淺談煤礦綠色開采技術

王照祥

摘 要：深入分析了我國煤炭開采的現存問題，總結闡述了綠色開采的技術體系構成，調查研究了相關保障技術的研究現狀和發展趨勢，論證了以關鍵層理論為基礎綠色開采是煤炭工業可持續發展的必然趨勢。

關鍵詞：綠色開采；關鍵層理論；保水開采；充填開采；煤炭氣化

2009年12月7～18日，世界各國領導人齊聚丹麥首都哥本哈根，協商如何共同遏制全球變暖，如何保護我們賴以生存的空氣、水、土地和食物。然而會議沒有達成全球亟需的氣候保護協議，以不具法律約束力的《哥本哈根協議》草草收場，加劇了人們對全球氣候惡化的擔憂。如何應對全球氣候變化，是每一個國家、每一個行業都有責任、有義務深入研究和思考的問題。

中國作為世界上主要的發展中國家，近些年在溫室氣體減排方面做了很多卓有成效的工作，全國各行業積極倡導和實施可持續發展、和諧發展觀及循環經濟等技術理念。正是在這個過程中，2003年錢鳴高院士提出了“綠色開采”的理念[1-2]，為煤炭行業的發展指明了方向。

1.我國煤礦開采存在的問題

我國“富煤、貧油、少氣”的能源賦存狀況決定了能源消費必須以煤為主，一次能源消費中有70%～75%來源于煤炭，煤炭行業的健康發展關系到國民經濟可持續發展的全局。多年煤炭開采帶來一系列環境和安全問題，屢屢為人詬病。

1.1 安全問題

2009年12月21日，黑龍江龍煤集團鶴崗分公司新興煤礦發生特別重大瓦斯爆炸事故，再次引發公眾對煤礦安全，特別是群死群傷公眾事件的關注和深層思考。煤礦事故頻發的原因何在，如何從根本上杜絕大型和特大型傷亡事故，不斷拷問著各級監管、經營和科研服務單位。我國煤炭安全事故頻發有著諸如井工開采量大、小煤礦安全裝備和生產工藝落后、行業多年安全欠賬嚴重、科技投入不足以及技術與管理人才流失嚴重等客觀原因。從2006年起，國家加大對煤礦安全投入和治理，煤礦安全的總體形勢是好轉的，在產量增加的同時，死亡人數逐年下降，多年來煤炭產量以近2億t/a的速度遞增，而百萬噸死亡率逐步下降。如何推動煤炭安全形勢的進一步好轉，實現以人為本與本質安全型的和諧礦區，是煤炭行業亟待解決的問題。

1.2 環境問題

主要包括由于地下采掘引起的地面塌陷、水土流失、沙漠化、采煤廢水排放以及煤矸石露天堆放污染等。

我國煤炭開采主要采用冒落法管理采空區頂板，造成地面沉降和陷落，因而引發村鎮、鐵路、橋梁和地面管線設施破壞。大量的農田因塌陷、鹽漬化和水土流失無法耕種。礦井開采過程中的大氣降水、地表水、地下水及生產用水涌入井下而成為礦井水，目前礦山的年排水量約為22億m3。以山西省為例[1]，采煤破壞地下水達4.2億m3/a，導致井水水位下降或干涸共計3 218個，影響水利工程433處、水庫40座及輸水管道793.89 km，造成1 678個村莊，81.271 5萬人以及10.824 1萬頭牲畜飲水困難。《山西省煤炭開采對水資源的破壞影響及評價》顯示，該省因采煤漏水和礦井水排放等造成的經濟損失累計達300多億元。

我國現有煤矸石山1 500余座，歷年堆積量達30億t，占地超過5 000 hm2，在大氣降水淋溶時還會進一步污染周圍水體、農田和地下水。目前有自燃現象的矸石山約140多座，自燃過程中產生大量的硫化物等有毒有害氣體，成為大氣污染源。

礦井瓦斯主要是礦井中由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體。它既是煤礦重大安全事故的禍根，又是一種嚴重的溫室效應氣體。研究顯示，甲烷造成的溫室效應在全球氣候變暖中所占份額為15%，僅次于二氧化碳。等量甲烷造成的溫室效應是二氧化碳的21倍。據初步估計[2]，我國2 000 m以淺范圍內具有30～35萬億m3煤層氣資源，居世界前列。但由于我國煤層透氣性差，難以在開采前抽出。建國以來，我國煤礦發生煤與瓦斯突出事故1 500余次，2001年由于瓦斯事故的死亡人數占煤礦總死亡人數的40%。煤礦每年排放瓦斯70～190億m3。

2.綠色開采理論體系與總體框架

綠色開采理念是在科學采礦三原則（安全、環保和經濟）的指導下提出的，強調在現有采煤理論、方法和技術的基礎上，發展與創新采礦科學技術，從廣義資源的角度上認識和對待煤、瓦斯和水等一切可以利用的各種資源。其基本出發點是防止或盡可能減輕開采煤炭對環境和其他資源的不良影響，以期取得最佳的經濟效益和社會效益[1]。

煤礦開采引發的環境與安全問題無不源于采礦活動造成的巖層運動，進而引起周圍巖體的應力場、節理裂隙場和瓦斯運移場等相關物理場的變化，因此，研究綠色開采技術必須以科學先進的巖層控制理論為基礎，錢鳴高、繆協興及許家林等人提出的關鍵層理論[3-5]為科學采礦的實施提供了理論基礎。

在科學采礦的總體框架體系內，主要包括保水開采、煤與瓦斯共采、充填與條帶開采和離層注漿減沉、煤巷支護和部分矸石井下處理以及煤炭地下氣化等五大技術方向。

3.主要技術現狀

近40年來，我國共發生礦井突水事故2 000余次，直接經濟損失高達40多億元。據統計，我國國有煤礦中半數具有突水危險性，且突水危險越來越嚴重。同時，山西、陜西和內蒙古等缺水地區也急需解決煤炭保水開采的問題。關鍵層理論認為[1]，煤炭采出后，隨著關鍵層的破斷，在該區域內地下水將形成下降漏斗。地下水位能否恢復，取決于隨著工作面的推進，上覆巖層中是否含有軟弱巖層（事實上它是研究地下水滲漏的“關鍵層”），及其能否經重新壓實導致裂隙閉合而形成隔水帶。這說明從技術上把握了關鍵層的破斷規律，可以有條件開采受水患威脅的優質煤炭資源。

煤與瓦斯共采技術充分利用了煤炭開采中上覆巖層的礦壓活動，著重對卸壓煤層的抽采時機把握和抽采工藝優化。在這項技術上，以袁亮院士為代表的課題組，創造性地解決了我國淮南礦區低透氣性煤層群開采的關鍵問題。該技術將高瓦斯、高地壓和低透氣性煤層群的技術難題統一考慮，以沿空留巷的方式一體化解決高瓦斯、高地溫、高地壓、井巷失穩、瓦斯突出和沖擊地壓等開采技術難題，通過通風降溫和簡化采掘接替，實現連續開采，并為高效抽采瓦斯和治理煤層群瓦斯提供最佳的工作空間，提出基于快速留巷Y形通風抽采卸壓瓦斯的煤氣共采技術路線。這項技術在排除低透氣性難抽瓦斯安全隱患的同時，改善了作業環境，扭轉了采掘銜接緊張的不利局面，較好地貫徹了安全、經濟和環保的科學采礦三原則。

4.結語

煤礦綠色開采是我國煤礦發展的必然方向，是和諧礦區建設的重要指導，有著以關鍵層理論為基礎的實施依據，框架體系內主要技術的發展將為我國煤炭開采中實現安全高效、經濟環保提供重要保障，達到煤炭行業“低開采、高利用、低排放”的可持續發展目標。