煤矿绿色开采技术的研究与实践

钱鸣高，许家林，缪协兴
(中国矿业大学，江苏 徐州221008)

[摘要]阐述了煤矿绿色开采的提出、概念及绿色开采技术体系。绿色开采技术的主要内容应包括:保水开采、建筑物下采煤与离层注浆减沉、条带与充填开采、煤与瓦斯共采、煤巷支护与部分研石的井下处理、煤炭地下气化等，介绍了基于岩层控制的关键层理论开展的绿色开采技术研究与实践成果。
[关键词]绿色开采;关键层理论;岩层移动
[中图分类号]TDB23 [文献标识码]A [文章编号]1003- 6083 (2004) 01- 0001- 04
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，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[’}，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”。
    “绿色开采”的内涵是努力遵循循环经济中绿色工业的原则，形成一种与环境协调一致的，努力去实现“低开采、高利用、低排放”的开采技术。
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，井下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抽放和煤矿矸石山的自燃。
    以山西省为例，1949－1998年共生产原煤56亿多t，地面塌陷破坏面积达666 000多h m²，其中40%是耕地。研石山占地2 000多h m²。至1998年煤炭地下采空面积达1 300 km2(全省面积的1 %)。采煤破坏地下水4.2亿 m³ / a，地表水迁流减少，导致井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793 890 m ;造成1 678个村庄，812 715口人，108 241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t原煤造成塌陷土地0.2 hm²，每年新增塌陷地约2万h m²。
    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。事实上，笔者从20世纪90年代初已开始了有关“绿色开采技术”的研究和实践。在长期研究和实践的基础上，正式提出了煤矿绿色开采的理念及其技术体系[2]。
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)、土地以至于煤研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矸石排放技术;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基于关键层理论的绿色开采技术研究与实践
    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[3]。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。因而，关键层理论将为绿色开采的研究提供理论平台。
    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，上覆岩层中有否软弱岩层(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。把地下水视为资源，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。底板突水是在采动和水压共同作用下底板破坏所致，因此，底板突水机理及防治研究应重视采动底板破坏规律的研究。岩层控制的关键层理论的原理可以用于采场底板突水治理研究中，即在采场底板隔水层中，找出起主要控制作用的岩层—隔水关键层，由此展开相应的力学分析。在采场底板突水事故统计分析的基础上，对无断层底板关键层的破断与突水机理及有断层底板关键层的破断与突水机理进行了研究，据此提出了底板突水预测预报的原理与方法，在淮北朱庄矿6313工作面底板突水危险性的预测预报中得到了应用与验证[4,5]
    基于岩层控制的关键层理论提出: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。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[6,7]。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。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。在关键层理论指导下，开展了多个矿井建筑物下条带采煤试验和巨厚火成岩下离层充填减沉试验，累计安全采出建筑物下压煤数百万t，取得了显著的经济与社会效益。目前，关键层理论正应用于多个矿井的建筑物下采煤实践。
    我国煤层70%以上煤层的渗透率小于1×10-3 μm²，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]。而如何提高煤层采前渗透率是尚未解决的难题。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，为煤层气运移和开采创造了条件。因而，卸压煤层气抽放将是我国煤层气开采的重要途径。我国煤矿卸压瓦斯抽放工作一直在进行并取得了很大进展，但我国煤矿抽放瓦斯的主要目的还是为了采煤的安全，而不是将瓦斯作为一种有用的资源进行开采，大部分矿井抽放瓦斯未能利用而直接排放到大气中。目前，我国卸压瓦斯抽放总体上仍存在抽出率低及钻孔工程量大的问题，瓦斯总体抽出率仅为23％。如何基于岩层移动规律进行卸压瓦斯抽放方案的优化、提高瓦斯采出率将是我国煤矿卸压瓦斯抽放进一步研究的主要方向。基于岩层控制的关键层理论及煤矿绿色开采思想提出的“煤与煤层气共采”的基本观点为:将煤层气作为一种资源，充分利用采煤过程中岩层移动对瓦斯卸压作用并根据岩层移动规律来优化抽放方案、提高抽出率，在煤层开采时形成采煤和采煤层气两个完整的开采系统，即形成“煤与煤层气共采”技术，煤矿从采掘部署上把瓦斯抽放当作正规的开采工艺流程，从时间、空间与资金上给于保证，对抽放瓦斯进行利用。若在开采时形成采煤和采瓦斯两个完整的系统，利用岩层运动的特点将煤层气高效开采出来，即形成“煤与瓦斯共采”技术。关键层理论所得出的节理裂隙场分布规律将对瓦斯抽出技术有重要参考作用。将关键层理论及有关采动裂隙分布规律的研究成果应用于我国卸压瓦斯抽放的研究与工程实践，取得了以下主要成果[9-11]:
    (1)建立了卸压瓦斯抽放“O"形圈理论，它是指导卸压瓦斯抽放钻孔布置的理论依据，并已在淮北、淮南、阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功试验与应用。
    (2)理论与实测研究证明，上覆远距离煤层能充分卸压，其卸压煤层气可通过“O”形圈大面积抽放出来。首次在桃园矿进行了上覆远距离卸压煤层气抽放的工业性试验，取得了较好的抽放效果，为我国低透气性煤田煤层气开采开辟了一条新途径。同时，该方法扩展了开采下解放层的应用范围，为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径。该方法在我国许多矿区具备推广应用前景。
    (3)试验研究表明，邻近开采煤层的下位关键层的破断运动对“导气”裂隙发育的动态过程起控制作用。邻近层卸压瓦斯的涌出受控于“导气”裂隙发育的动态过程。对阳泉五矿15煤综放面而言，在初采期，其上邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征。上邻近层卸压瓦斯抽放孔(巷)布置应遵循如下原则:抽放孔(巷)沿倾向位置，在初采期应位于采空区中部，而在正常回采期间，应位于“O"形圈内。据此提出了阳泉五矿15煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案。
    矸石不上井涉及到煤巷维护问题，而且随着采深的增加，岩石巷的开掘将是不可避免。因此矸石不上井就存在一个矸石井下处理系统，结果成本如何?应该说，在经济原则下矸石的井下处理是绿色采矿问题。但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。
    煤炭地下气化是一种整体绿色开采技术。首先是如何使地下煤炭气化产生的致癌物质苯和酚不扩散与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严重污染的问题。否则煤炭地下气化就失去了绿色开采的意义。
4绿色开采若干待研究问题
    下列问题将是绿色开采有待进一步研究的主要问题:
    (1)采动破裂煤岩体中水与瓦斯流动规律研究;
    (2)基于岩层移动与关键层理论的开采沉陷预测与建筑物下采煤的定量设计方法;
    (3)适合煤矿特点的充填采矿材料与工艺系统;
    (4)煤矿绿色开采技术的经济评价方法与法规。
[参考文献]
[1]循环经济—实现现代化的理想经济模式.中国现代化进程战略构想[M].北京:科学出版社，2002 .
[2]钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报，2003，32( 4) :343-348
[3]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 .
[4]钱鸣高，缪协兴.采动底板岩层破断规律的理论研究[J].岩土工程学报，1995,17(6) :55-62.
[5]黎良杰，钱鸣高，李树刚.断层突水机理分析[J].煤炭学报，1996,21( 2) :119-223.
[6]许家林，钱鸣高.覆岩注浆减沉钻孔布置的试验研究[J].中国矿业大学学报，1998 ,27(3) :276-279 .
[7]许家林，钱鸣高.岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用[J].中国矿业大学学报，2004,33(2) :141-144.
[8]黄盛初，朱超，刘馨，等.中国煤矿煤层气开发产业化前景[A]煤炭信息研究院.2001年煤矿煤层气项目投资与技术国际研讨会论文集「c].徐州:中国矿业大学出版社，2001.
[9]Jialin Xu & Minggao Qian .Study and Application of the“Oshaped" Circle Theory for Relieved Nbthane Drainage .Proceedings of the’99 International Symposium on Mining Science and Technology，A.A.BALKEMA,1999:113-116.
[10]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.
[11]许家林，钱鸣高，金宏伟.基于岩层移动的“煤与煤层气共采”技术研究[J].煤炭学报，2004,29(2) :129-132.
作者简介:钱鸣高(1932-)，男，江苏无锡县人，中国工程院院士，中国矿业大学教授，博士生导师，从事采矿工程方面研究。