煤矿绿色开采技术研究综述

【摘 要】 本文分析了绿色开采技术的理论基础、内涵及研究现状，梳理了绿色开采技术的技术框架，对绿色开采技术的研究进程和主要内容进行了阐述。

【关键词】 煤炭 绿色开采 技术 综述

我国是一个富煤、贫油、少气的国家，煤炭在一次能源中占70%左右。在未来相当长的时期内，煤炭仍是我国的主要能源，可以说矿产资源深刻地影响着我国国民经济的发展。另一方面，尽管矿产资源满足生产和生活的需要，但传统的资源开采不仅造成资源的严重浪费，加剧资源供需矛盾的严峻形势，更造成生态环境很大程度上的破坏，对生物的多样性和生态平衡造成严重威胁。对绿色开采相关研究现状进行梳理对深刻理解与实践绿色开采，实现可持续发展具有重要意义。

1 绿色开采的内涵与理念综述

2010年8月13日，国土资源部发布了《国土资源部关于贯彻落实全国矿产资源规划发展绿色矿业建设绿色矿山工作的指导意见》，随文附带了《国家级绿色矿上基本条件》。这是第一份以官方文件的形式提出绿色矿山的明确要求，是绿色矿山发展的指导性文件。

从绿色开采的内涵来看，学术界众说纷纭。学者钱鸣高（2003）认为，从广义资源的角度论看，在矿区范围内的煤炭、地下水、煤气层（瓦斯）、土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都是矿区的开发对象。绿色开采即是以防止或尽可能减轻开发煤炭对环境和其他资源的不良影响为出发点，以取得最佳的经济效益和社会效益为最终目标。其在论述科学开采的概念中，提出科学开采要实行矿产品完全成本花的思路。汪云甲（2005）认为，矿区的绿色开发是将矿区资源与环境作为一个整体，考虑各种自然资源，实现矿区资源的综合体、立体、协调的开发利用，绿色开采、绿色矿山、绿色矿业是这些理念的进一步拓展。黄敬军（2008）则提出绿色开采带来的是一种全新的矿山发展模式，是解决矿山可持续发展的最佳途径，要点为确立矿山资源环境一体化、突出生态园林矿山。孙维中（2006）认为，绿色开采要严格实施科学有序的开采，又要对矿区及周边环境的擾动控制在环境可控的范围内，并通过有效措施对必须破坏扰动的部分进行恢复治理，确保矿山的存在、发展直至终结，始终与周边环境相协调，即注重矿产资源开发、与周边环境协调程度等两个方面。

从以上绿色开采的内涵出发，煤矿绿色开采主要具有三方面的特点：一是对原有矿井废弃（或有害）物观念转变，；二是从源头上采取措施减轻开采对环境的破坏，而不是先破坏后治理，即应通过采矿方法的改变和调整来实现地下水资源的保护；三是基于岩层运动的特点建立绿色开采理论基础：岩层运动对矿山压力造成影响，煤层开采后引起的岩层变形-破裂-移动是造成一系列环境问题的根源。

绿色开采的理念已得到世界采矿界的广泛认同，国际著名采矿专家Gauss曾在其主编的刊物上发表专论介绍中国的绿色开采，并建议将绿色开采作为现代采矿科学的新词汇。

2 绿色开采技术体系综述

2.1绿色开采技术体系

绿色开采技术体系的提出主旨在于将煤炭开采活动对自然环境的影响和破坏减少到最低限度。对矿业来说，就是要成为“绿色矿业”，绿色矿业的核心内容之一就是要实现“绿色开采”。

钱鸣高（2003）针对煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，提出绿色开采技术包括以下内容（见图1）：①水资源保护——形成保水开采技术；②土地与建筑物保护——形成离层筑浆、填充与条带开采技术；③瓦斯抽放——形成“煤与瓦斯共采”技术；④煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术；⑤地下气化技术。

绿色开采技术系统所参照的理论主要有以下几点：①关键层理论，有关关键层复合效应对采场矿压与岩层移动的影响，以及综述了关键层理论及采场矿压控制、岩层移动与地标沉陷控制和煤层瓦斯抽放等应用研究方面的学说；②开采对岩层造成的破坏以及移动的影响及对其移动规律的观察和利用；③对开采区域谁在裂岩体中的渗透规律的掌握；④了解煤炭开采后岩层内节理裂隙分布、变化规律等。

2.2 绿色开采技术的研究进程及主要内容

2.2.1关键层理论研究的简要回顾

基于采场老顶岩层“砌体梁”理论，1996年，以钱鸣高院士为代表的课题组提出了岩层控制的关键层理论，关键层是指对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层。该理论的提出，对研究层状框体开采中厚硬岩层对岩层中节里裂隙的分布及其对瓦斯抽放以及突水防治具有重要意义。

2.2.2 保水开采技术

保水开采技术就是在采煤过程中对地下水资源进行保护并对矿井进行资源化利用。目前研究大多基于以下两点理论。

隔水层理论：水体地面与煤层之间应有相应厚度的隔水层，才能实现水体下安全采煤。该理论认为具体的采煤方法需要综合参考隔水层的厚度、隔水层的性能、水体至煤层的距离、厚采、水量大小以及水源等因素。

“三带”理论：理论认为①对于地面水体，松散层底部和基岩中的强、中含水层水体，要求被保护的水源等水体，不容许导水断裂带波及；②对于松散层底部的额弱含水层水体，允许导水断裂带波及；③对于厚松散层地步为极弱含水层或可以疏干的含水层，允许导水断裂带进入，同事允许垮落带波及。

长壁工作面快速推进、留设防水煤柱、对采空区实施填充是当下最常用的三类技术。加快工作面推进速度可使破断岩层尽快朝反方向与工作面一侧未断岩层在断面下端铰接并挤压闭合，形成隔水关键层，保证安全回采和水资源不流失；防水煤柱的留设可以使煤层顶板岩层破坏减小，导水裂缝带不波及水体，但该方法会浪费大量煤炭资源；煤层开采过程中对采空区及时进行填充，可以有效减小工作面前后支撑压力的分布，达到和留设防水煤柱一样的效果。

2.2.3土地与建筑物保护-形成离层注浆、充填与条带减沉开采技术

我国目前减少煤矿开采造成地表沉陷对地面建筑物和农田破坏的方法有：离层注浆、条带与充填开采，利用这些方法对破坏的农田复垦。

许家林（2006）提出了煤矿充填开采技术：它仅对采空区的局部或离层区与冒落采空区进行充填，靠覆岩关键层结构、充填体及部分煤柱共同支撑覆岩控制开采沉陷。按部分充填的位置分为三种部分充填开采技术：采空区膏体条带充填、覆岩离层分区隔离筑浆充填、条带开采冒落区注浆填充。

目前我国比较成熟的充填方法有，膏体充填，矸石充填，超高水充填。

2.2.4瓦斯抽放-形成“煤与瓦斯共采技术”

煤层瓦斯是有害气体，同时又是洁净能源。瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出，一直是我国煤矿所面临的重大灾害。同时，排放到大气中的瓦斯还造成了严重的环境破坏。对煤层瓦斯进行抽采利用，是绿色开采必须解决的基本问题之一。在基于对岩层采动裂隙动态分布规律的认识提出的卸压瓦斯抽采“O”型圈理论，在一些矿区的卸压瓦斯抽采中，对钻孔布置起到了指导作用。

我国目前矿井瓦斯抽放技术主要由：采掘前抽放（预抽），边采边抽和采后抽放（采空区抽放）。

2.2.5 煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术

减少排矸和进行矸石利用是绿色开采技术的另一大任务。煤层巷道支护技术的机理就是减少岩石巷道的掘进量，以煤巷掘进为主，从而实现减少矸石的排放问题。目前研究成果有：系统研究和揭示深部、动压巷道围岩塑性区的发生发展过程，以及挤脱型和挤压型两类冒顶的实质。科学地解释了动压巷道底鼓过程冒顶及其原理：提高支护效能，及时主动有效加固顶板，消除松脱型冒顶；增大锚故范围，削弱层状顶板沿弱面的渐次离层和垮冒；建立“楔形”的强化承载结构，防止锚固区外离层和挤压型冒顶。

2.2.6 地下气化技术

煤炭地下气化是指不用将煤炭采出地面，而直接在煤层赋存滴点获得可燃气体的过程，即在地下将煤通过热化学过程变为气态燃料，然后经由钻孔排至地面收集利用。煤炭地下气化是是一种整体绿色开采技术。目前我国煤气化已经取得了很大发展，但煤井下气化還正处于研究试验阶段，还需我国科研实践工作者去努力研究和探索。

结束语

煤炭资源的绿色开采是煤炭行业贯彻科学发展观的必然选择，也是可持续发展工业技术的重要组成部分，绿色开采是近年来提出的崭新的开采理念，未来绿色开采技术一定会有更大的发展空间，将成为未来煤矿开采技术方式的发展方向。

目前，煤炭绿色开采技术形成了基本的技术框架，仍有一些新兴领域值得探讨，如新型煤矿填充材料与工艺系统、基于岩层移动与关键层理论的开采沉陷预测与建筑物下采煤的定量设计方法等。同时，仍缺乏绿色开采技术所服务的其他学科和知识，诸如经济核算、评价体系构建、科学管理等，这都有待于进一步研究。

【参考文献】

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[6] 黄敬军，倪嘉曾，等.绿色矿山创建标准及考评指标研究[J].中国矿业，2008（7）：36-39

[7] 田立波，刘帆，陈忠良.中国煤炭资源绿色开采技术进程与现状[J].能源技术与管理，2010（4）

作者简介：周洋蛟（1988年-），男，汉族，籍贯：四川省遂宁市，职务/职称：机电工程师，学历：全日制本科，单位：四川省煤炭产业集团有限责任公司，单位邮编610000。