煤炭綠色開采技術及其在西北礦區的應用前景研究

康亞明，劉長武

(1.北方民族大學化學與化學工程學院，寧夏 銀川 750021；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

社會進步的標志是經濟發展，而經濟發展的基礎是能源。我國是一個富煤、貧油、少氣的國家，煤炭在我國的一次能源中所占比例為70%左右[1]。由于能源消耗主要以煤炭為主，煤炭在我國經濟發展中具有重要作用。我國煤炭產量2007年為25.5億t，2008年為27.16億t，2009年為29.5億t。隨著我國煤炭產量的不斷增加，煤炭開采所帶來的環境問題愈加突出。煤礦在生產過程中產生眾多的污染源，諸如水、礦井廢氣、煤矸石、噪聲、粉塵及地表沉陷，而其中又以“三廢”(廢水、廢矸、廢氣)帶來的問題最為突出，“三廢”中又以廢水的污染問題最為明顯[2-5]。黨的十七大報告明確指出“……要完善有利于節約能源資源和保護生態環境的法律和政策，加快形成可持續發展體制機制。落實節能減排工作責任制”。由于我國大部分礦區分布在干旱半干旱地區，我們必須要走適合我國國情的節約資源、保護環境的可持續發展之路。

西北地區采礦歷史悠久，而且礦山采掘深度日益加深。露天開采、地下開采同時存在，尤其是20世紀80年代以來，地質生態環境急劇惡化，地質災害問題危機四伏。一方面制約了區內資源的開發和社會經濟的可持續發展，另一方面進行大規模的資源開發和各類人工經濟活動，必將以前所未有的觸動力影響著本地區的地質環境與生態系統，諸如水土流失加重、土地沙漠化擴展、淺層水資源衰竭、水體污染、地面變形破壞、地質災害加劇等，形成惡性循環。為此，全面、系統、深入地對該地區煤礦進行調查，研究煤炭資源合理開發利用方案，為該地區合理開發國土資源與保護自然環境，特別是地質生態環境、保持可持續性發展提供科學依據，具有重要的現實意義和深遠的歷史意義。

1 采煤引起的環境問題

煤炭的大規模開采與利用，既對經濟發展起到了巨大的推動作用，同時也對環境產生了重大影響[6]，如煤炭開采引起地表塌陷，生產過程中的噪聲等。采掘的廢矸石及排出的廢氣、廢水、粉塵，對環境產生嚴重影響，使部分建筑物、民居損壞，村莊搬遷，土地破壞，礦區大氣環境污染，生態系統遭到破壞等。其中又以“三廢”(即廢水、廢氣、廢渣)帶來的污染問題更為突出[7]。

1.1 廢氣與粉塵的污染

中國大部分煤礦都有瓦斯，并且高瓦斯礦井和煤瓦斯突出礦井占40%左右。此外，在井下其他作業過程中，還產生部分有害氣體，如使用柴油動力機械排放的廢氣中含有大量的NOX；井下使用的硝胺炸藥在放炮中產生CO和NOX；煤炭自燃產生CO、CO2等。為了井下生產安全，通常采用通風方式將井下的有害氣體抽出礦井排入大氣中。CO2、NOX、CH4、CO及H2S等是造成大氣污染和溫室效應的有害源，嚴重影響地球的氣候和生態環境，已引起國際環境組織和世界各國的廣泛重視。

1.2 固體廢物的污染

固體廢物的污染，在煤礦中主要是煤矸石的污染。在煤礦開采過程中，會同時采出頂底板的碎石與煤層中的夾矸，經過洗選分離后的煤矸石，作為固體廢物堆積起來成為矸石山。煤矸石對環境的影響，首先表現為侵占土地、破壞自然景觀。據不完全統計，我國煤矸石累計堆積已達30億t，占地55萬m2以上；其次是自燃發火，排出大量煙塵CO、H2S、SO2等有害氣體，損害人體健康，抑制作物生長，腐蝕構筑物等。

1.3 水體污染

“三廢”中，廢水對環境的破壞最大，造成的后果也最嚴重。不同類的礦區水系受污染的方式是不同的。水體污染主要分為兩類：一是煤礦開采對地下水水位的影響，包含對淺層、中層和深層地下水的影響；二是煤礦生活污水、礦井生產中產生的礦井水對地下水水質的影響。

1)煤炭開采對淺、中層地下水的影響。淺、中層地下水是工業用水和生活用水的主要水源，由于采煤的影響，導致煤系地層及上覆松散巖層中垂向裂縫增多、增大，煤系地層中的水以及松散巖層地層中的水均快速地向下滲透，形成了區域性地下水位降落漏斗。淺、中層地下水逐年被疏干，煤礦周圍村莊的水井也因無水而報廢，造成了村民的吃水問題。

2)煤炭開采對深層地下水的影響。煤礦開采過程中，為維持采礦的正常進行及采煤工作面的橫向和縱向的發展，必須將工作面周圍的水或潛在的水排出。隨開采深度的加大，深層各含水層水被截留，轉化為礦坑水排出。礦井排水量逐年增加，導致深層地下水位逐年下降，所形成的地下水降落漏斗范圍和幅度也越來越大。深層地下水位一再下降，很難在短時期內得到恢復。

3)煤炭開采對地下水水質的影響。礦井疏排地下水是煤礦對地下水系統的一項最基本操作。操作后果主要有2個方面：一方面是當有害地下水排到地面后，即構成污染源，可導致地表水體、淺層土壤、地下水含水層等其他環境因素的次生污染；另一方面是煤礦疏排水改變了地下水系統的自然物理與化學格局，并對地下水系統(包括地下水的儲存量和水質流場的介質等)產生反作用。兩種作用都引起礦區生態環境發生變化，并又反過來對礦區開發建設帶來不利影響[1]。

2 綠色開采的提出及方法

2.1 綠色開采的提出

黨的十六大報告明確提出：“走出一條科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、人力資源優勢得到充分發揮的新型工業化路子”。因此，必須充分考慮我國資源相對短缺、環境比較脆弱的基本特點，建立起適合我國國情的資源節約、環境友好的新型工業化發展道路。人類對礦產資源的開發和利用，一方面增加了社會財富，促進了經濟和社會的發展；另一方面又帶來了環境和災害問題。環境就好比一把“雙刃劍”，對煤礦開采及經濟效益既起到制約作用，又起到促進作用。只有正確地使用這把“雙刃劍”，才能實現環境和煤礦效益的雙贏。煤炭綠色開采作為一種煤礦開采的方法，能夠較好地處理好煤炭開采及環境保護的關系。

2.2 綠色開采方法

1)減沉技術。減少因開采造成地表沉陷對地面建筑物和農田破壞的辦法是：采用條帶與充填開采辦法減沉，對破壞的農田復墾。但條帶開采與傳統開采都存在明顯的不足之處。研究表明：主關鍵層對地表移動過程起控制作用，主關鍵層的破斷將導致地表快速下沉。因而，通過主關鍵層控制地表沉陷，形成“條帶煤柱或充填體-上覆巖層-主關鍵層”結構體系控制地表沉陷。

2)煤與瓦斯共采。煤與煤層氣(瓦斯)共采，就是將煤炭和賦存于煤層中的瓦斯都作為礦井的資源加以開采，實現兩種資源的共同開采。我國高瓦斯礦區應重視煤與瓦斯共采技術的研究，將煤與瓦斯共采作為礦區綠色開采的重點。

3)矸石減排。矸石減排是減少煤礦矸石排放量、消除矸石山的堆積。首先是少出或不出矸石，以煤巷取代巖巷，涉及到煤巷維護問題，需要不斷研發煤巷高效支護技術。矸石井下處理是將井下巖巷掘進矸石不提升出井，通過建立井下矸石轉運、儲存與充填系統，將矸石充填到采空區，或進行巷旁與廢棄巷道充填及矸石充填置換井下煤柱等。矸石綜合利用包括將地面矸石作為減沉充填或復墾充填材料、矸石制磚、矸石發電等。

4)煤炭地下氣化。煤炭地下氣化，就是不將煤炭采出地面，而將其在地下通過熱化學反應在原地轉化為可燃氣體，它是一種整體綠色開采技術。對于難以回收的殘留煤柱、低品位煤、難采煤層，應積極開展地下氣化技術的試驗研究。

5)保水開采。保水開采，就是在采煤的過程中，對地下水資源進行保護并對礦井排水進行資源化利用。煤層開采后，隨著上覆巖層中關鍵層的破斷，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，上覆巖層中有無軟弱巖層經重新壓實導致裂隙閉合而形成隔水帶。若有隔水帶，則隨著雨水的再次補給，下降漏斗將隨之消失，地下水位也隨之恢復。而它對地面生態的影響，則決定于漏斗形成與消失的時間間隔。

3 綠色開采在西北礦區的應用

西北地區土地遼闊，資源豐富，是我國本世紀末和下世紀很長一段時間內重點開發的地區。但是，西北地區自然環境嚴酷，生態脆弱，大規模資源開發面臨著一系列嚴峻的環境問題，直接影響和制約著本地區的資源開發和經濟發展。因此，必須結合綠色開采，探討解決這一問題的有效途徑。

3.1 保水防潰采煤

由于煤層淺埋和上覆松散充水含水層的大面積分布，保水防潰采煤問題，一直是西北煤礦區面臨的一個典型難題。西北地區生態環境脆弱，而礦區開發大量使用地表水和地下水，煤炭開采要對地下水資源人為疏干。采動形成的導水裂隙，對煤系含水層形成自然疏干過程，這些都將對當地生態環境產生嚴重影響。在保水開采研究中，應注意以下問題：①保水開采與防止潰水的概念。保水開采，必須研究開采前后巖層的水文地質變化，后者是從安全考慮。②西北地區必須研究采動覆巖內是否有隔水層，開采對地表和地下水系的破壞在降雨前后能否恢復，能否再造相應的隔水層。③地下水的利用，是減輕和修復開采對水資源破壞的重要途徑。

3.2 沙漠化問題

沙漠化是在脆弱生態環境下多源因素的產物，是受自然因素和人為因素綜合作用而發生、發展的。其中西北地區是一個典型，特別是煤礦區，沙漠化問題更為嚴重。而通過矸石減排，可以有效地減少沙漠化問題。減少排矸和進行矸石利用，是綠色開采技術的目標之一。通過優化巷道布置，多開煤巷少掘巖巷，開發煤巷護巷技術，可以減少矸石量。但隨著采深的增加，巖石巷的開掘將不可避免，處理好矸石利用是解決途徑。含碳量低的煤矸石可用于建筑材料、復墾回填材料等。對于有些不宜于在地面使用的矸石，可在井下充填采空區以保護地表。

3.3 水土流失問題

隨著我國西北煤礦區某些地方片面追求經濟效益，對草場、森林等資源進行掠奪性開發。由于缺少固定水分的植被存在，惡性循環，從而造成嚴重的水土流失問題。礦產資源開發要占用和破壞大量的土地，露天開采必須剝離煤層上覆的土層和巖層，使原來生長在這些土層表面的生物遭到破壞，還將影響礦坑周圍動、植物的成長，造成土地沙化。地下開采將造成地面變形、沉陷，對農田、道路、地面建筑物、地下管線產生危害或破壞。在煤炭開發、加工過程中，將產生大量的固體廢棄物，如煤矸石、尾礦壩及排土場的土石、煤泥等固體廢棄物。這些廢棄物的堆放不僅占用大量土地，并且對地表下面及附近的土地都有不同程度地影響。

3.4 水環境污染問題

工業的發展逐漸改變著人們的生活方式，其帶來的經濟效益使人們不斷收益，但同時工業產生的廢水、廢物，特別是放射性有毒的工業副產品對水環境產生嚴重的污染。礦物開采和加工不僅造成地表水和地下水污染，還能使地下水位降低，礦山周圍水資源枯竭，水土流失，旱災過多，甚至土地沙化。礦山酸性污水不僅污染地表水，而且可能通過地下井巷或巖層的裂隙污染地下水。

4 結束語

煤炭是不可再生能源，在儲量逐漸降低、生產利用成本加大、環境污染加劇的今天，實施煤炭綠色開采，對礦井安全生產和生態環境保護有重要意義。通過煤炭綠色開采理論指導煤炭生產，合理處理經濟與環境的關系，使煤礦得到綠色健康協調發展，有著極大的使用價值，可以創造出顯著的社會效益、環境效益、經濟效益。

1)煤炭作為主體和可靠能源，綠色開采是其可持續發展的主要內容之一，目標是取得最佳的經濟效益、環境效益和社會效益，形成開采與環境協調發展。

2)在開采技術方面，涉及到充填和剪沉、瓦斯抽采、保水技術等。開采后巖層運動，是導致環境破壞的基本原因。西北各個礦區應根據自身的條件和特點，積極研究實施適合自己的綠色開采模式，在保水開采、沙漠化、水土流失、水環境污染方面做出更多的努力。

3)煤炭綠色開采技術是一個復雜的工程，目前只形成了基本的技術框架，與綠色開采相關的政策還有待于進一步研究發展，以使煤炭企業得到快速健康的發展。

[1] 李嵐. 煤炭保水開采技術研究[J]. 露天采礦技術,2009(5)：14-19.

[2] 繆協興，浦海，白海波. 隔水關鍵層原理及其在保水采煤中的應用研究[J].中國礦業大學學報，2008，37(1)：1-4.

[3] 許家林，錢鳴高. 綠色開采的理念與技術框架[J].科技導報，2007，25(7)：61-65.

[4] 錢鳴高，許家林，繆協興. 煤礦綠色開采技術的研究與實踐[J]. 能源技術與管理，2004(4)：1-4.

[5] 謝中強. 淺析煤炭綠色開采技術[J].中州煤炭, 2009(5)：45-46.

[6] 周海東，張業健. 論煤礦“三廢”與環境保護[J].煤礦環境保護，2002，16(3)：5-8.

[7] 楊俊峰，付永勝. 煤礦環境污染評價及“三廢”資源化探討[J].環境科學與管理，2006，31(7)：179-181.

[8] 范立民. 論保水采煤問題[J]. 煤田地質與勘探，2005，33(5)：50-53.

[9] 楊吉平，朱守頌，章磊,等. 松散含水層下巷道圍巖監測及控制[J]. 煤礦安全，2010(1)：60-62.

[10] 王彬，高亞斌，韓志婷. 運用煤炭綠色開采，實現環境效益雙贏[J]. 煤礦技術，2010，29(2)：1-3.

[11] 王宇，王大鵬，霍丙杰. 煤礦區保水開采技術實踐[J]. 煤礦開采，2010，15(1)：44-46.

[12] 張自政，張德海，楊勇. 淺談幾種特殊條件下煤炭開采技術與綠色開采的結合[J]. 山東煤炭科技，2010(2)：159-160.