦斯的賦存特征是“兩高三低”：

1)煤層瓦斯儲存量高。

2)煤層吸附瓦斯能力高。

3)煤層在水力壓裂等強化措施下形成常規破裂裂隙所占比例低。

4)煤層瓦斯儲層滲透系數低。

5)煤層瓦斯壓力較低。

2.2 煤層瓦斯的賦存狀態

瓦斯在煤層中的賦存狀態有兩種，即游離狀態和吸附狀態，煤層瓦斯含量為兩者含量之和。游離態的瓦斯一般以自由氣體狀態賦存于煤層孔隙及裂隙之間;吸附態的瓦斯是以固體分子狀態賦存于煤體結構的表面或內部。實驗表明，煤層中游離態瓦斯含量約為10% ～20%，吸附態瓦斯含量約為80% ～90%。另外，瓦斯量的大小往往取決于煤層瓦斯的壓力和溫度等條件，瓦斯量與壓力和溫度的關系見圖2，圖3［2］。

2.3 采動對瓦斯造成的影響

在煤層開采前，吸附態瓦斯與游離態瓦斯處于相互不斷交換的動平衡狀態，而由煤層、圍巖及瓦斯組成的系統也處于平衡狀態。由開采引起的原始煤體及巖體中的應力變化會直接影響瓦斯的賦存狀態和瓦斯的運移：一方面，采動引起的周圍巖體變形會改變煤巖的孔隙率和滲透系數等力學參數;另一方面，采動引起的煤巖體移動會改變原巖應力場，形成卸壓帶和應力集中帶，從而影響瓦斯的運移。在礦井開采過程中，老頂初次來壓及頂板周期來壓前后，煤巖體的孔隙率及透氣情況均會發生較大變化，對瓦斯的流動產生顯著的影響。

2.4 煤與瓦斯共采技術原理

煤層開采后在本煤層形成卸壓帶和應力集中帶，在卸壓帶內，瓦斯壓力減小，與工作面后方煤層瓦斯形成壓力差，并形成不斷變化的壓力梯度，從而引起瓦斯的運移;同時，采動引起了煤體的變形和破壞，提高了煤體瓦斯運移的透氣性，又為瓦斯的運移提供了通道。另外，本煤層的巖體移動同時引起本煤層上、下一定范圍內覆巖應力場的變化，從而導致上、下鄰近煤層瓦斯的卸壓，引起本煤層覆巖導氣裂隙帶產生，提高了瓦斯運移的透氣性，為瓦斯運移和持續解吸提供了條件，也為瓦斯大量抽采提供了條件。

基于不同區域內瓦斯的各項指標和參數均有差異，應當采用不同方法合理高效地實現瓦斯抽采。

2.5 煤與瓦斯共采技術方法

煤與瓦斯共采技術分為以下三個階段：

階段一：先采瓦斯再采煤，煤層開采前預抽一部分瓦斯，既降低了煤層中瓦斯含量，提高了開采的安全性，又使得工作面單產效率大大提高。

階段二：煤與瓦斯共采，在采煤的同時利用礦山壓力顯現規律，在有利條件下進行瓦斯抽采。

階段三：采完煤后再抽采瓦斯，即在回采工作結束后，對采空區的瓦斯進行抽采。

根據以上三個階段，將煤與瓦斯共采技術劃分為采前瓦斯抽采技術、采動卸壓瓦斯抽采技術及老采空區瓦斯抽采技術，這三種技術共同組成煤與瓦斯共采的瓦斯抽采技術體系。

3 充填開采技術

充填開采技術是利用矸石、砂子、碎石等外來材料充填采空區，從而控制地表沉陷及巖層的移動，充填開采同時具有減少地表沉陷、處理廢棄物和提高資源回收利用率等優點，但由于煤礦充填開采的特殊性，充填開采在煤礦并未得到廣泛應用。充填開采按照充填位置、充填量、充填動力及充填材料可分為不同種類，見圖4。

3.1 充填開采的巖層移動與破壞特點

1)采空區充填可以減少由采動影響所造成的頂、底板破壞。實際開采過程表明，采用采空區充填時，頂、底板的破壞程度均遠小于全部垮落法，導水裂隙帶高度小于全部垮落法的15%，有的甚至不明顯。

2)采空區充填可以減少地表移動及破壞。地表移動及破壞一般與開采厚度有直接關系，充填采空區相當于減小了開采的厚度，故可減小地表移動和破壞。

圖4 充填開采方法分類

3)采空區充填能夠有效緩解采煤引起的礦山壓力顯現。采空區充填通過改變煤體及圍巖的受力狀態，有效分散采動影響壓力以及減少應力集中，采空區充填還能夠有效抵制頂板下沉和底板鼓起。

3.2 影響充填開采地表沉陷的因素

1)充填率。

充填率用以表示充填物體積與采出煤體積之比，其定義式為：R=V/V0式中：

V0—充填材料體積;

V—采出煤的體積。

相同條件下，較大的充填率能夠更好地控制地表沉陷，應當指出的是，由于充填材料體積不可能完全充填采空區，因此，充填率不可能達到1。

2)充填體壓縮率。

充填體壓縮率一般是對充填體進行室內壓縮實驗得到的，指在完全側限條件下，在垂直壓力作用下最大下沉量與充填體高度之比其定義式為：S=L/L0式中：

L—充填體最大壓縮下沉量;

L0—充填體壓縮前高度。

另外，不同充填體的充填體壓縮率可能相差較大，例如波蘭上西里西亞礦區在使用河砂充填的情況下，地表正常系數一般小于0.1，但在同樣條件下使用矸石充填，地表正常系數一般可達0.25～0.5。

3)超前下沉。

超前下沉是指在充填前頂板和地表向采空區的下沉量。由于煤層的開采而導致的煤巖體內應力集中及工作面前方超前支承壓力使工作面前方頂板和上覆巖層產生壓縮變形，即使充填開采也不可能完全阻止變形，即該下沉變形量是不可控的，超前下沉最終會隨著工作面的向前推移而反映在地表沉陷上。

3.3 水砂充填開采方法

水砂充填開采方法是利用水力和管道將砂粒作為充填材料送入采空區的充填采煤法。

經過采出、破碎及篩分后的成品砂由礦車運至貯砂室貯存;砂與水在注砂室混合成砂漿，經充填管路送至采空區，在采空區脫水以后，形成充填體，廢水經采區流水上山和流水管道流入采區沉淀池，在采區沉淀池進行沉淀并形成澄清的水，而后注入水倉，再用水泵經排水管將水抽至地面貯水池，由此循環使用。沉淀池內的淤泥用排泥罐排到礦車內，并提升至地面除泥。

我國水砂充填采煤法除少數工作面采用普采工藝外，大多采用炮采工藝。采煤工作面破煤、裝煤、運煤、支護等工序與垮落法相同，由于采用充填法進行頂板管理，采場礦壓顯現不明顯，因此，工作面控距可適當加大且支護密度可相應地減小，但是生產過程中增加了充填和處理污水等工序。

3.4 膏體充填開采方法

膏體充填開采方法是把煤礦附近的河砂、粉煤灰、煤矸石、工業爐渣、劣質土、風積沙等在地面加工成牙膏狀漿體，利用重力加壓或充填泵，通過管道輸送到地下進行采空區的充填。普采工作面膏體充填工作面布置見圖 5［3］。

圖5 普采工作面膏體充填工作面布置

膏體充填工作面正常充填流程如下：

1)檢查準備，確保設備完好，系統正常。

2)實施“漿推水”。先利用清管器將清洗球裝入充填管道，開動充填泵，使清洗球后面是漿體，前面是清水，即“漿推水”。清水最終排到采區巷道排水溝內。待清洗球出管后，將充填漿料充入待充填空間。

3)輪流充填。待充填管路清水排盡后，將充填料按一定時間間隔輪流充填至待充填空間，間隔時間應根據待充填空間內漿體充填程度及膏體料漿可泵時間確定。

4)實施“水推漿”。充填量達到設計充填量后，裝入清洗球，切換到備用泵管路并停止充填泵，實施“水推漿”。管路沖洗干凈后切換轉向閥至截止狀態，并使管路內充滿清水。

5)結束充填工作。將機器設備運至地面以備下次使用。

4 保水開采技術

礦井開采過程中遇到的水體類型可分為地表水和地下水，保水開采技術的目標是在防治采場突水的同時，有意識地對水資源進行保護，減小煤炭開采過程中對水文環境的擾動，并且對地下水與礦井開采的關系進行研究，實現礦井水資源的保護和利用。

4.1 開采對地下水的影響

1)開采對淺、中層地下水的影響。淺、中層地下水是生活用水和工業用水的主要來源。在采煤活動的影響下，煤系地層及上覆巖層中裂隙增多、增大，引起更多地下水向下滲透，淺、中層地下水逐年被疏干，由此造成生活用水和工業用水的短缺。

2)開采對深層地下水的影響。由此井工開采過程中需要將地下水抽出排至地面，隨開采深度的增加，深層水被截留，轉化為礦坑水排出，導致深層地下水位逐年下降，這種下降很難在短期內得到恢復。

3)礦井疏排地下水的影響。礦井疏排地下水一方面將有害地下水排到地面，造成地面環境的污染，另一方面打破了地下水正常循環的平衡，對地下水的水位、水量及水質都造成嚴重的影響。

4.2 保水開采技術方法

1)合理選擇開采區域。

對于不同的地質環境條件應當選擇不同的措施：對于不存在含水層或含有厚度較大隔水層的區域，可以實現保水開采;對于有含水層分布，但隔水層厚度不足夠大，需要采用一定措施才能實現保水開采的區域，應當研究其覆巖破壞規律、水位等之后再進行保水開采;對于富含水且煤層埋藏較淺的地區，煤層開采會導致地下水全部滲漏，應當暫緩開發，待解決地下水滲漏問題后再進行開發。

2)留設防水(砂)安全煤巖柱。

首先，可利用鉆孔沖洗液法結合其他方法確定裂隙帶高度;其次，可利用厚松散層下近風化帶保水開采的GIS研究，設計保水條件下的安全煤巖柱。通常，防水煤巖柱要大于導水裂隙帶最大高度與保護層厚度之和，防砂煤巖柱要大于垮落帶高度與保護層厚度之和，視情況留設防塌煤巖柱。保護層厚度的確定見表1，表 2，表 3。

表1 緩傾斜和傾斜煤層防水安全煤巖柱的保護層厚度

表3 急傾斜煤層防水及防砂安全煤巖柱的保護層厚度

3)開采方法。

目前，主流的保水開采方法有減小導水裂隙帶高度的開采方法，如國內外所采用的“三下”采煤技術，以底板加固為主導技術的保水開采技術和長壁工作面快速推進開采方法［4］，條帶開采也是一種行之有效的保水開采方法。

4.3 礦井水循環使用及處理

礦井水一般用物理方法或化學方法進行處理。物理方法主要包括自然沉降法和過濾法;化學方法主要包括混凝法。經過處理的礦進水可供給生活用水或工業用水，不同的用水對象對水質有不同的要求，應采用不同的工藝進行礦井水處理，例如對于低濁度礦井水可采用直接接觸過濾工藝處理，對于高硬度礦井水可采用石灰軟化法或離子交換法處理，對于高礦化度礦井水可采用反滲透或電滲析工藝進行處理等。

5 結 語［2］

綠色開采技術能夠有效減少煤礦開采活動對于自然環境的破壞，煤與瓦斯共采技術能夠同時增加煤礦的產出，充填開采與保水開采對于地上建筑及水資源的保護具有重要意義。綠色開采技術在一些煤礦已經取得了一些成果。但綠色開采技術處于起步階段，各項理論及實踐并不完善，還需進一步研究與提高。另外，煤礦的成本應包括資源、環境、安全、生產、發展五個方面內容，對綠色開采的經濟評價應遵循完全成本要求［5］，以對煤炭企業進行正確評估和指導煤礦快速持續發展。

［1］ 繆協興，錢鳴高.中國煤炭資源綠色開采研究現狀與展望［J］.采礦與安全工程學報，2009，(1)：11－14.

［2］ 俞啟香.礦井瓦斯防治［M］.中國礦業大學出版社，1992：79－95.

［3］ 瞿群迪，周華強，候朝炯，等.煤礦膏體充填開采工藝的探討［J］.煤炭科學技術，2004，32(10)：67－73.

［4］ 簡煊祥，李云飛，楊永均.煤礦保水開采技術現狀及其發展［J］.煤田地質與勘探，2012，40(1)：47－50.

［5］ 鄭愛華，許家林，錢鳴高.科學采礦視角下的完全成本體系［J］.煤炭學報，2008，33(10)：1196－1200.

Analysis on Method and Principle of Coal Green Mining Technology

Liu Yu－bo，Zhao Bai－jun.Liu Yi－bo

Green mining is to follow the green industries of the recycling economy to form mining activity to be harmony with the environment and achieve low mining，high efficiency and low emission mining.Coal mining polluted environment seriously，the implementation of green mining coal was the only way to achieve sustainable development.The technique and theory of simultaneous extraction of coal and gas，the coal mining with backfilling and water preserved mining were described in this article.

Green mining technology;simultaneous extraction of coal and gas;The coal mining with backfilling;Water preserved mining;Principle;Method

TD82

A

1672－0652(2012)07－0041－05

2012－06－29

劉宇博(1991—)，男，河南永城人，2009年中國礦業大學在讀本科生，主要從事采礦工程井工開采方面的研究(E －mail)15062117306@163.com