淺談煤炭綠色開采技術(shù)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(shù)的方法及原理

劉宇博，趙柏竣，劉一博

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

“綠色開采”是以遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)綠色工業(yè)為基礎(chǔ)，形成開采與環(huán)境相協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)“低開采、高效率、低排放”的采煤技術(shù)。煤炭開采對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，實(shí)施綠色開采是煤礦實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。本文對(duì)綠色開采中煤與瓦斯共采技術(shù)、充填開采技術(shù)和保水開采技術(shù)的原理及方法進(jìn)行了闡述。

綠色開采技術(shù);煤與瓦斯共采技術(shù);充填開采技術(shù);保水開采技術(shù);原理;方法

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富且分布廣泛，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中可靠的能源保障，而我國(guó)龐大的煤炭需求量和開采量也引起了諸多環(huán)境問(wèn)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(huán)境等。通過(guò)對(duì)開采工藝的改進(jìn)，可減小煤礦開采對(duì)環(huán)境的污染，有利于煤炭開采的可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)。

1 綠色開采的重要意義與技術(shù)框架

煤炭開采在為社會(huì)建設(shè)提供能源的同時(shí)，對(duì)環(huán)境也造成了巨大的破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全國(guó)煤礦廢水及污水總排放量達(dá)到2.75億t;全國(guó)已有開采沉陷地0.45 Mhm2以上，山西省地面塌陷破壞面積達(dá)7萬(wàn)hm2多，其中40%為耕地;全國(guó)矸石堆放量達(dá)30億t以上，占地面積約2.6萬(wàn)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(guó)煤礦每年排入大氣中的CH4約100億m3，排放粉塵約40萬(wàn)t，不僅對(duì)礦區(qū)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且引發(fā)塵肺病患者多達(dá)幾十萬(wàn)人。

綠色開采通過(guò)對(duì)開采方法的改進(jìn)，能夠改善能源結(jié)構(gòu)、節(jié)約能源以及實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與能源發(fā)展同步進(jìn)行，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤炭科學(xué)開采的必經(jīng)之路，符合科學(xué)采礦三原則要求，即經(jīng)濟(jì)原則、環(huán)保原則、安全原則;同時(shí)符合我國(guó)煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì)對(duì)發(fā)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(gè)龐大的系統(tǒng)，目前，綠色開采在技術(shù)上主要體現(xiàn)在煤與瓦斯共采、保水開采與矸石充填采煤三個(gè)方面，綠色開采技術(shù)框架見(jiàn)圖1［1］。

圖1 綠色開采技術(shù)框架

2 煤與瓦斯共采技術(shù)

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

2.1 我國(guó)煤礦瓦斯儲(chǔ)量及特點(diǎn)

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

1)煤層瓦斯儲(chǔ)存量高。

2)煤層吸附瓦斯能力高。

3)煤層在水力壓裂等強(qiáng)化措施下形成常規(guī)破裂裂隙所占比例低。

4)煤層瓦斯儲(chǔ)層滲透系數(shù)低。

5)煤層瓦斯壓力較低。

2.2 煤層瓦斯的賦存狀態(tài)

瓦斯在煤層中的賦存狀態(tài)有兩種，即游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)，煤層瓦斯含量為兩者含量之和。游離態(tài)的瓦斯一般以自由氣體狀態(tài)賦存于煤層孔隙及裂隙之間;吸附態(tài)的瓦斯是以固體分子狀態(tài)賦存于煤體結(jié)構(gòu)的表面或內(nèi)部。實(shí)驗(yàn)表明，煤層中游離態(tài)瓦斯含量約為10% ～20%，吸附態(tài)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(guān)系見(jiàn)圖2，圖3［2］。

2.3 采動(dòng)對(duì)瓦斯造成的影響

在煤層開采前，吸附態(tài)瓦斯與游離態(tài)瓦斯處于相互不斷交換的動(dòng)平衡狀態(tài)，而由煤層、圍巖及瓦斯組成的系統(tǒng)也處于平衡狀態(tài)。由開采引起的原始煤體及巖體中的應(yīng)力變化會(huì)直接影響瓦斯的賦存狀態(tài)和瓦斯的運(yùn)移：一方面，采動(dòng)引起的周圍巖體變形會(huì)改變煤巖的孔隙率和滲透系數(shù)等力學(xué)參數(shù);另一方面，采動(dòng)引起的煤巖體移動(dòng)會(huì)改變?cè)瓗r應(yīng)力場(chǎng)，形成卸壓帶和應(yīng)力集中帶，從而影響瓦斯的運(yùn)移。在礦井開采過(guò)程中，老頂初次來(lái)壓及頂板周期來(lái)壓前后，煤巖體的孔隙率及透氣情況均會(huì)發(fā)生較大變化，對(duì)瓦斯的流動(dòng)產(chǎn)生顯著的影響。

2.4 煤與瓦斯共采技術(shù)原理

煤層開采后在本煤層形成卸壓帶和應(yīng)力集中帶，在卸壓帶內(nèi)，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(yùn)移;同時(shí)，采動(dòng)引起了煤體的變形和破壞，提高了煤體瓦斯運(yùn)移的透氣性，又為瓦斯的運(yùn)移提供了通道。另外，本煤層的巖體移動(dòng)同時(shí)引起本煤層上、下一定范圍內(nèi)覆巖應(yīng)力場(chǎng)的變化，從而導(dǎo)致上、下鄰近煤層瓦斯的卸壓，引起本煤層覆巖導(dǎo)氣裂隙帶產(chǎn)生，提高了瓦斯運(yùn)移的透氣性，為瓦斯運(yùn)移和持續(xù)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(qū)域內(nèi)瓦斯的各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)均有差異，應(yīng)當(dāng)采用不同方法合理高效地實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采。

2.5 煤與瓦斯共采技術(shù)方法

煤與瓦斯共采技術(shù)分為以下三個(gè)階段：

階段一：先采瓦斯再采煤，煤層開采前預(yù)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(chǎn)效率大大提高。

階段二：煤與瓦斯共采，在采煤的同時(shí)利用礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，在有利條件下進(jìn)行瓦斯抽采。

階段三：采完煤后再抽采瓦斯，即在回采工作結(jié)束后，對(duì)采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽采。

根據(jù)以上三個(gè)階段，將煤與瓦斯共采技術(shù)劃分為采前瓦斯抽采技術(shù)、采動(dòng)卸壓瓦斯抽采技術(shù)及老采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)，這三種技術(shù)共同組成煤與瓦斯共采的瓦斯抽采技術(shù)體系。

3 充填開采技術(shù)

充填開采技術(shù)是利用矸石、砂子、碎石等外來(lái)材料充填采空區(qū)，從而控制地表沉陷及巖層的移動(dòng)，充填開采同時(shí)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(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。充填開采按照充填位置、充填量、充填動(dòng)力及充填材料可分為不同種類，見(jiàn)圖4。

3.1 充填開采的巖層移動(dòng)與破壞特點(diǎn)

1)采空區(qū)充填可以減少由采動(dòng)影響所造成的頂、底板破壞。實(shí)際開采過(guò)程表明，采用采空區(qū)充填時(shí)，頂、底板的破壞程度均遠(yuǎn)小于全部垮落法，導(dǎo)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(qū)充填可以減少地表移動(dòng)及破壞。地表移動(dòng)及破壞一般與開采厚度有直接關(guān)系，充填采空區(qū)相當(dāng)于減小了開采的厚度，故可減小地表移動(dòng)和破壞。

圖4 充填開采方法分類

3)采空區(qū)充填能夠有效緩解采煤引起的礦山壓力顯現(xiàn)。采空區(qū)充填通過(guò)改變煤體及圍巖的受力狀態(tài)，有效分散采動(dòng)影響壓力以及減少應(yīng)力集中，采空區(qū)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(yīng)當(dāng)指出的是，由于充填材料體積不可能完全充填采空區(qū)，因此，充填率不可能達(dá)到1。

2)充填體壓縮率。

充填體壓縮率一般是對(duì)充填體進(jìn)行室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)得到的，指在完全側(cè)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(qū)在使用河砂充填的情況下，地表正常系數(shù)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(shù)一般可達(dá)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(qū)的下沉量。由于煤層的開采而導(dǎo)致的煤巖體內(nèi)應(yīng)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(chǎn)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(huì)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(qū)的充填采煤法。

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

我國(guó)水砂充填采煤法除少數(shù)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(yùn)煤、支護(hù)等工序與垮落法相同，由于采用充填法進(jìn)行頂板管理，采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)不明顯，因此，工作面控距可適當(dāng)加大且支護(hù)密度可相應(yīng)地減小，但是生產(chǎn)過(guò)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(yè)爐渣、劣質(zhì)土、風(fēng)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(guò)管道輸送到地下進(jìn)行采空區(qū)的充填。普采工作面膏體充填工作面布置見(jiàn)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(zhǔn)備，確保設(shè)備完好，系統(tǒng)正常。

2)實(shí)施“漿推水”。先利用清管器將清洗球裝入充填管道，開動(dòng)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(qū)巷道排水溝內(nèi)。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(shí)間間隔輪流充填至待充填空間，間隔時(shí)間應(yīng)根據(jù)待充填空間內(nèi)漿體充填程度及膏體料漿可泵時(shí)間確定。

4)實(shí)施“水推漿”。充填量達(dá)到設(shè)計(jì)充填量后，裝入清洗球，切換到備用泵管路并停止充填泵，實(shí)施“水推漿”。管路沖洗干凈后切換轉(zhuǎn)向閥至截止?fàn)顟B(tài)，并使管路內(nèi)充滿清水。

5)結(jié)束充填工作。將機(jī)器設(shè)備運(yùn)至地面以備下次使用。

4 保水開采技術(shù)

礦井開采過(guò)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(shù)的目標(biāo)是在防治采場(chǎng)突水的同時(shí)，有意識(shí)地對(duì)水資源進(jìn)行保護(hù)，減小煤炭開采過(guò)程中對(duì)水文環(huán)境的擾動(dòng)，并且對(duì)地下水與礦井開采的關(guān)系進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)礦井水資源的保護(hù)和利用。

4.1 開采對(duì)地下水的影響

1)開采對(duì)淺、中層地下水的影響。淺、中層地下水是生活用水和工業(yè)用水的主要來(lái)源。在采煤活動(dòng)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(yè)用水的短缺。

2)開采對(duì)深層地下水的影響。由此井工開采過(guò)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(zhuǎn)化為礦坑水排出，導(dǎo)致深層地下水位逐年下降，這種下降很難在短期內(nèi)得到恢復(fù)。

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(huán)境的污染，另一方面打破了地下水正常循環(huán)的平衡，對(duì)地下水的水位、水量及水質(zhì)都造成嚴(yán)重的影響。

4.2 保水開采技術(shù)方法

1)合理選擇開采區(qū)域。

對(duì)于不同的地質(zhì)環(huán)境條件應(yīng)當(dāng)選擇不同的措施：對(duì)于不存在含水層或含有厚度較大隔水層的區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)保水開采;對(duì)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(shí)現(xiàn)保水開采的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)研究其覆巖破壞規(guī)律、水位等之后再進(jìn)行保水開采;對(duì)于富含水且煤層埋藏較淺的地區(qū)，煤層開采會(huì)導(dǎo)致地下水全部滲漏，應(yīng)當(dāng)暫緩開發(fā)，待解決地下水滲漏問(wèn)題后再進(jìn)行開發(fā)。

2)留設(shè)防水(砂)安全煤巖柱。

首先，可利用鉆孔沖洗液法結(jié)合其他方法確定裂隙帶高度;其次，可利用厚松散層下近風(fēng)化帶保水開采的GIS研究，設(shè)計(jì)保水條件下的安全煤巖柱。通常，防水煤巖柱要大于導(dǎo)水裂隙帶最大高度與保護(hù)層厚度之和，防砂煤巖柱要大于垮落帶高度與保護(hù)層厚度之和，視情況留設(shè)防塌煤巖柱。保護(hù)層厚度的確定見(jiàn)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(hù)層厚度

表3 急傾斜煤層防水及防砂安全煤巖柱的保護(hù)層厚度

3)開采方法。

目前，主流的保水開采方法有減小導(dǎo)水裂隙帶高度的開采方法，如國(guó)內(nèi)外所采用的“三下”采煤技術(shù)，以底板加固為主導(dǎo)技術(shù)的保水開采技術(shù)和長(zhǎng)壁工作面快速推進(jìn)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(huán)使用及處理

礦井水一般用物理方法或化學(xué)方法進(jìn)行處理。物理方法主要包括自然沉降法和過(guò)濾法;化學(xué)方法主要包括混凝法。經(jīng)過(guò)處理的礦進(jìn)水可供給生活用水或工業(yè)用水，不同的用水對(duì)象對(duì)水質(zhì)有不同的要求，應(yīng)采用不同的工藝進(jìn)行礦井水處理，例如對(duì)于低濁度礦井水可采用直接接觸過(guò)濾工藝處理，對(duì)于高硬度礦井水可采用石灰軟化法或離子交換法處理，對(duì)于高礦化度礦井水可采用反滲透或電滲析工藝進(jìn)行處理等。

5 結(jié) 語(yǔ)［2］

綠色開采技術(shù)能夠有效減少煤礦開采活動(dòng)對(duì)于自然環(huán)境的破壞，煤與瓦斯共采技術(shù)能夠同時(shí)增加煤礦的產(chǎn)出，充填開采與保水開采對(duì)于地上建筑及水資源的保護(hù)具有重要意義。綠色開采技術(shù)在一些煤礦已經(jīng)取得了一些成果。但綠色開采技術(shù)處于起步階段，各項(xiàng)理論及實(shí)踐并不完善，還需進(jìn)一步研究與提高。另外，煤礦的成本應(yīng)包括資源、環(huán)境、安全、生產(chǎn)、發(fā)展五個(gè)方面內(nèi)容，對(duì)綠色開采的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)應(yīng)遵循完全成本要求［5］，以對(duì)煤炭企業(yè)進(jìn)行正確評(píng)估和指導(dǎo)煤礦快速持續(xù)發(fā)展。

［1］ 繆協(xié)興，錢鳴高.中國(guó)煤炭資源綠色開采研究現(xiàn)狀與展望［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，(1)：11－14.

［2］ 俞啟香.礦井瓦斯防治［M］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992：79－95.

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

［4］ 簡(jiǎn)煊祥，李云飛，楊永均.煤礦保水開采技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2012，40(1)：47－50.

［5］ 鄭愛(ài)華，許家林，錢鳴高.科學(xué)采礦視角下的完全成本體系［J］.煤炭學(xué)報(bào)，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(guó)礦業(yè)大學(xué)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