煤炭綠色生態開采理念及技術體系

宋立平

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

我國東部地區的開發經驗告訴我們，東部地區煤礦的開發造成了井田內土地發生大面積沉陷、建構筑物等發生破壞，地面河流徑流大大減少，對地下水破壞非常嚴重，也因此造成了很多村莊的搬遷，甚至有的地區土地沙漠化非常嚴重。另外，由于礦物質中的有害物質進入地下水，使得地下水資源受到了污染。

為了吸取東部地區的經驗及教訓，伴隨西部的發展，有的學者提出了保水開采、綠色開采的概念。保水開采的理念是由范立民于1992年在研究鄂爾多斯盆地北部侏羅紀煤田獨特的礦床地質條件時提出的，煤田地質總局等單位隨后在1995—1998年期間針對保水開采開展了一系列的研究[1-9]。在上述研究的基礎之上，陜西煤田地質局于2003年提出了保水開采的條件和相應的技術措施。其基本內容是在西部地區，通過優化布局、合理設計、科學開采，使得煤炭在順利開采的同時對自然水資源進行了有效的保護，使得開采與生態環境協調可持續發展。

同年，錢鳴高院士等[10-13]提出綠色開采的技術理念。綠色開采的內涵是降低煤礦開采對周圍生態環境的破壞程度，達到資源開采相互之間及與生態環境相協調的一種狀態。綠色開采技術，基本出發點就是從采動影響的角度利用相關開采技術開采煤炭或其他資源時降低或減少對生態環境的不利影響；目標是使開采者獲得最優的資源經濟、環境和最大的社會效益。其中，保水開采屬于綠色開采內容很重要的一部分。自保水開采提出以來，王雙明等[14-16]國內專家開展了系統的研究，形成了一系列的科技成果。

1 煤炭綠色生態開采理念的提出

我國煤炭資源分布特點是“西部地區多、東部地區少”。東部和中部的煤炭資源占全國煤炭資源儲量的25%；西南部的煤炭資源占全國煤炭資源儲量的9%；而西部的煤炭資源占比高達66%，而埋深在1 000 m以上煤炭資源在東部地區逐年萎縮，已趨于枯竭。西部地區擁有6大煤炭基地，其煤層賦存條件簡單，適合建設千萬噸級和億噸級特大型礦井集群。因此我國開啟了西部大開發，以確保煤炭資源作為主體能源的主體地位長期不會改變，為我國的總體經濟的發展保駕護航。根據煤炭工業發展“十三五”規劃，我國各地區煤炭產量及占比見表1。

表1 我國各地區煤炭產量及占比Table 1 Coal output and proportion in different regions of China

伴隨西部淺煤層資源大開發，矸石、礦井水排放等引發植被枯死、矸石自然發火、水體受到污染以及地表塌陷等環境問題引發社會的關注與重視。2020年煤炭對環境的開發影響見表2。廢棄礦井現狀及預計如圖1所示。

表2 2020年煤炭開發對環境的影響Table 2 Influence of coal mining on environment

圖1 廢棄礦井現狀及預計Fig.1 Status and forecast of abandoned mines

2014年4月24日，十二屆全國人大常委會第八次會議表決通過了《中華人民共和國環境保護法》，被稱為“史上最嚴厲”的環境保護法，體現了國家對環境問題的高度重視。2020年5月，習近平總書記在考察山西時指出，要牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”的理念，發揚“右玉精神”，統籌推進山水林田湖草系統治理，抓好“兩山七河一流域”生態修復治理，扎實實施黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略。因此，從自然生態環境的保護、資源的綜合利用、國家政策各方面出發，均要求盡快提出并形成“綠色生態開采技術”。

2 煤炭綠色生態開采的理念、概念與內涵

2.1 煤炭綠色生態開采的理念

煤炭綠色生態開采理念是建立在煤炭綠色開采、生態保護建設的基礎上的，即建立集開采和生態保護為一體的現代煤炭開采生態保護系統，是綠色開采概念的延伸和補充。涉及關鍵層巖層控制理論和隔水層重構理念。它充分利用了巖層控制理論—關鍵層理論以保證綠色開采，以及隔離層重構理念保證開采后地下水資源及地表生態不被破壞。其概念是從廣義角度對待煤炭開采時產生的瓦斯、水、矸石、粉塵、熱能甚至廢棄礦井本身等作為一種資源去加以綜合利用。具體表現是集中體現礦區資源地上地下一體化開采、加工、利用，實現與生態環境的協調發展，實現“零損害”“零排放”的綠色生態開采利用體系，即著眼于“源頭”設計，進行布局、采取相關預防措施將污染物的產生或者其他對生態環境的破壞降到最小，把采前、采中、采后生態環境保護和資源綜合利用作為一項系統工程進行整體規劃和長遠謀劃，其目的是達到資源開采相互之間及與生態環境之間處于相協調發展的一種狀態，以期實現煤礦開采循環經濟的健康發展，達到可持續發展的目標。取得最佳的經濟、環境與社會效益。

2.2 綠色生態開采技術體系內涵

綠色生態開采技術體系內涵如圖2所示，共包含7個方面。對礦井原有廢棄物或有害物質觀念的轉變，使得有害廢棄的物質重新再利用，變害為寶、變廢為寶，以達到減少生態環境破壞的要求，例如矸石。從源頭上設計減少采動影響對環境的破壞，例如保水開采。基于巖層運動的特點建立綠色開采的理論基礎，例如離層注漿減沉技術。基于隔水層重構理念地下水的保護理論。對廢棄礦井觀念的轉變，使得廢棄礦井的有限空間得到利用，閑置土地、廠房等資源得到有效發揮。對熱能利用觀念的轉變，使得乏風、地下水余熱回收再利用。對塌陷區的治理利用觀念的轉變，使得塌陷區治理后功能得到有效發揮，例如可以建設水庫、進行光伏發電、生態旅游開發等。

圖2 煤炭綠色生態開采技術體系內涵Fig.2 Connotation of green ecological coal mining technology system

3 煤炭綠色生態開采技術體系的主要內容

煤炭綠色生態開采技術體系主要包括2方面內容，一方面是綠色開采、一方面是生態保護。具體煤炭綠色生態開采技術體系框架如圖3所示。

3.1 技術體系框架

綠色開采技術原內容包含5個部分。分別為減沉開采、保水開采、煤與瓦斯共采、煤層地下氣化技術、矸石減排。其中前4個部分仍保留在綠色開采體系內，僅將矸石減排技術從綠色開采體系內摘出，其原因是矸石減排技術本質是把矸石當作一種材料來考慮，因此會涉及相關技術。若作為充填材料用于保水開采，則屬于保水開采體系內的井下充填開采技術的一種。若作為充填材料用于減沉開采，則屬于減沉開采技術的一種。矸石發電、制磚與開采沒有關聯，而與生態保護有很大關系，因此矸石減排技術屬于生態保護綜合防治技術體系的范疇。由于矸石是作為一種材料來進行處理的，是對矸石的綜合利用，考慮對環境的保護，稱之為矸石零排放技術，納入生態保護綜合防治技術體系內。

煤層氣利用技術主要指瓦斯發電技術；地下水庫儲水技術主要指利用采空區對水進行凈化儲存的技術；煤水仿生共采技術指運用“導—儲—用”的思路將水資源采出的技術；海綿礦井技術指最大限度實現雨水反補地下水及綜合利用，對井下污水、清水的綜合利用與適量存儲的技術；清潔利用技術指的是煤泥水處理技術、矸石零排放技術；節能減排技術指的是廢水循環利用技術、乏風、水余熱利用技術；生態防護功能圈構建技術指從生態學的基本原理出發，根據礦區自然條件與開發建設特點，科學進行生態功能圈的劃分構建技術；生態修復與功能優化指采后沉陷區植被修復技術、生態功能優化技術、微生物復墾等關鍵技術；廢棄礦井利用技術指充分利用廢棄礦井內的可利用有效空間的技術，包括壓縮空氣儲能技術、抽水蓄能技術以及儲油等技術；粉塵防治技術指有效預防、控制和降低粉塵造成的危害而采取的相關技術及措施；煙氣脫硫脫硝技術是應用于多氮氧化物、硫氧化物生成化工工業的一項鍋爐煙氣凈化技術。這11個方面的內容分別從瓦斯的綜合利用、水資源的儲存，凈化綜合利用、節能減排、清潔高效利用、塌陷區預防與治理、廢棄礦井空間利用、粉塵防治、有害氣體防治的角度來提高對資源的綜合利用和對生態的保護。因此，以上技術劃為生態保護綜合防治技術體系。

煤水仿生共采技術由張建民等[17]提出，地下水庫理論框架和技術體系由顧大釗院士[18-20]提出。采前生態防護功能圈構建技術、采中清潔利用技術、采后生態系統修復與功能優化技術由楊俊哲、陳蘇社等人提出，相關技術文中不再詳細表述。中煤西安設計院開展了海綿礦井技術、原煤井下脫水技術、矸石零排放技術、廢棄礦井利用技術等相關研究探索，取得了一定的成果，以下著重從這幾個方面進行論述。

3.2 海綿礦井技術

根據海綿城市的概念，結合煤礦的特點，提出了海綿礦井的概念。目前已取得相關專利3項，該技術一方面最大限度實現雨水反補地下水及綜合利用，另一方面從源頭上減少整個礦井的涌水量，并實現對井下污水、清水的綜合利用與適量存儲。該技術是一種海綿礦井綜合體，包括海綿型工業場地、條帶充填水質凈化采空區、生態修復園區和地下水反向補給區；其中海綿型工業場地包括綠色屋頂、雨水花園、植草溝、地面透水鋪裝、地面生態蓄水池、地面排水管渠、深度水處理站。下雨時，建筑物的綠色屋頂所包含的土壤、耐旱植物可涵養部分雨水，多余雨水由建筑物的雨水立管流入雨水花園，對雨水進行滲透、滯留、凈化作用，多余水量再進入植草溝進一步滲透、滯留、凈化，直至流入地面生態蓄水池；海綿型工業場地內的廠區道路、非生產用途的廣場均采用透水磚或透水水泥鋪設，形成透水鋪裝，降雨時，一部分雨水經透水鋪裝滲透至地下，另一部分進入植草溝，經滲透、滯留、凈化后流入地面生態蓄水池；地面生態蓄水池內的水可用于地面綠化及澆灑道路，超標雨水經地面排水管渠排至生態修復園區。

該技術是將首采工作面布置在首采煤層中標高最低處，井下采煤工作面采用條帶充填采煤工藝，減少采空區導水裂縫帶發育高度，盡可能的避免關鍵含水層中水的漏失，從源頭上減少整個礦井涌水量；減少后的礦井采空區涌水及礦井頂板疏放水為清水，直接排至井底主水倉；井下污水收集后沿設置在水處理巷內的污水管路排至條帶充填水質凈化采空區，經條帶充填水質凈化采空區凈化后成為清水，流入臨時水倉，再經臨時水倉處的排水泵經清水管路排至井底主水倉；井底主水倉內的清水再排至設置在地面上的深度水處理。

圖3的煤炭綠色生態開采技術體系框架站經過處理后即可達到生活用水標準，可復用于全礦井生產生活用水，多余水量經地面排水管渠排至生態修復園區，用于植被修復。進一步，條帶充填水質凈化采空區可以根據礦井的涌水規律及生產生活用水量，適當存儲部分地下水資源，待需要時再進行復用；當該地區出現暴雨，面景觀水池水位超限，生態修復園區無法消納時，將多余水量經地面排水管渠排至地下水反向補給區，通過多個滲井滲透至地下，用于補給地下水。從而實現對全礦井水資源的有序的綜合利用，實現海綿型礦井。海綿礦井綜合體具體如圖4所示。

圖4 海綿礦井綜合體示意Fig.4 Overall structure of sponge mine

3.3 原煤井下脫水技術

原煤井下脫水技術是創新性的將選煤廠煤泥水處理技術完善運用于井下原煤脫水的一項技術。旨在解決井下原煤水量過大帶來的生產和安全問題。參考工藝路線為分級脫水+高頻篩回收粗煤泥+壓濾機回收細煤泥工藝，簡述如下：原煤經20 mm(可調)分級后，+20 mm物料直接作為原煤，-20 mm篩下末煤再經1 mm脫水后，篩上直接入原煤；篩下煤泥水經濃縮分級后通過高頻篩回收粗煤泥后入原煤，弧形篩和高頻篩篩下水進入濃縮沉淀，底流經壓濾機回收后，細煤泥通過轉載帶式輸送機返回原煤，濃縮沉淀后的溢流與壓濾機濾液一起泵送和自流至水倉，系統煤泥分級回收，煤泥水不外排。

原煤井下脫水技術首次將煤泥水處理工藝的末端——細煤泥的濃縮沉淀與壓濾工藝移植到井下煤泥水處理，工藝完善，人工清理量小。對于生產礦井，應用原煤井下脫水技術涉及原運輸系統改造、脫水硐室改造以及壓濾硐室的改造或新建等難點工作，此外，大斷面硐室和巷道也給支護設計與施工帶了很大困難。中煤能源研究院與母杜柴登煤礦開展了井下煤泥水處理技術的合作，目前該項目已成功投入運營一年多，取得良好的效果，基本解決了皮帶打滑、機尾淤煤、稀煤竄倉、影響機電設備運轉、威脅職工人身安全等生產和安全問題，每年為企業創造近千萬的經濟效益。

3.4 矸石零排放技術

以新時代生態文明思想為根本遵循，以煤礦矸石井下充填為技術載體，圍繞礦井面臨的矸石排放、環境污染、無效提升等共性技術難題，集成跨界先進技術，優化生產適性技術，提升系統匹配技術，突破傳統技術瓶頸，構建地區適應型、工藝匹配型和經濟高效型多態矸石充填理論、技術與裝備，實現矸石零排放、環境低損傷，簡稱矸石零排放技術。矸石零排放技術是把矸石當作一種材料來利用，其用途分別為充填、減沉、制磚、發電等。根據充填的形態分為固體矸石、膏體、漿體。基于不同存在形態及用途，將矸石零排放技術分為固體矸石充填模式、膏體充填模式、覆巖離層注漿充填模式和漿體管道充填模式、制磚發電等用途。其中覆巖離層注漿技術從矸石利用的角度可歸為矸石零排放技術。其技術體系如圖5所示。

圖5 矸石零排放技術體系示意Fig.5 Schematic diagram of gauge zero discharge technical system

矸石綜合利用：井下煤矸石可以用來發電、制磚鋪路、提取氧化鋁，還可以復墾綠化。

固體矸石充填模式：固體矸石充填模式是指將井下掘進或地面洗選后的矸石經過破碎后，利用矸石運輸系統將矸石直接充填于井下廢棄空間，根據固體矸石充填位置的不同，可分為工作面固體矸石充填和巷道固體充填。工作面固體矸石充填利用充填液壓支架將矸石在采空區推壓密實；巷道固體充填利用高速動力拋矸機，將矸石在廢棄巷道中堆積排放。目前固體矸石充填模式已在我國東西部30余對礦井進行了應用。

膏體充填模式：膏體充填模式是利用水泥作為膠結劑，以矸石、尾砂作為骨料，以粉煤灰等灰料作為輔料，按照一定比例加水配置成具有一定承載能力的無臨界流速的膏體，利用管道輸送將其輸送到工作面采空區或廢棄巷道中。該技術在我國陜北、蒙西、濟寧等礦區進行了應用。

覆巖離層注漿技術：該技術指將矸石作為充填材料在工業充填泵的作用下注入采空區上方的離層空間中，從而起到支撐上覆巖層、減緩巖層移動下沉的作用。

漿體管道充填模式：傳統的矸石井下充填由于投資大、成本高，嚴重制約了充填技術的推廣和應用。為了解決這一技術難題，亟需一種投資少、工程小、運行成本低的矸石充填系統。中煤能源研究院矸石零排放研究團隊提出漿體管道模式很好的契合了這一目標，并且針對漿體管道充填模式的技術難點提出一種煤柱上方一孔多開式地面注漿充填方法和一種用于處理固體廢棄物的采空區循環注漿充填系統，完善了該技術體系，并且通過龍王溝煤礦、王家塔煤礦等工程設計案例得以驗證，為我國礦山企業矸石的綠色處理提供了一種全新的方法。漿體管道充填模式基本原理是將地面矸石進行破碎，并研磨成微小顆粒，然后以水為載體，以管路為通道，以工業泵為動力，將固廢顆粒遷移至井下開采垮落后的殘余空間，利用“水-砂”混合物在開放空間的沉淀特性以及采空區的過濾能力，使得固廢顆粒滯留于井下廢棄空間，按照充填位置的不同分為高位、低位、鄰位注漿充填技術。該技術在內蒙古準格爾礦區進行了推廣應用。

3.5 廢棄礦井利用技術

廢棄礦井利用技術指的是把廢棄礦井當作一種資源進行綜合利用開發，分別有廢棄礦井儲氣技術、廢棄礦井儲能技術、廢棄礦井儲油技術、廢棄礦井儲水技術、廢棄礦井生態旅游等開發技術。廢棄礦井利用技術如圖6所示。對廢棄礦井的開發利用，可以減少閑置資源的浪費。國外利用廢棄礦井比較早。在1936年，納粹德國就將一座硬石膏改造成為一個地下飛機工廠和軍火倉庫，美國的“班尼斯特、豪路曼斯”軍事中心利用的是一座廢舊的石灰石礦，瑞典利用長石礦井、石英礦井、鐵礦井儲存重燃料油和輕油；德國和法國利用鹽巖洞穴儲藏石油產品，同時美國利用鉀鹽礦儲存油庫，還有用作地下冷庫、防控掩護所、辦公室、生產車間、倉庫、醫院等。而我國對于關閉/廢棄礦井的開發利用尚處于起步階段。

圖6 廢棄礦井利用技術體系示意Fig.6 Schematic diagram of abandoned mine utilization technology system

中煤西安設計院就新集三礦廢棄礦井壓縮空氣儲能進行了可行性研究。運用數值模擬軟件就壓縮空氣儲能巷道和硐室的穩定性、礦井壓縮空氣儲能主、副井筒的穩定性、壓縮空氣儲能巷道和硐室支護及加固后的穩定性、壓縮空氣儲能巷道和硐室的密封方案和密封性開展了相關的模擬研究，建立了廢棄礦井壓縮空氣儲能的安全性和穩定性判識原則，提出了用于壓縮空氣儲能井巷和硐室的地質穩定性設計準則。提出了利用廢棄礦井的巷道和硐室進行壓縮空氣儲能的支護及加固方法，并提出了采用丁基橡膠密封層作為巷道和硐室及端頭的高壓氣體密封方法。同時就廢棄礦井重力儲能、抽水蓄能等研究提出了解決方案，并獲得6項發明專利。

4 結語

煤炭資源開采、綜合利用與生態保護建設協調發展的煤炭綠色生態開采技術是目前煤炭開采帶來的問題的根本解決途徑。因此要實現綠色生態開采，必須提前布局，優化設計、統籌考慮、提高資源綜合利用技術，尤其要提高對采前、采中、采后、閉坑后的生態保護與建設的技術，分別從地質勘探、設計、施工、生產、閉坑各階段實施相關的技術，以確保煤炭綠色生態開采的健康持續發展。