浅谈煤炭绿色开采技术的方法及原理

刘宇博，赵柏竣，刘一博

浅谈煤炭绿色开采技术的方法及原理

刘宇博，赵柏竣，刘一博

(中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221008)

“绿色开采”是以遵循循环经济绿色工业为基础，形成开采与环境相协调，以实现“低开采、高效率、低排放”的采煤技术。煤炭开采对环境污染严重，实施绿色开采是煤矿实现可持续发展的必经之路。本文对绿色开采中煤与瓦斯共采技术、充填开采技术和保水开采技术的原理及方法进行了阐述。

绿色开采技术;煤与瓦斯共采技术;充填开采技术;保水开采技术;原理;方法

我国煤炭资源储量丰富且分布广泛，是我国经济发展中可靠的能源保障，而我国庞大的煤炭需求量和开采量也引起了诸多环境问题，如开采沉陷破坏土地与建筑物、水资源破坏、大气污染及煤矸石露天排放污染环境等。通过对开采工艺的改进，可减小煤矿开采对环境的污染，有利于煤炭开采的可持续发展及环境保护。

1 绿色开采的重要意义与技术框架

煤炭开采在为社会建设提供能源的同时，对环境也造成了巨大的破坏。据统计，2000年全国煤矿废水及污水总排放量达到2.75亿t;全国已有开采沉陷地0.45 Mhm2以上，山西省地面塌陷破坏面积达7万hm2多，其中40%为耕地;全国矸石堆放量达30亿t以上，占地面积约2.6万hm2;煤矿向大气中排放大量的有毒有害气体，如 CH4、CO、CO2、SO、SO2、H2S等，我国煤矿每年排入大气中的CH4约100亿m3，排放粉尘约40万t，不仅对矿区造成了严重的环境污染，而且引发尘肺病患者多达几十万人。

绿色开采通过对开采方法的改进，能够改善能源结构、节约能源以及实现环境保护与能源发展同步进行，是实现我国煤炭科学开采的必经之路，符合科学采矿三原则要求，即经济原则、环保原则、安全原则;同时符合我国煤炭循环经济对发展提出的要求，满足“3R”原则，即减量化原则(Reducing)、再利用原则(Reusing)、资源化原则(Recycling)。

绿色开采是一个庞大的系统，目前，绿色开采在技术上主要体现在煤与瓦斯共采、保水开采与矸石充填采煤三个方面，绿色开采技术框架见图1［1］。

图1 绿色开采技术框架

2 煤与瓦斯共采技术

煤与瓦斯共采是将煤炭以及赋存于煤层中的瓦斯同时作为矿井的资源进行开采，实现煤炭与瓦斯共同开采的一种技术。煤与瓦斯共采技术能有效减少温室气体的排放，促进高效清洁能源的利用。

2.1 我国煤矿瓦斯储量及特点

我国是世界上煤层瓦斯储量巨大的国家之一，居世界第三，煤层气资源几乎与陆上天然气资源储量相当，主要分布于华北和西北地区，我国煤层瓦斯的赋存特征是“两高三低”：

1)煤层瓦斯储存量高。

2)煤层吸附瓦斯能力高。

3)煤层在水力压裂等强化措施下形成常规破裂裂隙所占比例低。

4)煤层瓦斯储层渗透系数低。

5)煤层瓦斯压力较低。

2.2 煤层瓦斯的赋存状态

瓦斯在煤层中的赋存状态有两种，即游离状态和吸附状态，煤层瓦斯含量为两者含量之和。游离态的瓦斯一般以自由气体状态赋存于煤层孔隙及裂隙之间;吸附态的瓦斯是以固体分子状态赋存于煤体结构的表面或内部。实验表明，煤层中游离态瓦斯含量约为10% ～20%，吸附态瓦斯含量约为80% ～90%。另外，瓦斯量的大小往往取决于煤层瓦斯的压力和温度等条件，瓦斯量与压力和温度的关系见图2，图3［2］。

2.3 采动对瓦斯造成的影响

在煤层开采前，吸附态瓦斯与游离态瓦斯处于相互不断交换的动平衡状态，而由煤层、围岩及瓦斯组成的系统也处于平衡状态。由开采引起的原始煤体及岩体中的应力变化会直接影响瓦斯的赋存状态和瓦斯的运移：一方面，采动引起的周围岩体变形会改变煤岩的孔隙率和渗透系数等力学参数;另一方面，采动引起的煤岩体移动会改变原岩应力场，形成卸压带和应力集中带，从而影响瓦斯的运移。在矿井开采过程中，老顶初次来压及顶板周期来压前后，煤岩体的孔隙率及透气情况均会发生较大变化，对瓦斯的流动产生显著的影响。

2.4 煤与瓦斯共采技术原理

煤层开采后在本煤层形成卸压带和应力集中带，在卸压带内，瓦斯压力减小，与工作面后方煤层瓦斯形成压力差，并形成不断变化的压力梯度，从而引起瓦斯的运移;同时，采动引起了煤体的变形和破坏，提高了煤体瓦斯运移的透气性，又为瓦斯的运移提供了通道。另外，本煤层的岩体移动同时引起本煤层上、下一定范围内覆岩应力场的变化，从而导致上、下邻近煤层瓦斯的卸压，引起本煤层覆岩导气裂隙带产生，提高了瓦斯运移的透气性，为瓦斯运移和持续解吸提供了条件，也为瓦斯大量抽采提供了条件。

基于不同区域内瓦斯的各项指标和参数均有差异，应当采用不同方法合理高效地实现瓦斯抽采。

2.5 煤与瓦斯共采技术方法

煤与瓦斯共采技术分为以下三个阶段：

阶段一：先采瓦斯再采煤，煤层开采前预抽一部分瓦斯，既降低了煤层中瓦斯含量，提高了开采的安全性，又使得工作面单产效率大大提高。

阶段二：煤与瓦斯共采，在采煤的同时利用矿山压力显现规律，在有利条件下进行瓦斯抽采。

阶段三：采完煤后再抽采瓦斯，即在回采工作结束后，对采空区的瓦斯进行抽采。

根据以上三个阶段，将煤与瓦斯共采技术划分为采前瓦斯抽采技术、采动卸压瓦斯抽采技术及老采空区瓦斯抽采技术，这三种技术共同组成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采技术体系。

3 充填开采技术

充填开采技术是利用矸石、砂子、碎石等外来材料充填采空区，从而控制地表沉陷及岩层的移动，充填开采同时具有减少地表沉陷、处理废弃物和提高资源回收利用率等优点，但由于煤矿充填开采的特殊性，充填开采在煤矿并未得到广泛应用。充填开采按照充填位置、充填量、充填动力及充填材料可分为不同种类，见图4。

3.1 充填开采的岩层移动与破坏特点

1)采空区充填可以减少由采动影响所造成的顶、底板破坏。实际开采过程表明，采用采空区充填时，顶、底板的破坏程度均远小于全部垮落法，导水裂隙带高度小于全部垮落法的15%，有的甚至不明显。

2)采空区充填可以减少地表移动及破坏。地表移动及破坏一般与开采厚度有直接关系，充填采空区相当于减小了开采的厚度，故可减小地表移动和破坏。

图4 充填开采方法分类

3)采空区充填能够有效缓解采煤引起的矿山压力显现。采空区充填通过改变煤体及围岩的受力状态，有效分散采动影响压力以及减少应力集中，采空区充填还能够有效抵制顶板下沉和底板鼓起。

3.2 影响充填开采地表沉陷的因素

1)充填率。

充填率用以表示充填物体积与采出煤体积之比，其定义式为：R=V/V0式中：

V0—充填材料体积;

V—采出煤的体积。

相同条件下，较大的充填率能够更好地控制地表沉陷，应当指出的是，由于充填材料体积不可能完全充填采空区，因此，充填率不可能达到1。

2)充填体压缩率。

充填体压缩率一般是对充填体进行室内压缩实验得到的，指在完全侧限条件下，在垂直压力作用下最大下沉量与充填体高度之比其定义式为：S=L/L0式中：

L—充填体最大压缩下沉量;

L0—充填体压缩前高度。

另外，不同充填体的充填体压缩率可能相差较大，例如波兰上西里西亚矿区在使用河砂充填的情况下，地表正常系数一般小于0.1，但在同样条件下使用矸石充填，地表正常系数一般可达0.25～0.5。

3)超前下沉。

超前下沉是指在充填前顶板和地表向采空区的下沉量。由于煤层的开采而导致的煤岩体内应力集中及工作面前方超前支承压力使工作面前方顶板和上覆岩层产生压缩变形，即使充填开采也不可能完全阻止变形，即该下沉变形量是不可控的，超前下沉最终会随着工作面的向前推移而反映在地表沉陷上。

3.3 水砂充填开采方法

水砂充填开采方法是利用水力和管道将砂粒作为充填材料送入采空区的充填采煤法。

经过采出、破碎及筛分后的成品砂由矿车运至贮砂室贮存;砂与水在注砂室混合成砂浆，经充填管路送至采空区，在采空区脱水以后，形成充填体，废水经采区流水上山和流水管道流入采区沉淀池，在采区沉淀池进行沉淀并形成澄清的水，而后注入水仓，再用水泵经排水管将水抽至地面贮水池，由此循环使用。沉淀池内的淤泥用排泥罐排到矿车内，并提升至地面除泥。

我国水砂充填采煤法除少数工作面采用普采工艺外，大多采用炮采工艺。采煤工作面破煤、装煤、运煤、支护等工序与垮落法相同，由于采用充填法进行顶板管理，采场矿压显现不明显，因此，工作面控距可适当加大且支护密度可相应地减小，但是生产过程中增加了充填和处理污水等工序。

3.4 膏体充填开采方法

膏体充填开采方法是把煤矿附近的河砂、粉煤灰、煤矸石、工业炉渣、劣质土、风积沙等在地面加工成牙膏状浆体，利用重力加压或充填泵，通过管道输送到地下进行采空区的充填。普采工作面膏体充填工作面布置见图 5［3］。

图5 普采工作面膏体充填工作面布置

膏体充填工作面正常充填流程如下：

1)检查准备，确保设备完好，系统正常。

2)实施“浆推水”。先利用清管器将清洗球装入充填管道，开动充填泵，使清洗球后面是浆体，前面是清水，即“浆推水”。清水最终排到采区巷道排水沟内。待清洗球出管后，将充填浆料充入待充填空间。

3)轮流充填。待充填管路清水排尽后，将充填料按一定时间间隔轮流充填至待充填空间，间隔时间应根据待充填空间内浆体充填程度及膏体料浆可泵时间确定。

4)实施“水推浆”。充填量达到设计充填量后，装入清洗球，切换到备用泵管路并停止充填泵，实施“水推浆”。管路冲洗干净后切换转向阀至截止状态，并使管路内充满清水。

5)结束充填工作。将机器设备运至地面以备下次使用。

4 保水开采技术

矿井开采过程中遇到的水体类型可分为地表水和地下水，保水开采技术的目标是在防治采场突水的同时，有意识地对水资源进行保护，减小煤炭开采过程中对水文环境的扰动，并且对地下水与矿井开采的关系进行研究，实现矿井水资源的保护和利用。

4.1 开采对地下水的影响

1)开采对浅、中层地下水的影响。浅、中层地下水是生活用水和工业用水的主要来源。在采煤活动的影响下，煤系地层及上覆岩层中裂隙增多、增大，引起更多地下水向下渗透，浅、中层地下水逐年被疏干，由此造成生活用水和工业用水的短缺。

2)开采对深层地下水的影响。由此井工开采过程中需要将地下水抽出排至地面，随开采深度的增加，深层水被截留，转化为矿坑水排出，导致深层地下水位逐年下降，这种下降很难在短期内得到恢复。

3)矿井疏排地下水的影响。矿井疏排地下水一方面将有害地下水排到地面，造成地面环境的污染，另一方面打破了地下水正常循环的平衡，对地下水的水位、水量及水质都造成严重的影响。

4.2 保水开采技术方法

1)合理选择开采区域。

对于不同的地质环境条件应当选择不同的措施：对于不存在含水层或含有厚度较大隔水层的区域，可以实现保水开采;对于有含水层分布，但隔水层厚度不足够大，需要采用一定措施才能实现保水开采的区域，应当研究其覆岩破坏规律、水位等之后再进行保水开采;对于富含水且煤层埋藏较浅的地区，煤层开采会导致地下水全部渗漏，应当暂缓开发，待解决地下水渗漏问题后再进行开发。

2)留设防水(砂)安全煤岩柱。

首先，可利用钻孔冲洗液法结合其他方法确定裂隙带高度;其次，可利用厚松散层下近风化带保水开采的GIS研究，设计保水条件下的安全煤岩柱。通常，防水煤岩柱要大于导水裂隙带最大高度与保护层厚度之和，防砂煤岩柱要大于垮落带高度与保护层厚度之和，视情况留设防塌煤岩柱。保护层厚度的确定见表1，表 2，表 3。

表1 缓倾斜和倾斜煤层防水安全煤岩柱的保护层厚度

表3 急倾斜煤层防水及防砂安全煤岩柱的保护层厚度

3)开采方法。

目前，主流的保水开采方法有减小导水裂隙带高度的开采方法，如国内外所采用的“三下”采煤技术，以底板加固为主导技术的保水开采技术和长壁工作面快速推进开采方法［4］，条带开采也是一种行之有效的保水开采方法。

4.3 矿井水循环使用及处理

矿井水一般用物理方法或化学方法进行处理。物理方法主要包括自然沉降法和过滤法;化学方法主要包括混凝法。经过处理的矿进水可供给生活用水或工业用水，不同的用水对象对水质有不同的要求，应采用不同的工艺进行矿井水处理，例如对于低浊度矿井水可采用直接接触过滤工艺处理，对于高硬度矿井水可采用石灰软化法或离子交换法处理，对于高矿化度矿井水可采用反渗透或电渗析工艺进行处理等。

5 结 语［2］

绿色开采技术能够有效减少煤矿开采活动对于自然环境的破坏，煤与瓦斯共采技术能够同时增加煤矿的产出，充填开采与保水开采对于地上建筑及水资源的保护具有重要意义。绿色开采技术在一些煤矿已经取得了一些成果。但绿色开采技术处于起步阶段，各项理论及实践并不完善，还需进一步研究与提高。另外，煤矿的成本应包括资源、环境、安全、生产、发展五个方面内容，对绿色开采的经济评价应遵循完全成本要求［5］，以对煤炭企业进行正确评估和指导煤矿快速持续发展。

［1］ 缪协兴，钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望［J］.采矿与安全工程学报，2009，(1)：11－14.

［2］ 俞启香.矿井瓦斯防治［M］.中国矿业大学出版社，1992：79－95.

［3］ 瞿群迪，周华强，候朝炯，等.煤矿膏体充填开采工艺的探讨［J］.煤炭科学技术，2004，32(10)：67－73.

［4］ 简煊祥，李云飞，杨永均.煤矿保水开采技术现状及其发展［J］.煤田地质与勘探，2012，40(1)：47－50.

［5］ 郑爱华，许家林，钱鸣高.科学采矿视角下的完全成本体系［J］.煤炭学报，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

刘宇博(1991—)，男，河南永城人，2009年中国矿业大学在读本科生，主要从事采矿工程井工开采方面的研究(E －mail)15062117306@163.com