露天煤礦綠色開采技術的探討

關鶴偉

（義馬煤業集團義海能源有限責任公司，青海 海西州 817200）

一、前言

如何使露天煤礦的開采能夠實現能源結構的可持續發展，是當今國際熱點討論的課題，要想實現礦產資源開發利用與生態環境協調發展，就必須走綠色開采之路，節能優先，進一步改善能源結構，最終實現環境保護與能源的同步發展。

二、露天煤礦綠色開采的含義

習總書記提出的建設生態文明是關系人民福祉、關乎民族未來的大計，是實現中國夢的重要內容：“我們既要綠水青山，也要金山銀山。寧要綠水青山，不要金山銀山，而且綠水青山就是金山銀山”。

露天煤礦綠色開采，基本出發點是從露天煤礦開采布局，采剝的工作面設計等角度防止或盡可能減輕開采露天煤礦對環境和其他資源的不良影響，目標是取得最佳的經濟效益、環境效益和社會效益。

露天煤礦綠色開采對環境的破壞要從科學技術角度和現場設計方面更加重視。主要表現在：首先要根據煤田的位置和煤層的賦存情況，結合現場和周邊的環境情況，科學合理做好初步設計工作；利用地形地勢選址：包括工業區選址、儲煤場選址、生活區選址，和剝離物料的堆棄選址。工業區選址要根據地理位置距離適中，若離采取過近特別在開采階段因爆破等因素會對建筑物，設備和人員造成不安因素，距離較遠會造成一定的經濟浪費，生活區選址同樣要考慮到減少開采因素造成的影響，長期爆破形成的人為地震和剝離物料排棄時的灰塵等影響。特別是剝離物料選址更要在減少占地面積和不影響后期深部開采的影響，不能因選址過近導致采深后上壓力作用對采區邊坡造成重力影響，出現大面積滑坡和局部滑塌，更嚴重的是因后期括邊造成的二次搬用。要從長遠出發，所以剝離物料堆棄場所特別要進行深刻剖析研討后選取更優的位置。避免后期搬運造成巨額經濟損失。如果有相對較深山谷為最佳，但也要根據山勢考慮好后期防排水、防滑坡和防泥石流，也要考慮方便后期的治理和綠化等因素。同時在開采過程中使得礦山剝離物料科學資源化利用，實現循環經濟。其中，巖層控制理論是基礎，改革開采技術是根本。

三、目前露天煤礦開采現狀分析

1.露天煤礦開采破壞了原地區的地形地貌，同時也破壞了原始地貌所具有的保持水土的功能。當進行露天煤礦建設以及露天煤礦的開采工作時，很多時候都會在一定程度上影響土地的穩固性，并且對原生土地表面所覆蓋的綠色植被造成很大破壞。另外，露天煤礦的開采活動引起的地面坍塌等現象也會不斷延伸，從而使得周邊一些地區的建筑物也受到影響，一般表現為，周邊的地表出現了分層，這些分層的高低不一樣，造成房屋裂縫或倒塌，進一步擴大了土層的侵蝕強度和水土流失。

2.在露天煤礦區進行開采活動時，由于開采的頻繁性以及開采的力度不均等，導致了開采過程中地表出現坍塌以及各種大小不一的裂縫，從而使得土壤的結構越來越不穩定，內部出現了松散的現象，這樣土層中的一些淺層地下水就會沿著土壤中的裂縫不斷往下滲透和流失，使得在這些裂縫周圍的一些農作物或者植物由于缺乏水分而生長受到阻礙。

3.露天礦開采的不合理，容易造成污染。尤其是在一些高瓦斯的礦井中，瓦斯不斷涌出，進而進入大氣中，污染其周圍的環境，在人為因素以及自然條件的影響下，有時候還會造成自燃和爆炸，對附近居民的生活造成很大的威脅。

四、露天煤礦綠色開采新技術的應用

（一）露天井工聯合開采技術

隨著露天煤礦開采年限的增加，采坑深度相對增加，開采成本同時也會增加。當采坑達到一定深度后，除經濟效益不合理外還存在較大的安全隱患。那么深部資源怎么來更好地采出？就要科學合理地考慮充分利用露天礦坑，在合理的位置選址進行井工設計開采深部資源，也就形成了露天開采與井工開采同時進行，即露天與井工聯合開采，聯合開采的優點有：1.露天開采與井工開采屬一個礦，一些職能服務科室及管理人員可以共享共用；2.工業區和生活區可以共用在一起，減少新的選址和新的辦公生活區建設;3.井工開采的煤炭可以和露天煤礦開采的煤炭共用一個儲煤場，避免了新的儲煤場選址，減少了占地面積。4.井工礦不需要選址新的矸石山，可利用露天煤礦現有的排土場排棄，同時也可以利用現有的設備，減少設備的投資。但露采與井工開采必須協調，露天煤礦坑與井工要留設足夠厚的保安巖層、煤層，距離要以保證井工開采工作面的巷板穩定性。

（二）露天煤礦端幫靠幫開采技術

端幫靠幫開采是通過提高露天煤礦端幫邊坡角，增加煤炭資源回收、減少土地占用，提高開采經濟效果，其攻克難點為：靠幫開采方式及判斷準則。安家嶺露天煤礦和黑岱溝露天煤礦實施了端幫靠幫開采，端幫角度從34°提高到了38°，平均每年回收端幫壓煤60 萬噸。

（三）露天煤礦時效邊坡分析與二次設計技術

以往露天煤礦采區邊坡采用靜態、均一、永久性設計，采場端幫邊坡角緩。部分采場端幫同時還設置承載著運輸的通道和排水功能，臺階相對寬度增加，邊坡進一步變緩，造成端幫壓煤較多，并且占用土地相對增加。露天煤礦邊坡易滑區煤炭資源回收困難。時效邊坡考慮了采剝工程和邊坡動態耦合關系，采用若干采礦措施，實現露天煤礦邊坡動態分析與設計。易滑區煤炭回收技術采用“短途徑作業線、高強度推進、快速回向”技術，實現易滑區煤炭資源的安全回采。

（四）露天煤礦采區轉向方式設計技術

該技術包括:采區轉向方式分析技術、反向內排技術、“樹枝狀”運輸系統技術。中煤集團安太堡露天煤礦在轉向期間實施反向內排和樹枝狀運輸系統增加了內排土場的容量，縮短了運輸距離2 千米，節省土地150 余畝。

五、煤炭資源綠色開采的技術體系

鑒于各種綠色開采技術根據地理位置，氣候環境等不同都具有各自不同的適用條件,各個礦區應針對礦區的具體條件科學合理的設計選用合適的技術,從而形成具有各自礦區不同特色的綠色開采模式。

煤炭資源綠色開采技術系統

（一）煤與瓦斯共采技術

隨著國內開采技術的不斷進步，井下瓦斯抽放利用技術已逐步成熟。在露天煤礦地表巖層剝離的同時，地表層巖石擾動或出現裂隙會造成瓦斯散逸到空氣中，對于瓦斯含量高的煤層，瓦斯抽儲利用有很高的經濟價值，且對環境同時也有很大的保護。在露天巖層剝離的同時找準煤層斷層方向或褶皺背斜的軸部等瓦斯容易集聚儲存的區域，合理布局瓦斯鉆孔，進行抽放和儲存。由關鍵層理論建立的關鍵層破斷后形成“O”形通道理論，在一些地區的卸壓瓦斯抽放中對鉆孔布置起一定指導作用。

1.揭示了陽泉15 煤綜放面巖層移動對鄰近層瓦斯涌出的影響規律，提出并實施了陽泉礦區15 煤綜放面上鄰近層卸壓瓦斯高抽巷布置優化方案及初采期瓦斯超限治理方案。2.在淮北桃園開展了地面鉆井抽放上覆遠距離煤層卸壓瓦斯的工業性試驗，結果表明，上覆遠距離煤層卸壓瓦斯可通過“O”形圈大面積抽放出來。3.淮南礦區在潘一和潘三礦頂板巖層進行“環”形圈抽放瓦斯純量達19-20 m3/min，抽放率達48%以上。

因此，若在露天煤礦開采的同時形成采煤和采瓦斯2 個完整的系統，不僅有利于礦井的安全，減少因瓦斯事件造成的事故，而且采出的瓦斯也可以作為很好的清潔能源使用。地方政府應從政策上給以支持和幫助，鑒于我國大部分煤層透氣性較差，因此在開采高瓦斯煤層的同時，利用巖層運動的特點將煤層氣開發出來將是我國煤層氣開發的一個重要途徑。

（二）保水開采技術

所謂的保水開采就是科學合理采用新的采煤工藝方法和地面注漿封堵等措施，使露天煤礦在開采過程中使地表和地下水資源不受破壞，實現礦井水資源的科學保護和綜合利用。

露天煤礦巖層剝離開采后，隨著上覆巖層中關鍵層隔水層的剝離或斷裂，在該區域內地下水將形成下降漏斗。如山西大同礦區，煤層頂板較多為堅硬隔水巖層。隨著露天礦開采擾動后，井下采空區下沉造成頂板裂縫貫穿地表，頂板上部含水層的水通過巖層裂縫滲透流失，造成部分區域地下水干枯。地下水位流失后能否恢復，取決于工作面推進后上覆巖層中有無軟弱巖層，如有軟弱巖層在經水浸泡后重新壓實，會使得導通裂隙重新填充膨脹，裂隙閉合而形成新的隔水帶，從而起到很好的隔水作用，上覆地表水將再次恢復。我國西北干旱缺水礦區更應該重視保水開采技術的實驗研究，將保水開采作為礦區綠色開采的一個重點實驗項目。西安科技大學相關學者正在開展隔水層穩定性研究，即通過合理控制巖層運動，實現隔水層“O”形集中裂縫帶的“裂隙彌散”，防止或減弱導水裂隙帶的形成。目前保水開采技術發展還有較多的局限性，相信在弄清上覆巖層運移規律之后和裂隙帶的分布情況后，該項技術會進一步向前推進并且會有較大的進步。

（三）露天煤礦地下氣化技術

露天煤礦地下原煤氣化技術是一項整體全新的綠色開采技術。我國于1958～1960 年曾在16 個礦區進行地下原煤氣化技術試驗。露天煤礦地下原煤氣化的特點是把埋藏在地下的原煤直接變為煤氣，通過管道把煤氣供給工廠、電廠等各類用戶，使現有的地下作業改為采氣作業，是開采露天煤礦的一種新工藝。目前我國的地下原煤氣化技術仍處于工業試驗階段，諸如煤層的賦存條件、煤層厚度、原煤的變質程度、構造的復雜程度以及煤層上覆巖層的密閉性能等等此類很多問題仍需要我們深入研究和探索。

六、綠色開采發展前景

要解決中國現代化建設所面臨的能源問題，必須采取一條新的非傳統的發展模式和發展戰略，這一新的發展戰略其基本思路和主要內容如下:

（一）節能優先

靠建設大型露天煤礦為目標增加能源供應，露天與井工聯合開采保證經濟增長的發展模式。而消費使用必將會加劇能源短缺，削弱資源基礎。此外，中國節能潛力巨大，實施這一戰略是中國經濟持續、穩定、協調發展的關鍵一環，也是減少大氣污染和排放的最經濟途徑。

（二）改善能源結構

當前中國能源結構存在的主要問題是：露天煤礦比重大，水電和天然氣與其潛在的資源量極不相稱；一次能源轉換成電能比例和電力占終端能源消費比例太低;工業用能比例偏高，交通運輸和民用能源比例過低；農村生活用能70%依靠化石生物能源；煤、電、運發展不協調;能源產業結構不合理，能源供需的地區分布極不平衡。需以化石能源為基礎，利用好當地的新能源資源優勢，更好地在能源結構上進行一定的支持和改革。

（三）環境保護與能源同步發展

目前，燃煤引起的環境問題已經成為嚴重制約中國社會經濟發展的一個因素，在一些重點城市和使用高硫煤的地區尤為突出。對于中國這樣一個燃煤大國來說，唯一可行的就是大力發展綠色開采技術。

科學采礦技術框圖

七、結束語

綜上所述，在可持續發展戰略目標的領導下，“走綠色礦業之路”是當今社會和環境的共同需求，是建設資源節約型、環境友好型社會的必然要求。對露天煤礦綠色開采技術還有待相關部門進一步深入的研究和創新。