煤礦綠色開采技術研究綜述

【摘 要】 本文分析了綠色開采技術的理論基礎、內涵及研究現狀，梳理了綠色開采技術的技術框架，對綠色開采技術的研究進程和主要內容進行了闡述。

【關鍵詞】 煤炭 綠色開采 技術 綜述

我國是一個富煤、貧油、少氣的國家，煤炭在一次能源中占70%左右。在未來相當長的時期內，煤炭仍是我國的主要能源，可以說礦產資源深刻地影響著我國國民經濟的發展。另一方面，盡管礦產資源滿足生產和生活的需要，但傳統的資源開采不僅造成資源的嚴重浪費，加劇資源供需矛盾的嚴峻形勢，更造成生態環境很大程度上的破壞，對生物的多樣性和生態平衡造成嚴重威脅。對綠色開采相關研究現狀進行梳理對深刻理解與實踐綠色開采，實現可持續發展具有重要意義。

1 綠色開采的內涵與理念綜述

2010年8月13日，國土資源部發布了《國土資源部關于貫徹落實全國礦產資源規劃發展綠色礦業建設綠色礦山工作的指導意見》，隨文附帶了《國家級綠色礦上基本條件》。這是第一份以官方文件的形式提出綠色礦山的明確要求，是綠色礦山發展的指導性文件。

從綠色開采的內涵來看，學術界眾說紛紜。學者錢鳴高（2003）認為，從廣義資源的角度論看，在礦區范圍內的煤炭、地下水、煤氣層（瓦斯）、土地以至于煤矸石以及在煤層附近的其他礦床都是礦區的開發對象。綠色開采即是以防止或盡可能減輕開發煤炭對環境和其他資源的不良影響為出發點，以取得最佳的經濟效益和社會效益為最終目標。其在論述科學開采的概念中，提出科學開采要實行礦產品完全成本花的思路。汪云甲（2005）認為，礦區的綠色開發是將礦區資源與環境作為一個整體，考慮各種自然資源，實現礦區資源的綜合體、立體、協調的開發利用，綠色開采、綠色礦山、綠色礦業是這些理念的進一步拓展。黃敬軍（2008）則提出綠色開采帶來的是一種全新的礦山發展模式，是解決礦山可持續發展的最佳途徑，要點為確立礦山資源環境一體化、突出生態園林礦山。孫維中（2006）認為，綠色開采要嚴格實施科學有序的開采，又要對礦區及周邊環境的擾動控制在環境可控的范圍內，并通過有效措施對必須破壞擾動的部分進行恢復治理，確保礦山的存在、發展直至終結，始終與周邊環境相協調，即注重礦產資源開發、與周邊環境協調程度等兩個方面。

從以上綠色開采的內涵出發，煤礦綠色開采主要具有三方面的特點：一是對原有礦井廢棄（或有害）物觀念轉變，；二是從源頭上采取措施減輕開采對環境的破壞，而不是先破壞后治理，即應通過采礦方法的改變和調整來實現地下水資源的保護；三是基于巖層運動的特點建立綠色開采理論基礎：巖層運動對礦山壓力造成影響，煤層開采后引起的巖層變形-破裂-移動是造成一系列環境問題的根源。

綠色開采的理念已得到世界采礦界的廣泛認同，國際著名采礦專家Gauss曾在其主編的刊物上發表專論介紹中國的綠色開采，并建議將綠色開采作為現代采礦科學的新詞匯。

2 綠色開采技術體系綜述

2.1綠色開采技術體系

綠色開采技術體系的提出主旨在于將煤炭開采活動對自然環境的影響和破壞減少到最低限度。對礦業來說，就是要成為“綠色礦業”，綠色礦業的核心內容之一就是要實現“綠色開采”。

錢鳴高（2003）針對煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，提出綠色開采技術包括以下內容（見圖1）：①水資源保護——形成保水開采技術；②土地與建筑物保護——形成離層筑漿、填充與條帶開采技術；③瓦斯抽放——形成“煤與瓦斯共采”技術；④煤層巷道支護技術與減少矸石排放技術；⑤地下氣化技術。

綠色開采技術系統所參照的理論主要有以下幾點：①關鍵層理論，有關關鍵層復合效應對采場礦壓與巖層移動的影響，以及綜述了關鍵層理論及采場礦壓控制、巖層移動與地標沉陷控制和煤層瓦斯抽放等應用研究方面的學說；②開采對巖層造成的破壞以及移動的影響及對其移動規律的觀察和利用；③對開采區域誰在裂巖體中的滲透規律的掌握；④了解煤炭開采后巖層內節理裂隙分布、變化規律等。

2.2 綠色開采技術的研究進程及主要內容

2.2.1關鍵層理論研究的簡要回顧

基于采場老頂巖層“砌體梁”理論，1996年，以錢鳴高院士為代表的課題組提出了巖層控制的關鍵層理論，關鍵層是指對巖體活動全部或局部起控制作用的巖層。該理論的提出，對研究層狀框體開采中厚硬巖層對巖層中節里裂隙的分布及其對瓦斯抽放以及突水防治具有重要意義。

2.2.2 保水開采技術

保水開采技術就是在采煤過程中對地下水資源進行保護并對礦井進行資源化利用。目前研究大多基于以下兩點理論。

隔水層理論：水體地面與煤層之間應有相應厚度的隔水層，才能實現水體下安全采煤。該理論認為具體的采煤方法需要綜合參考隔水層的厚度、隔水層的性能、水體至煤層的距離、厚采、水量大小以及水源等因素。

“三帶”理論：理論認為①對于地面水體，松散層底部和基巖中的強、中含水層水體，要求被保護的水源等水體，不容許導水斷裂帶波及；②對于松散層底部的額弱含水層水體，允許導水斷裂帶波及；③對于厚松散層地步為極弱含水層或可以疏干的含水層，允許導水斷裂帶進入，同事允許垮落帶波及。

長壁工作面快速推進、留設防水煤柱、對采空區實施填充是當下最常用的三類技術。加快工作面推進速度可使破斷巖層盡快朝反方向與工作面一側未斷巖層在斷面下端鉸接并擠壓閉合，形成隔水關鍵層，保證安全回采和水資源不流失；防水煤柱的留設可以使煤層頂板巖層破壞減小，導水裂縫帶不波及水體，但該方法會浪費大量煤炭資源；煤層開采過程中對采空區及時進行填充，可以有效減小工作面前后支撐壓力的分布，達到和留設防水煤柱一樣的效果。

2.2.3土地與建筑物保護-形成離層注漿、充填與條帶減沉開采技術

我國目前減少煤礦開采造成地表沉陷對地面建筑物和農田破壞的方法有：離層注漿、條帶與充填開采，利用這些方法對破壞的農田復墾。

許家林（2006）提出了煤礦充填開采技術：它僅對采空區的局部或離層區與冒落采空區進行充填，靠覆巖關鍵層結構、充填體及部分煤柱共同支撐覆巖控制開采沉陷。按部分充填的位置分為三種部分充填開采技術：采空區膏體條帶充填、覆巖離層分區隔離筑漿充填、條帶開采冒落區注漿填充。

目前我國比較成熟的充填方法有，膏體充填，矸石充填，超高水充填。

2.2.4瓦斯抽放-形成“煤與瓦斯共采技術”

煤層瓦斯是有害氣體，同時又是潔凈能源。瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出，一直是我國煤礦所面臨的重大災害。同時，排放到大氣中的瓦斯還造成了嚴重的環境破壞。對煤層瓦斯進行抽采利用，是綠色開采必須解決的基本問題之一。在基于對巖層采動裂隙動態分布規律的認識提出的卸壓瓦斯抽采“O”型圈理論，在一些礦區的卸壓瓦斯抽采中，對鉆孔布置起到了指導作用。

我國目前礦井瓦斯抽放技術主要由：采掘前抽放（預抽），邊采邊抽和采后抽放（采空區抽放）。

2.2.5 煤層巷道支護技術與減少矸石排放技術

減少排矸和進行矸石利用是綠色開采技術的另一大任務。煤層巷道支護技術的機理就是減少巖石巷道的掘進量，以煤巷掘進為主，從而實現減少矸石的排放問題。目前研究成果有：系統研究和揭示深部、動壓巷道圍巖塑性區的發生發展過程，以及擠脫型和擠壓型兩類冒頂的實質。科學地解釋了動壓巷道底鼓過程冒頂及其原理：提高支護效能，及時主動有效加固頂板，消除松脫型冒頂；增大錨故范圍，削弱層狀頂板沿弱面的漸次離層和垮冒；建立“楔形”的強化承載結構，防止錨固區外離層和擠壓型冒頂。

2.2.6 地下氣化技術

煤炭地下氣化是指不用將煤炭采出地面，而直接在煤層賦存滴點獲得可燃氣體的過程，即在地下將煤通過熱化學過程變為氣態燃料，然后經由鉆孔排至地面收集利用。煤炭地下氣化是是一種整體綠色開采技術。目前我國煤氣化已經取得了很大發展，但煤井下氣化還正處于研究試驗階段，還需我國科研實踐工作者去努力研究和探索。

結束語

煤炭資源的綠色開采是煤炭行業貫徹科學發展觀的必然選擇，也是可持續發展工業技術的重要組成部分，綠色開采是近年來提出的嶄新的開采理念，未來綠色開采技術一定會有更大的發展空間，將成為未來煤礦開采技術方式的發展方向。

目前，煤炭綠色開采技術形成了基本的技術框架，仍有一些新興領域值得探討，如新型煤礦填充材料與工藝系統、基于巖層移動與關鍵層理論的開采沉陷預測與建筑物下采煤的定量設計方法等。同時，仍缺乏綠色開采技術所服務的其他學科和知識，諸如經濟核算、評價體系構建、科學管理等，這都有待于進一步研究。

【參考文獻】

[1] 錢鳴高.綠色開采的概念與技術體系，煤炭科技，2003，4：1-3.

[2] 錢鳴高，許家林，繆協興.煤礦綠色開采技術，中國礦業大學學報，200432（4）343-347.

[3] 錢鳴高，石平武，等.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003

[4] 許家林，朱衛兵，李興尚，等.控制煤礦開采沉陷的部分充填開采技術研究[J].采礦與安全工程學報，2006，23（1）：6-11

[5] 孫維中.淺談綠色礦山建設[J].煤炭工程.2006（4）：60-61

[6] 黃敬軍，倪嘉曾，等.綠色礦山創建標準及考評指標研究[J].中國礦業，2008（7）：36-39

[7] 田立波，劉帆，陳忠良.中國煤炭資源綠色開采技術進程與現狀[J].能源技術與管理，2010（4）

作者簡介：周洋蛟（1988年-），男，漢族，籍貫：四川省遂寧市，職務/職稱：機電工程師，學歷：全日制本科，單位：四川省煤炭產業集團有限責任公司，單位郵編610000。