煤礦綠色開采理論與技術淺談

許家林

(中國礦業大學,江蘇 徐州 221116)

1 綠色開采概念

煤炭開采不僅需要保證安全高效，且必須盡快形成煤礦“綠色開采理論與技術”，便于指導生產實踐。事實上，中國礦業大學教授錢鳴高院士及其領導的課題組，從20世紀90年代初就已開始了有關“綠色開采技術”的研究和實踐。在長期研究和實踐的基礎上，2000年錢鳴高院士正式提出了煤礦綠色開采(Green Mining)的理念及其技術框架。綠色開采提出后得到了國內外學術界和煤炭行業的積極響應。現如今，“綠色開采”(green mining)已成為國際采礦界的通用詞匯，使行業在認識與行動上對采動損害與環境問題進行了統一，并成為國家綠色發展政策的一部分。經過近20年的研究和工程實踐，我國煤礦綠色開采技術創新成果百花齊放，應用實施成效顯著。綠色開采的內涵主要體現在以下3個方面。

1.1 廣義資源理念

傳統觀念認為只有煤炭是資源，其他都是廢棄物且是有害的，如瓦斯是有害氣體，礦井水會引發水害，矸石是固體廢棄物。綠色開采則認為與煤炭共伴生的瓦斯、地下水、地熱、土地、煤矸石、電廠粉煤灰及CO2等都是資源。該理念徹底扭轉了僅將煤炭作為礦區資源而漠視其他共伴生資源,甚至視其為有害物質的傳統觀念。

1.2 基于巖層破斷運動規律理念

巖層運動是采動損害與環境問題的根源，所引起的裂隙場、應力場、位移場及滲流場等分布規律是綠色開采的理論基礎。因此，控制或利用采動巖層破斷運動是綠色開采的基本手段。綠色開采研究必須高度重視采動巖層運動規律的研究。

1.3 源頭減損及全生命周期理念

從開采源頭考慮煤共伴生資源及環境的保護與開發，實現礦井全生命周期的綠色開采。首先，必須在礦井規劃設計階段研究具體礦井條件下煤炭及其共伴生資源與環境的特點，評估煤炭開采巖層運動對共伴生資源的影響，合理規劃礦井綠色開采方案。在開采煤層過程中,采用適宜的綠色開采技術,保護其他資源或實現其與煤炭資源的聯合共采，如煤氣共采、煤熱共采、煤水共采等。

2 綠色開采理論基礎

巖層運動規律(如裂隙演化、地表沉陷、流體運移)是綠色開采的理論基礎。采動損害和環境問題都與巖層破斷運動有關，據此提出了巖層控制的關鍵層理論。關鍵層理論將覆巖作為研究整體，抓住了起控制作用的主要矛盾。研究發現，對采動巖體運動起主要控制作用的僅為某一層或某幾層巖層，這些對覆巖活動全部或局部起控制作用的巖層稱為關鍵層。關鍵層在采動覆巖中的作用，上可影響至地表，下可影響至采場和支架，內部影響到采動裂隙與應力的分布和流體的運移，因而可作為礦山壓力、巖層移動及地表沉陷、采動巖體內的流體運移研究的統一方法。

煤層開采后引起巖層移動與破斷，形成豎向和層間采動裂隙。采動裂隙是開采空洞的傳播形式及地下水、瓦斯的流動通道，其演化會導致地表塌陷、突水與瓦斯涌出等工程災害。采動裂隙演化規律是保水采煤及水害防治、煤與瓦斯共采、覆巖注漿充填減沉等綠色開采技術的理論基礎。主要創新成果如下。

2.1 覆巖卸荷膨脹累積效應

采動覆巖經歷了卸荷膨脹與再壓實的動態過程，將覆巖卸荷膨脹總量隨卸荷高度及承受載荷的不斷累積而發生動態變化的現象稱為采動覆巖卸荷膨脹累積效應。采動覆巖卸荷膨脹累積效應是巖層移動過程中的自然現象，對巖層移動規律具有重要影響。例如，卸荷膨脹累積效應對關鍵層下離層具有顯著的抑制作用，導致關鍵層下最大離層量一般小于采高的10%，該發現指導了覆巖隔離注漿充填技術的創新研發及其在建筑物壓煤開采中的成功實踐；卸荷膨脹累積效應顯著減小了破斷巖塊的回轉角，影響上覆巖層的貫通破斷高度，進而影響導水裂隙的發育高度；充分采動條件下，覆巖殘余膨脹量與地表下沉系數呈反比關系，因此卸荷膨脹累積效應也會對地表下沉系數產生影響，如分層重復開采時，由于首次采動后覆巖殘余膨脹量的存在，導致重復采動后地表下沉系數較首次采動時增大。

2.2 基于關鍵層位置的導水裂隙帶高度預計

預計方法具體步驟為:收集工作面鉆孔柱狀；采用關鍵層判別軟件對所有鉆孔進行關鍵層位置判別；確定導水裂隙帶高度h,當主關鍵層位于10倍采高以內時，h≥基巖厚度；反之h=10倍采高以外第1層關鍵層與煤層的間距。與我國現有《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中的“導高”統計經驗公式相比，基于關鍵層位置的導水裂隙帶高度預計方法，充分體現了覆巖關鍵層位置對導水裂隙發育高度的影響規律，彌補了將頂板巖性統計均化為堅硬、中硬、軟弱和極軟弱進行導水裂隙帶高度預計的不足。

3 充填減沉開采技術

充填是防止采煤塌陷、保護建筑物與環境的源頭技術，我國出臺了一系列鼓勵充填采煤的政策文件。井下充填技術在減沉開采中起到了積極作用，但因其采充相互影響以及充填量大，存在效率低和成本高的問題。

覆巖隔離注漿充填技術是許家林教授團隊歷時20年研發的高效低成本充填技術，其技術原理如下：找出控制地表沉陷的關鍵層，在關鍵層破斷前，利用地面鉆孔向其下方高壓注漿充填煤基固廢漿體，通過“壓下托上”作用，將關鍵層下方碎脹巖體重新壓實形成支撐體，阻止關鍵層變形破斷，控制地表沉陷。矸石粉漿體沉析速率和塑性黏度與粉煤灰漿接近，矸石粉可替代粉煤灰用于覆巖隔離注漿充填。該技術優勢明顯，地表下沉系數小于0.1；噸煤充填成本40～60元，無需購置專用充填支架；不改變原有采煤工藝，單面產量達300萬t/a。

覆巖隔離注漿充填技術在安徽、山西、山東、河北、河南、江蘇、內蒙古等省的8個集團開展了60余項覆巖隔離注漿充填技術工程應用，取得了顯著效果，共保護46個村莊、9座大型建(構)筑物，處理固廢量達1 000余萬t，采出壓煤4 000萬t，經濟社會效益顯著。

4 保水采煤技術

保水采煤內涵4個層次：①避免采煤工作面突水事故；②避免采煤對含水層破壞；③礦井疏排水的資源化利用；④破壞含水層的人工修補。

在神東補連塔煤礦的突水防治應用中，突水危險區域預測結果指導了四盤區突水災害防治實踐，31401工作面避免了一次拆面搬家，不僅節約了搬家費用，消除了跳采煤柱損失，保證了工作面正常回采，取得了顯著的經濟效益。在皖北祁東煤礦的突水防治應用中，首采3222工作面最大水量達1 670 m3/h，礦井被淹，8個工作面共發生17起突水事故，嚴重威脅安全生產。揭示了松散承壓含水層下采煤壓架突水災害機理：松散承壓含水層起到了載荷傳遞的作用，導致在一定條件下覆巖整體破斷，“導高”溝通“四含”和砌體梁結構滑落失穩，引發壓架突水。在預測危險區域基礎上，采用預裂下位關鍵層、增加支架阻力、長觀孔水位監測預警等措施，徹底扭轉了頻繁發生壓架突水的被動局面。

在淮北袁二礦的充填保水應用中，7226工作面煤層埋深463～483 m，松散層厚度平均260 m，煤層厚度4.0～5.0 m。工作面里段540 m為正常開采，外段318 m因地面村莊壓煤實施了覆巖隔離注漿充填。水文長觀孔監測發現，注漿充填后第四系含水層水位由明顯下降逐漸出現恢復，說明覆巖隔離注漿充填具有保水效果。在郭家灘煤礦充填保水的應用中，煤炭開采導致淺層薩拉烏蘇含水層漏失，影響水源保護區，環保部批復該礦先行開采試采區，要求必須實施保水采煤，設計了覆巖隔離注漿充填保水采煤方案，充填矸石粉150萬t/a，采煤300萬t/a。

5 煤與瓦斯共采

煤與瓦斯共采是解決瓦斯難抽的根本途徑。將煤與瓦斯看作兩種礦產資源，利用人工增透和采動卸壓作用，實現煤與瓦斯一體化協同開采。從煤礦開采的時空關系來看，瓦斯抽采包括采前預抽、采動卸壓抽采和廢棄采空區瓦斯抽采等階段，貫穿于煤礦全生命周期。煤與瓦斯共采是解決瓦斯災害防治、礦區溫室氣體減排和瓦斯資源開發的根本途徑，真正做到“一舉三得”。巖層運動對瓦斯卸壓抽采的影響包括以下4個方面。

1)本煤層超前卸壓瓦斯。保證工作面煤壁至工作面前方20～25 m范圍的卸壓瓦斯抽采增長期合理抽采負壓和抽采管路的完整性，即本煤層瓦斯抽采鉆孔距離工作面煤壁3 m以內時方可拆除。從應用效果發現，工作面本煤層瓦斯抽采量平均提高了170%，瓦斯抽采率提高了98.4%。

2)鄰近層初采期卸壓瓦斯。陽泉礦區工作面初采期易出現瓦斯超限問題，這與初采期覆巖關鍵層的動態破斷過程緊密相關。抽采鉆孔(巷道)布置應結合覆巖關鍵層結構運動特點，有利于瓦斯抽采，研發了工作面初采期“組合傾斜巷”、“高抽+立眼”抽采卸壓瓦斯技術，解決了工作面初采期瓦斯嚴重超限問題。

3)“O形圈”理論。關鍵層破斷后采空區中部是壓實的，兩側因“砌體梁”懸臂作用無法壓實。從平面上看，采空區四周存在一個裂隙發育區，稱作“O形圈”。“O形圈”是匯聚瓦斯的“瓦斯河”，因此，將抽采鉆孔布置到“O形圈”內，抽采效果更好。

4)老采空區瓦斯抽采。我國存在大量廢棄采空區，并具備巨大瓦斯資源開發價值。在陽泉三礦開展了老采空區瓦斯地面鉆孔抽采試驗，獲得了有益經驗。通過加強技術攻關能夠有效治理瓦斯災害，煤礦瓦斯資源可以變害為寶。

6 綠色開采研究展望

1)采動巖層破斷規律、采動裂隙演化與滲流規律、采動應力演化規律、開采沉陷規律等綠色開采的理論基礎深化研究與量化預測。

2)從全生命周期(從礦井建設(采前)、礦井開采(采中)、礦井閉坑(采后))來研究和發展煤礦綠色開采的理論與技術。

3)綠色開采技術的高效率與低成本化研究。

4)結合“雙碳”目標的綠色開采技術研究。