煤炭绿色生态开采理念及技术体系

宋立平

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

我国东部地区的开发经验告诉我们，东部地区煤矿的开发造成了井田内土地发生大面积沉陷、建构筑物等发生破坏，地面河流径流大大减少，对地下水破坏非常严重，也因此造成了很多村庄的搬迁，甚至有的地区土地沙漠化非常严重。另外，由于矿物质中的有害物质进入地下水，使得地下水资源受到了污染。

为了吸取东部地区的经验及教训，伴随西部的发展，有的学者提出了保水开采、绿色开采的概念。保水开采的理念是由范立民于1992年在研究鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田独特的矿床地质条件时提出的，煤田地质总局等单位随后在1995—1998年期间针对保水开采开展了一系列的研究[1-9]。在上述研究的基础之上，陕西煤田地质局于2003年提出了保水开采的条件和相应的技术措施。其基本内容是在西部地区，通过优化布局、合理设计、科学开采，使得煤炭在顺利开采的同时对自然水资源进行了有效的保护，使得开采与生态环境协调可持续发展。

同年，钱鸣高院士等[10-13]提出绿色开采的技术理念。绿色开采的内涵是降低煤矿开采对周围生态环境的破坏程度，达到资源开采相互之间及与生态环境相协调的一种状态。绿色开采技术，基本出发点就是从采动影响的角度利用相关开采技术开采煤炭或其他资源时降低或减少对生态环境的不利影响；目标是使开采者获得最优的资源经济、环境和最大的社会效益。其中，保水开采属于绿色开采内容很重要的一部分。自保水开采提出以来，王双明等[14-16]国内专家开展了系统的研究，形成了一系列的科技成果。

1 煤炭绿色生态开采理念的提出

我国煤炭资源分布特点是“西部地区多、东部地区少”。东部和中部的煤炭资源占全国煤炭资源储量的25%；西南部的煤炭资源占全国煤炭资源储量的9%；而西部的煤炭资源占比高达66%，而埋深在1 000 m以上煤炭资源在东部地区逐年萎缩，已趋于枯竭。西部地区拥有6大煤炭基地，其煤层赋存条件简单，适合建设千万吨级和亿吨级特大型矿井集群。因此我国开启了西部大开发，以确保煤炭资源作为主体能源的主体地位长期不会改变，为我国的总体经济的发展保驾护航。根据煤炭工业发展“十三五”规划，我国各地区煤炭产量及占比见表1。

表1 我国各地区煤炭产量及占比Table 1 Coal output and proportion in different regions of China

伴随西部浅煤层资源大开发，矸石、矿井水排放等引发植被枯死、矸石自然发火、水体受到污染以及地表塌陷等环境问题引发社会的关注与重视。2020年煤炭对环境的开发影响见表2。废弃矿井现状及预计如图1所示。

表2 2020年煤炭开发对环境的影响Table 2 Influence of coal mining on environment

图1 废弃矿井现状及预计Fig.1 Status and forecast of abandoned mines

2014年4月24日，十二届全国人大常委会第八次会议表决通过了《中华人民共和国环境保护法》，被称为“史上最严厉”的环境保护法，体现了国家对环境问题的高度重视。2020年5月，习近平总书记在考察山西时指出，要牢固树立“绿水青山就是金山银山”的理念，发扬“右玉精神”，统筹推进山水林田湖草系统治理，抓好“两山七河一流域”生态修复治理，扎实实施黄河流域生态保护和高质量发展国家战略。因此，从自然生态环境的保护、资源的综合利用、国家政策各方面出发，均要求尽快提出并形成“绿色生态开采技术”。

2 煤炭绿色生态开采的理念、概念与内涵

2.1 煤炭绿色生态开采的理念

煤炭绿色生态开采理念是建立在煤炭绿色开采、生态保护建设的基础上的，即建立集开采和生态保护为一体的现代煤炭开采生态保护系统，是绿色开采概念的延伸和补充。涉及关键层岩层控制理论和隔水层重构理念。它充分利用了岩层控制理论—关键层理论以保证绿色开采，以及隔离层重构理念保证开采后地下水资源及地表生态不被破坏。其概念是从广义角度对待煤炭开采时产生的瓦斯、水、矸石、粉尘、热能甚至废弃矿井本身等作为一种资源去加以综合利用。具体表现是集中体现矿区资源地上地下一体化开采、加工、利用，实现与生态环境的协调发展，实现“零损害”“零排放”的绿色生态开采利用体系，即着眼于“源头”设计，进行布局、采取相关预防措施将污染物的产生或者其他对生态环境的破坏降到最小，把采前、采中、采后生态环境保护和资源综合利用作为一项系统工程进行整体规划和长远谋划，其目的是达到资源开采相互之间及与生态环境之间处于相协调发展的一种状态，以期实现煤矿开采循环经济的健康发展，达到可持续发展的目标。取得最佳的经济、环境与社会效益。

2.2 绿色生态开采技术体系内涵

绿色生态开采技术体系内涵如图2所示，共包含7个方面。对矿井原有废弃物或有害物质观念的转变，使得有害废弃的物质重新再利用，变害为宝、变废为宝，以达到减少生态环境破坏的要求，例如矸石。从源头上设计减少采动影响对环境的破坏，例如保水开采。基于岩层运动的特点建立绿色开采的理论基础，例如离层注浆减沉技术。基于隔水层重构理念地下水的保护理论。对废弃矿井观念的转变，使得废弃矿井的有限空间得到利用，闲置土地、厂房等资源得到有效发挥。对热能利用观念的转变，使得乏风、地下水余热回收再利用。对塌陷区的治理利用观念的转变，使得塌陷区治理后功能得到有效发挥，例如可以建设水库、进行光伏发电、生态旅游开发等。

图2 煤炭绿色生态开采技术体系内涵Fig.2 Connotation of green ecological coal mining technology system

3 煤炭绿色生态开采技术体系的主要内容

煤炭绿色生态开采技术体系主要包括2方面内容，一方面是绿色开采、一方面是生态保护。具体煤炭绿色生态开采技术体系框架如图3所示。

3.1 技术体系框架

绿色开采技术原内容包含5个部分。分别为减沉开采、保水开采、煤与瓦斯共采、煤层地下气化技术、矸石减排。其中前4个部分仍保留在绿色开采体系内，仅将矸石减排技术从绿色开采体系内摘出，其原因是矸石减排技术本质是把矸石当作一种材料来考虑，因此会涉及相关技术。若作为充填材料用于保水开采，则属于保水开采体系内的井下充填开采技术的一种。若作为充填材料用于减沉开采，则属于减沉开采技术的一种。矸石发电、制砖与开采没有关联，而与生态保护有很大关系，因此矸石减排技术属于生态保护综合防治技术体系的范畴。由于矸石是作为一种材料来进行处理的，是对矸石的综合利用，考虑对环境的保护，称之为矸石零排放技术，纳入生态保护综合防治技术体系内。

煤层气利用技术主要指瓦斯发电技术；地下水库储水技术主要指利用采空区对水进行净化储存的技术；煤水仿生共采技术指运用“导—储—用”的思路将水资源采出的技术；海绵矿井技术指最大限度实现雨水反补地下水及综合利用，对井下污水、清水的综合利用与适量存储的技术；清洁利用技术指的是煤泥水处理技术、矸石零排放技术；节能减排技术指的是废水循环利用技术、乏风、水余热利用技术；生态防护功能圈构建技术指从生态学的基本原理出发，根据矿区自然条件与开发建设特点，科学进行生态功能圈的划分构建技术；生态修复与功能优化指采后沉陷区植被修复技术、生态功能优化技术、微生物复垦等关键技术；废弃矿井利用技术指充分利用废弃矿井内的可利用有效空间的技术，包括压缩空气储能技术、抽水蓄能技术以及储油等技术；粉尘防治技术指有效预防、控制和降低粉尘造成的危害而采取的相关技术及措施；烟气脱硫脱硝技术是应用于多氮氧化物、硫氧化物生成化工工业的一项锅炉烟气净化技术。这11个方面的内容分别从瓦斯的综合利用、水资源的储存，净化综合利用、节能减排、清洁高效利用、塌陷区预防与治理、废弃矿井空间利用、粉尘防治、有害气体防治的角度来提高对资源的综合利用和对生态的保护。因此，以上技术划为生态保护综合防治技术体系。

煤水仿生共采技术由张建民等[17]提出，地下水库理论框架和技术体系由顾大钊院士[18-20]提出。采前生态防护功能圈构建技术、采中清洁利用技术、采后生态系统修复与功能优化技术由杨俊哲、陈苏社等人提出，相关技术文中不再详细表述。中煤西安设计院开展了海绵矿井技术、原煤井下脱水技术、矸石零排放技术、废弃矿井利用技术等相关研究探索，取得了一定的成果，以下着重从这几个方面进行论述。

3.2 海绵矿井技术

根据海绵城市的概念，结合煤矿的特点，提出了海绵矿井的概念。目前已取得相关专利3项，该技术一方面最大限度实现雨水反补地下水及综合利用，另一方面从源头上减少整个矿井的涌水量，并实现对井下污水、清水的综合利用与适量存储。该技术是一种海绵矿井综合体，包括海绵型工业场地、条带充填水质净化采空区、生态修复园区和地下水反向补给区；其中海绵型工业场地包括绿色屋顶、雨水花园、植草沟、地面透水铺装、地面生态蓄水池、地面排水管渠、深度水处理站。下雨时，建筑物的绿色屋顶所包含的土壤、耐旱植物可涵养部分雨水，多余雨水由建筑物的雨水立管流入雨水花园，对雨水进行渗透、滞留、净化作用，多余水量再进入植草沟进一步渗透、滞留、净化，直至流入地面生态蓄水池；海绵型工业场地内的厂区道路、非生产用途的广场均采用透水砖或透水水泥铺设，形成透水铺装，降雨时，一部分雨水经透水铺装渗透至地下，另一部分进入植草沟，经渗透、滞留、净化后流入地面生态蓄水池；地面生态蓄水池内的水可用于地面绿化及浇洒道路，超标雨水经地面排水管渠排至生态修复园区。

该技术是将首采工作面布置在首采煤层中标高最低处，井下采煤工作面采用条带充填采煤工艺，减少采空区导水裂缝带发育高度，尽可能的避免关键含水层中水的漏失，从源头上减少整个矿井涌水量；减少后的矿井采空区涌水及矿井顶板疏放水为清水，直接排至井底主水仓；井下污水收集后沿设置在水处理巷内的污水管路排至条带充填水质净化采空区，经条带充填水质净化采空区净化后成为清水，流入临时水仓，再经临时水仓处的排水泵经清水管路排至井底主水仓；井底主水仓内的清水再排至设置在地面上的深度水处理。

图3的煤炭绿色生态开采技术体系框架站经过处理后即可达到生活用水标准，可复用于全矿井生产生活用水，多余水量经地面排水管渠排至生态修复园区，用于植被修复。进一步，条带充填水质净化采空区可以根据矿井的涌水规律及生产生活用水量，适当存储部分地下水资源，待需要时再进行复用；当该地区出现暴雨，面景观水池水位超限，生态修复园区无法消纳时，将多余水量经地面排水管渠排至地下水反向补给区，通过多个渗井渗透至地下，用于补给地下水。从而实现对全矿井水资源的有序的综合利用，实现海绵型矿井。海绵矿井综合体具体如图4所示。

图4 海绵矿井综合体示意Fig.4 Overall structure of sponge mine

3.3 原煤井下脱水技术

原煤井下脱水技术是创新性的将选煤厂煤泥水处理技术完善运用于井下原煤脱水的一项技术。旨在解决井下原煤水量过大带来的生产和安全问题。参考工艺路线为分级脱水+高频筛回收粗煤泥+压滤机回收细煤泥工艺，简述如下：原煤经20 mm(可调)分级后，+20 mm物料直接作为原煤，-20 mm筛下末煤再经1 mm脱水后，筛上直接入原煤；筛下煤泥水经浓缩分级后通过高频筛回收粗煤泥后入原煤，弧形筛和高频筛筛下水进入浓缩沉淀，底流经压滤机回收后，细煤泥通过转载带式输送机返回原煤，浓缩沉淀后的溢流与压滤机滤液一起泵送和自流至水仓，系统煤泥分级回收，煤泥水不外排。

原煤井下脱水技术首次将煤泥水处理工艺的末端——细煤泥的浓缩沉淀与压滤工艺移植到井下煤泥水处理，工艺完善，人工清理量小。对于生产矿井，应用原煤井下脱水技术涉及原运输系统改造、脱水硐室改造以及压滤硐室的改造或新建等难点工作，此外，大断面硐室和巷道也给支护设计与施工带了很大困难。中煤能源研究院与母杜柴登煤矿开展了井下煤泥水处理技术的合作，目前该项目已成功投入运营一年多，取得良好的效果，基本解决了皮带打滑、机尾淤煤、稀煤窜仓、影响机电设备运转、威胁职工人身安全等生产和安全问题，每年为企业创造近千万的经济效益。

3.4 矸石零排放技术

以新时代生态文明思想为根本遵循，以煤矿矸石井下充填为技术载体，围绕矿井面临的矸石排放、环境污染、无效提升等共性技术难题，集成跨界先进技术，优化生产适性技术，提升系统匹配技术，突破传统技术瓶颈，构建地区适应型、工艺匹配型和经济高效型多态矸石充填理论、技术与装备，实现矸石零排放、环境低损伤，简称矸石零排放技术。矸石零排放技术是把矸石当作一种材料来利用，其用途分别为充填、减沉、制砖、发电等。根据充填的形态分为固体矸石、膏体、浆体。基于不同存在形态及用途，将矸石零排放技术分为固体矸石充填模式、膏体充填模式、覆岩离层注浆充填模式和浆体管道充填模式、制砖发电等用途。其中覆岩离层注浆技术从矸石利用的角度可归为矸石零排放技术。其技术体系如图5所示。

图5 矸石零排放技术体系示意Fig.5 Schematic diagram of gauge zero discharge technical system

矸石综合利用：井下煤矸石可以用来发电、制砖铺路、提取氧化铝，还可以复垦绿化。

固体矸石充填模式：固体矸石充填模式是指将井下掘进或地面洗选后的矸石经过破碎后，利用矸石运输系统将矸石直接充填于井下废弃空间，根据固体矸石充填位置的不同，可分为工作面固体矸石充填和巷道固体充填。工作面固体矸石充填利用充填液压支架将矸石在采空区推压密实；巷道固体充填利用高速动力抛矸机，将矸石在废弃巷道中堆积排放。目前固体矸石充填模式已在我国东西部30余对矿井进行了应用。

膏体充填模式：膏体充填模式是利用水泥作为胶结剂，以矸石、尾砂作为骨料，以粉煤灰等灰料作为辅料，按照一定比例加水配置成具有一定承载能力的无临界流速的膏体，利用管道输送将其输送到工作面采空区或废弃巷道中。该技术在我国陕北、蒙西、济宁等矿区进行了应用。

覆岩离层注浆技术：该技术指将矸石作为充填材料在工业充填泵的作用下注入采空区上方的离层空间中，从而起到支撑上覆岩层、减缓岩层移动下沉的作用。

浆体管道充填模式：传统的矸石井下充填由于投资大、成本高，严重制约了充填技术的推广和应用。为了解决这一技术难题，亟需一种投资少、工程小、运行成本低的矸石充填系统。中煤能源研究院矸石零排放研究团队提出浆体管道模式很好的契合了这一目标，并且针对浆体管道充填模式的技术难点提出一种煤柱上方一孔多开式地面注浆充填方法和一种用于处理固体废弃物的采空区循环注浆充填系统，完善了该技术体系，并且通过龙王沟煤矿、王家塔煤矿等工程设计案例得以验证，为我国矿山企业矸石的绿色处理提供了一种全新的方法。浆体管道充填模式基本原理是将地面矸石进行破碎，并研磨成微小颗粒，然后以水为载体，以管路为通道，以工业泵为动力，将固废颗粒迁移至井下开采垮落后的残余空间，利用“水-砂”混合物在开放空间的沉淀特性以及采空区的过滤能力，使得固废颗粒滞留于井下废弃空间，按照充填位置的不同分为高位、低位、邻位注浆充填技术。该技术在内蒙古准格尔矿区进行了推广应用。

3.5 废弃矿井利用技术

废弃矿井利用技术指的是把废弃矿井当作一种资源进行综合利用开发，分别有废弃矿井储气技术、废弃矿井储能技术、废弃矿井储油技术、废弃矿井储水技术、废弃矿井生态旅游等开发技术。废弃矿井利用技术如图6所示。对废弃矿井的开发利用，可以减少闲置资源的浪费。国外利用废弃矿井比较早。在1936年，纳粹德国就将一座硬石膏改造成为一个地下飞机工厂和军火仓库，美国的“班尼斯特、豪路曼斯”军事中心利用的是一座废旧的石灰石矿，瑞典利用长石矿井、石英矿井、铁矿井储存重燃料油和轻油；德国和法国利用盐岩洞穴储藏石油产品，同时美国利用钾盐矿储存油库，还有用作地下冷库、防控掩护所、办公室、生产车间、仓库、医院等。而我国对于关闭/废弃矿井的开发利用尚处于起步阶段。

图6 废弃矿井利用技术体系示意Fig.6 Schematic diagram of abandoned mine utilization technology system

中煤西安设计院就新集三矿废弃矿井压缩空气储能进行了可行性研究。运用数值模拟软件就压缩空气储能巷道和硐室的稳定性、矿井压缩空气储能主、副井筒的稳定性、压缩空气储能巷道和硐室支护及加固后的稳定性、压缩空气储能巷道和硐室的密封方案和密封性开展了相关的模拟研究，建立了废弃矿井压缩空气储能的安全性和稳定性判识原则，提出了用于压缩空气储能井巷和硐室的地质稳定性设计准则。提出了利用废弃矿井的巷道和硐室进行压缩空气储能的支护及加固方法，并提出了采用丁基橡胶密封层作为巷道和硐室及端头的高压气体密封方法。同时就废弃矿井重力储能、抽水蓄能等研究提出了解决方案，并获得6项发明专利。

4 结语

煤炭资源开采、综合利用与生态保护建设协调发展的煤炭绿色生态开采技术是目前煤炭开采带来的问题的根本解决途径。因此要实现绿色生态开采，必须提前布局，优化设计、统筹考虑、提高资源综合利用技术，尤其要提高对采前、采中、采后、闭坑后的生态保护与建设的技术，分别从地质勘探、设计、施工、生产、闭坑各阶段实施相关的技术，以确保煤炭绿色生态开采的健康持续发展。