煤矿绿色开采技术
钱鸣高1，许家林1，缪协兴2
(1.中国矿业大学 能源科学与工程学院，江苏 徐州221008; 2.中国矿业大学 理学院，江苏 徐州221008)
关键词:绿色开采;关键层理论;岩层移动;绿色开采技术体系
中图分类号:TD 82文献标识码:A
1煤矿绿色开采的提出
党的十六大报告明确提出“……走出一条科技含量高，经济效益好，资源消耗低，环境污染少，人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子.”因此，我们必须充分考虑我国资源相对短缺，环境比较脆弱的基本特点，建立起适合我国国情的资源节约、环境友好的新型工业化发展道路.
近期提出的循环经济(recycling economy)是指遵循自然生态系统的物质循环和能量流动规律重构经济系统[1]，将经济活动高效有序地组织成一个“资源利用－绿色工业－资源再生”的封闭型物质能量循环的反馈式流程，保持经济生产的低消耗、高质量、低废弃，从而将经济活动对自然环境的影响破坏减少到最低程度.它不同于传统经济的“高开采、低利用、高排放”，而是达到“低开采、高利用、低排放”的可持续发展目标.显然，此处的“绿色工业”是广义的概念，应由各个工业部门去实现.对矿业来说就是要实现“绿色矿业”.“绿色矿业”的核心内容之一就是要实现“绿色开采”
矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致的，而进行开发建设后，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了矿区独特的生态环境问题，如造成农田以及建筑物破坏，村庄迁徙，矸石堆积，使河川径流量减少，以及地下水供水水源干枯，在地面导致的土地沙漠化，由于开采而使矿物内的有害物质流入地下水中等.我国目前的煤矿生产是在以下两种情况下进行的:一是生产成本不完全.如投入不足;技术装备落后;安全设施欠帐;工人工资太低.二是相关费用支付不全.如矿产资源费以及植被恢复，地面塌陷与水损失;污染治理等.提出并形成绿色开采技术是为了使我们正视开采对环境造成的影响和破坏，并有清醒的认识与足够的估量，以便提出必要的对策和对政府提出必要的政策建议.
煤炭开采形成的环境问题主要为:
1)对土地资源的破坏和占用煤炭开采对土地资源的破坏损害，井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主.
2)对水资源的破坏和污染煤炭开采过程中，进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源.同时开采还可能污染地下水资源.
3)对大气环境的污染主要来自矿井排出的煤层瓦斯和煤矿研石山的自燃.
以山西省为例，1949-1998年共生产原煤56亿多吨，地面塌陷破坏面积达100多万亩，其中40%是耕地.研石山占地3万多亩，至1998年煤炭地下采空面积达1 300 km²(全省面积的1写).采煤破坏地下水4. 2亿m³/a，地表水逸流减少，导致井水水位下降或断流共计3 218个，影响水利工程433处、水库40座、输水管道793. 89 km;造成1678个村庄，81. 2715万人，10. 824 1万头牲畜饮水困难.使本来缺水的山西环境受到进一步破坏.平均每采万吨原煤造成塌陷土地0. 2 hm²，每年新增塌陷地约2万hm².
矿井瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重的温室气体，也是导致煤矿重大安全事故的根源.据初步估计，我国2 000 m浅范围内具有30-35万亿m³煤层气资源，居世界前列.但由于我国煤层透气性小，难以在开采前抽出.建国以来，我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1 500余次，仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数达2 356人，为煤矿总死亡人数的40％.煤矿每年排放瓦斯70-190亿m³.同时瓦斯又是最好的清洁能源，因此必须加以利用，变害为宝.
由此可见，提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术”已迫在眉睫.
2绿色开采的内涵与技术体系
从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气(瓦斯)、土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床，都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用.
而原来对矿井瓦斯的定义是:“矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体”.而在矿井水文地质类型划分中认为:“根据矿井水文地质条件、涌水量、水害情况和防治水难易程度，划为……类型”.显然，上述概念将原本为矿区资源的瓦斯和水单纯作为有害物来对待是不合适的.
煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术，在基本概念上是从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各种资源;基本出发点是防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响;目标是取得最佳的经济效益和社会效益.根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，绿色开采技术主要包括以下内容:1)水资源保护－形成“保水开采”技术;2)土地与建筑物保护－形成离层注浆、充填与条带开采技术;3)瓦斯抽放－形成“煤与瓦斯共采”技术;4)煤层巷道支护技术与减少歼石排放技术;5)地下气化技术.这些内容构成的绿色开采技术体系简要表达如图1所示。
开采引起环境与主要安全问题的发生都与开采后造成的岩层运动有关(岩体不破坏上述问题都不会发生)，因此，绿色开采的重大基础理论为:1)采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布以及离层规律;2)开采对岩层与地表移动的影响规律;3)水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律;4)岩体应力场分布规律及岩层控制技术.
3岩层控制的关键层理论
采场老顶岩层“砌体梁”结构模型是针对开采过程中的矿山压力控制而提出来的.近年来，为了解决岩层控制中更为广泛的问题，提出了岩层控制的关键层理论[2-4].关键层理论提出的目的是为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽放与突水防治以及对开采沉陷控制等的影响.
3.1相邻硬岩层间相互作用的复合效应
关键层复合破断研究表明，一定条件下相邻两层关键层会同步破断.如假设相邻两关键层岩性相同，厚度分别为h1，h2，各自承担的岩层组厚度分别为Σh2,Σh3，则按梁的破断距计算公式可导出h1与h2同时垮落应满足的条件为
Σh3+h2＝(Σh2+h1)(h2/h1)² (1)
例如:h2是h1的2倍，则Σh3 + h2只要等于或大于Σh2 + h1的4倍，h2和h1将同时垮落.此时，虽然h2远大于h1，但上部关键层将不会产生离层.
3. 2关键层初次破断前的离层与采动裂隙“O”形圈
1)沿工作面推进方向，关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律:即关键层初次破断前，随着工作面推进，离层量不断增大，最大离层位于采空区中部.关键层初次破断后，关键层在采空区中部离层趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区.工作面侧的离层区是随着工作面开采而不断前移的，工作面侧离层区最大高度仅为关键层初次破断前最大离层量的1/3一1/4(参见图2).从平面看，在采空区四周存在图3所示一沿层面横向连通的离层发育区，称之为采动裂隙“O”形圈.
2)沿顶板高度方向，随工作面推进离层呈跳跃式由下往上发展.首先，第1层亚关键层下出现离层，当其破断后其下离层呈“O”形圈分布;此时，上部第2层亚关键层下出现离层，当其破断后其下离层呈“O”形圈分布，如此发展直至主关键层.
3)贯通的竖向裂隙是水与瓦斯涌人工作面的通道，对“导气”裂隙发育动态过程的研究表明，在开采初期，下位关键层的破断运动对“导气”裂隙从下往上发展的动态过程起控制作用，导气裂隙高度
由下往上发展是非均速的，随关键层的破断而突变.当采空区面积达一定值后，“导气”裂隙的分布也同样呈“O”形圈特征，它是正常回采期间邻近层卸压瓦斯流向采空区的主要通道.
上述成果对对“注浆减沉”及“卸压瓦斯抽放”的钻孔布置起指导作用.
3.3关键层对地表移动的影响
实验及实测研究结果都证明[5]，主关键层对地表移动过程起控制作用，主关键层的破断将导致地表快速下沉，地表下沉速度随主关键层周期性破断而呈现跳跃性变化.关键层破断后对地表变形的影响将与表土层的厚度有关.从而形成基于关键层理论的建筑物下采煤设计新原则.
4绿色开采技术的主要内容
4.1开采对地下水分布的影响
煤层开采后，随着关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗.地下水位能否恢复，则决定于随着工作面的推进，上覆岩层中是否有软弱岩层(事实上它是研究地下水渗漏的“关键层”)经重新压实导致裂隙闭合而形成隔水带.若有隔水带，则随着雨水的再次补给，下降漏斗也将随之消失.它对地面生态的影响则决定于漏斗形成与消失的时间间隔.
淮北矿区冲积层中的第四含水层(简称四含)与煤系地层相连，煤层开采后四含水位持续下降，形成了多个水位降落漏斗.目前淮北临涣矿区四含水位下降范围已达40 km²，造成了四含水资源的永久破坏.以临涣矿西风井85-02四含水文观测孔为例，1985年水位是97. 2 m, 2001年水位降至205.8 m,16年间水位下降了108. 6 m.
实际观测表明，含水层的水位下降与开采形成的导水裂隙通道紧密相关.图4为淮北朱仙庄矿84-15四含水文观测孔水位变化曲线，2000年3月以前水位缓慢下降，200。年3月开始84-15钻孔邻近的84采区开采，导致了钻孔水位的急剧下降.黄县煤矿在进行含水砂层下采煤试验中，在1201面沿走向布置一组观测钻孔，在回采前后及整个回采过程中进行了为期一年的水位观测，结果如图5及表1所示[6].由表1可见，水位降与钻孔孔底到开采煤层距离有关.由图5可见，孔1水位短暂变化后水位恢复原状，而孔2，孔3，孔4，孔5的水位下降后有所恢复，但在观测期未能恢复原状，而孔6则完全漏失了.因此，为了保护地下水资源，形成的保水开采技术应能使地下水位仅发生孔1所示的变化.
在一般地区要把地下水视为资源，在我国西北地区必须形成保水开采技术，即开采后地表水暂时形成下降漏斗仍能恢复到原来状态的开采技术.另外还应该进一步观察和研究水位变化对地表生物根系的影响.对于底板承压水的防治，也同样应遵循绿色开采原则.
4.2建筑物下采煤与减沉技术
1)基于关键层理论的建筑物下采煤设计新原则
基于岩层控制的关键层理论提出，可将保证覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的基本原则.为了保证建筑物下采煤既具有较好的经济效益，同时又确保地面建筑物不受到损害，关键在于根据具体条件下覆岩结构与关键层特征来研究确定合理的减沉开采技术及参数.
2)离层注浆减沉技术
确定覆岩中的关键层位置，掌握其离层与破断特征参数，是注浆减沉技术应用可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础[7].
关键层初次破断前的离层区发育、离层量大，易于注浆充填;而一旦关键层初次破断后，关键层下离层量明显变小，仅为关键层初次破断前的1/3-1/4(参见图2)，注浆难度增加.因此，离层注浆必须在关键层临初次破断前进行.钻孔布置及最佳的注浆减沉效果应保证关键层始终不发生初次破断.
4.3采空区充填开采技术
采空区充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，尤其在经济发达地区解决建筑物下开采更应受到重视.从理论上来说，充填采矿是解决煤矿开采环境问题的理想途径，但由于目前充填采矿的成本相对偏高，限制了该项技术在煤矿的试验与应用.
在市场经济条件下，充填技术的关键是充填材料的选取及如何降低成本.另外就是充填技术本身，它应该包括充填系统与开采系统的协调;充填运输系统的畅通;充填后材料的力学特性等.顺利解决上述问题将根本改变将来我国经济发达区域的开采技术.为了降低充填成本，基于岩层控制的关键层理论，提出了部分充填(条带充填)控制开采沉陷的思路:仅充填部分采空区，只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩主关键层的初次破断跨距，且充填条带能保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷.
4.4煤与瓦斯共采
我国煤层普遍具有变质程度高、渗透率低和含气饱和度低的特点，70%以上煤层的渗透率小于1× 10-3μm²，这对我国开展煤层瓦斯采前预抽是极为不利的.正因为如此，我国已钻的200多口采前地面煤层气井中，稳产高产井很少，单井产量超3000 m³/d的也只有约30口[8].实践表明，一旦煤层开采引起岩层移动，即使是渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍至数百倍，为瓦斯运移和抽放创造了条件.因此若在开采时形成采煤和采瓦斯两个完整的系统，即形成“煤与瓦斯共采”技术则不仅有益矿井的安全，而且采出的还是洁净能源.因此在开采高瓦斯煤层的同时，利用岩层运动的特点将煤层气开采出来将是我国煤层气开发的一条重要途径.
在“煤与瓦斯共采”技术方面，岩层运动中的关键层理论所得出的节理裂隙场分布、离层规律将对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放层开采最大卸压高度的影响等瓦斯抽出技术有重要参考作用[9].
4.5煤巷支护技术与减少矸石排放
采矿引起的矸石排放对环境形成影响，而减少矸石排放的主要措施是将巷道设置在煤层内.巷道维护是煤矿的永恒主题.过去，鉴于煤巷围岩是大变形且不可抗拒，因此维护原理是:“大断面预留量－可缩性支架－巷旁充填”.目前推行锚杆支护，首先是能否在煤巷中全面使用锚杆支护.显然，我们要形成“应力场测定－数值计算－支护设计－现场测定”完整技术以及煤巷锚杆支护理论.例如，沿空巷道的维护方式与采动后岩体内的应力重新分布及关键层的破断和形成的结构有关.而且直接影响支护参数的选择(例如锚杆不完全受拉而是受剪切)，因而要形成抗剪切锚杆.
矸石不上井涉及到煤巷维护问题，而且随着采深的增加，岩石巷的开掘将不可避免.因此矸石不上井就存在一个研石井下处理系统，结果是成本如何?另一种考虑能否将研石在地面处理，变废为宝，如变为建筑材料，充填材料等，终究矸石的地面处理要比井下处理简单得多.
应该说，在经济原则下矸石的井下处理是绿色采矿问题.而矸石的井上处理就像地面复恳一样是环境治理问题，不属于绿色开采技术
4.6煤炭地下气化
煤炭地下气化是一种整体绿色开采技术.它是将地下煤炭通过热化学反应在原位将煤炭转化为可燃气体的技术，是对传统采煤方式的根本性变革.不仅极大地减少了井下工程及艰苦作业，而且消除了煤炭开采对环境的污染和煤炭燃烧对生态环境的不利影响和危害.
煤炭地下气化技术在近10余年来经余力教授等的实践积累了一定的经验，为今后发展我国煤炭地下气化打下了良好技术基础.今后地下气化技术应解决:1)提高热值和生产适合于用户的气体;2)建立起一套行之有效的测控系统，重点放在燃烧位置和燃烧速度的控制技术上;3)燃烧后地下气化炉体结构变化及地面沉降状况的研究;4)如何使地下煤炭气化产生的致癌物质苯和酚不扩散、不污染和毒化地下水资源.其次是如何处理燃烧形成的大量二氧化碳对空气的污染.否则煤炭地下气化就失去了绿色开采的意义.
5结语
绿色采矿首先要将岩层运动对工作面的影响转为研究开采后岩层运动对岩体内形成空隙的影响，以及瓦斯、地下水的渗流规律.另外，几个重要标志是:
1)将瓦斯作为资源，变害为利，在采煤的同时形成地面或井下瓦斯共同开采系统;
2)根据岩层的组成，确定保水采煤的地层判别以及相宜的开采方法;
3)根据具体条件，形成充填、条带开采、离层区注浆等保护建筑物及地表的技术;对东部发达地区城镇下采煤，充填与条带开采是必然的选择，因而如何降低充填成本与提高充填技术是科学研究的方向;
4)形成在煤层内维护巷道的技术，减少矸石排放量;
5)形成煤炭地下气化技术，并研究其对地下水环境的影响.
参考文献:
[1]中国科学院可持续发展战略组.中国现代化进程战略构想[M].北京:科学出版社，2002.
[2]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J]•煤炭学报，1996,21(3):225-230.
[3]许家林.岩层移动与控制的关键层理论及其应用 [D].徐州:中国矿业大学，1999.
[4]钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论 [M].徐州:中国矿业大学出版社，2000.
[5]许家林，钱鸣高.关键层运动对覆岩及地表移动影响的研究[J].煤炭学报，2000,25(2):122-126.
[6]刘天泉.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京:煤炭工业出版社，1981.146-147.
[7]许家林，钱鸣高.覆岩注浆减沉钻孔布置的研究[J];中国矿业大学学报，1998, 23(2):28-30.
[8]黄盛初，朱超，刘馨，等.中国煤矿区煤层气开发产业化前景[A].煤炭信息研究院主编.2001年煤矿区煤层气项目投资与技术国际研讨会论文集[C].上海:2001,11,5一11
[9]许家林，钱鸣高.地面钻井抽放上覆远距离卸压煤层气试验研究[J].中国矿业大学学报，2000, 29(1):78-81.