摘　要：綠色開采是煤炭開采的發(fā)展方向,對提高煤炭采出率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和實現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。深入分析了我國煤炭開采的現(xiàn)存問題，總結(jié)分析了綠色開采技術(shù)，調(diào)查研究了相關(guān)保障技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對科學(xué)采礦具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:工藝發(fā)展；綠色開采;保水開采;煤與瓦斯共采;充填開采;煤炭地下氣化

一、序言：
??? 煤炭開采造成巖層移動破壞,引起巖層中水與瓦斯的流動,導(dǎo)致煤礦瓦斯事故與井下突水事故;煤炭開采引起巖層移動,進(jìn)而造成地表沉陷,導(dǎo)致農(nóng)田、建筑設(shè)施的損壞;煤炭開采形成的大量堆積在地面的矸石,既占用良田,又造成環(huán)境污染;隨著我國礦井開采深度的不斷增加,礦山壓力顯現(xiàn)及沖擊地壓等動力災(zāi)害發(fā)生的頻次增加,強(qiáng)度增大,危及礦井的安全生產(chǎn)。上述問題若得不到有效解決,在未來幾十年內(nèi),隨著能源總需求和煤炭產(chǎn)量的不斷增長,煤炭資源開采所帶來的礦區(qū)安全和生態(tài)環(huán)境問題將更為嚴(yán)重,人類的生存和社會發(fā)展環(huán)境將受到嚴(yán)重威脅。根據(jù)我國的能源資源狀況,煤炭作為我國最重要的一次性能源,在未來20年內(nèi),其在能源構(gòu)成中的主體地位將不會改變。2020年我國煤炭消費量將達(dá)到40億t。屆時,煤炭產(chǎn)量很可能無法滿足工業(yè)需求。不能再單純地通過提高煤炭的產(chǎn)量緩解煤炭供應(yīng)的壓力,而應(yīng)該綜合考慮發(fā)展煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì),減少煤炭開采對環(huán)境的破壞,而且也應(yīng)該把“發(fā)展煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì),實現(xiàn)煤炭綠色開采”作為理念,大力發(fā)展綠色的采煤技術(shù)。
?? （一）、當(dāng)前中國煤炭開采的現(xiàn)狀
??? 煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中約占75%，在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中具有重要的地位和作用。開采煤炭過程中，地下水系統(tǒng)被人為強(qiáng)制性改變，一些可開發(fā)的地下水源不復(fù)存在，大部分礦井水沒有被處理而排放，引起地表環(huán)境的污染，我國煤礦區(qū)水資源普遍缺乏，煤炭開采對地下水資源的破壞也相當(dāng)驚人，當(dāng)前全國煤礦外排礦井水達(dá)22億t，選煤水0.28億t，其它工業(yè)廢水0.3億t，生活污水4億t；北方礦區(qū)平均噸煤破壞地下水資源約10m3，使生態(tài)環(huán)境惡化。特別是煤炭選洗加工及其他附屬工廠排出的工業(yè)污水，其危害更為嚴(yán)重，滲透流入農(nóng)田，引起減產(chǎn)；排入河流、湖泊，會淤塞河道，抑制魚類生長甚至引起死亡，滲入地下污染飲用水源，尤其是洗煤水中的浮選藥劑及聚丙烯胺藥劑具有毒性，并可誘發(fā)多種疾病，對人體健康造成極大這些問題已經(jīng)成為我國乃至世界各國政府和科技界共同關(guān)注的熱點問題。并且這些問題已不再是單一的環(huán)境要素問題，而成為影響我國社會、經(jīng)濟(jì)和區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)展的綜合性制約因素的系統(tǒng)問題 ，因此對于新時期的大工業(yè)建設(shè)，環(huán)保節(jié)約型煤礦開采勢在必行。
?? （二）研究的方法和目的
??? 采用收集資料的方式，對目前中國煤礦開采過程中存在的環(huán)境問題問題進(jìn)行論述，探討具體治理環(huán)境問題的對策以及實行以ISO14000環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境管理體系和開發(fā)綠色開采技術(shù)的重要性。
二、煤礦開采工藝的發(fā)展
?? （一）我國煤礦開采技術(shù)的發(fā)展歷程
??? 采煤方法是煤炭工業(yè)的關(guān)鍵工藝技術(shù)，是建設(shè)現(xiàn)代化礦井的基礎(chǔ)，走依靠科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展之路，是我國煤炭工業(yè)發(fā)展的重要方針。采煤方法改革的根本出路在于發(fā)展機(jī)械化、自動化、工藝操作程序化，從而達(dá)到安全、高產(chǎn)、高效、資源損失少的目的，并努力達(dá)成或接近國際先進(jìn)水平。
??? 建國初期，絕大多數(shù)煤礦設(shè)施極為簡陋，采煤方法多采用無支護(hù)的穿硐式和高落式。在三年經(jīng)濟(jì)恢復(fù)時期（1949-1952）推行了以壁式體系為主的采煤方法。1950年開始對頂板進(jìn)行分類，并采用了全部垮落法管理頂板。1952年，國營煤礦采用以長壁式為主的正規(guī)采煤方法，其煤炭出產(chǎn)量比重已由1949年的12.51%迅速增長到72.4%。
??? 第一個五年計劃期間（1953-1957），繼續(xù)開展采煤方法改革。1953年雙鴨山嶺西煤礦在長壁工作面上首次使用了框式聯(lián)合采煤機(jī).1957年，全國采煤機(jī)械化程度達(dá)到12.75%，以長壁為主的正規(guī)采煤方法所占的產(chǎn)量比重已達(dá)92.27%，并創(chuàng)造性的發(fā)展了一批適合中國國情的采煤方法。1964年，我國首次在雞山礦務(wù)局小恒山礦使用了淺截式滾筒采煤機(jī)，對發(fā)揮長壁采煤法的優(yōu)越性起了重要的作用。1965年以后，煤炭工業(yè)部組織推廣了一次多放炮、爆破裝煤、滾筒式采煤機(jī)采煤、使用金屬摩擦支柱和鉸接頂梁等12項先進(jìn)經(jīng)驗，使采煤方法得到進(jìn)一步的完善和發(fā)展。1974年開始采用采用綜合機(jī)械化采煤技術(shù)設(shè)備，從此我國的采煤方法走上了現(xiàn)代化發(fā)展的道路。第五個五年計劃期間（1976-1980），1977年煤炭工業(yè)部召開了全國采煤方法工作會議，確定了采煤方法的發(fā)展方向。在大力推廣走向長壁采煤法機(jī)械化采煤的同時，因地制宜地積極推廣傾斜長壁采煤法、柔性掩護(hù)支架采煤法、對拉工作面采煤、無煤柱護(hù)巷，水力采煤等。80年代以后，我國出現(xiàn)了十余種新采煤方法和采煤工藝，采煤方法得到了迅速的發(fā)展。
回顧我國50年來采煤方法的沿革，總結(jié)正反兩方面的經(jīng)驗教訓(xùn)，使我們認(rèn)識到，采煤方法的改革必須結(jié)合中國的國情來進(jìn)行。當(dāng)代中國由于采煤而帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，對周圍城鎮(zhèn)的居民生活造成了極大的影響，要實現(xiàn)新世紀(jì)中國現(xiàn)代化 “以人為本”的建設(shè)目標(biāo)，環(huán)保型煤礦開采方法和系統(tǒng)管理模式的發(fā)展是勢在必行。
?? （二）、我國采煤技術(shù)的發(fā)展方向
???? 1、采煤工藝的高新技術(shù)應(yīng)用
??? 繼續(xù)消化和吸收國外的先進(jìn)采煤設(shè)備的技術(shù)，在采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的大功率、高可靠性、智能控制等方面開展深入研究，對采煤機(jī)滾筒的煤炭分界面的自動識別技術(shù)、液壓支架的電液控制技術(shù)及三機(jī)的自動控制技術(shù)深入研究并投入工業(yè)運行。以上技術(shù)的發(fā)展， 最終為實現(xiàn)無人采煤工作面打下基礎(chǔ)，從而極大地提高煤礦效率。
??? 研究放頂煤開采技術(shù)中的難點問題，使其成為真正的高產(chǎn)、高效、高回收率、高安全的開采方法。目前對于放頂煤條件下頂煤的破碎規(guī)律，破碎后頂煤與頂板相互作用的移動規(guī)律的認(rèn)識仍不是特別清楚，從而導(dǎo)致支架架型的設(shè)計、回采工藝的選擇不合理、放煤率不高。所以，首先要開展進(jìn)一步的基礎(chǔ)理論研究，在此基礎(chǔ)上，運用新技術(shù)研制新型的放煤支架，完善探測頂煤放出率的相關(guān)技術(shù)，提高回收率。另外，對于高瓦斯礦井、堅硬頂煤及頂板礦井的放頂煤實踐需進(jìn)一步探討，合理地確定放頂煤的運用條件， 以及提高頂煤回收率的其它輔助方法。
??? 在煤層條件適宜的條件下使用大采高的開采技術(shù)。大采高開采技術(shù)一般指厚度大于3.8 m 的一次采全高綜采技術(shù)，目前，我國最高已采到5m，大采高開采技術(shù)的高產(chǎn)、高效、高回收率正受到越來越多的關(guān)注。采用大采高開采技術(shù)，由于設(shè)備大型化，支架高度大，因而使用新技術(shù)對大采高工作面的監(jiān)測監(jiān)控顯得尤為必要，否則，也不能充分發(fā)揮其潛力。采高大，采煤機(jī)的重量大，其自身的平衡與穩(wěn)定對機(jī)械制造及設(shè)備配套提出新的要求。支架的高度加大，重心提高，也極易出現(xiàn)失穩(wěn)，因而必須對支架的設(shè)計，特別是支架與上覆巖層的相關(guān)關(guān)系及支架的三維穩(wěn)定性進(jìn)入深入研究。另外，大采高技術(shù)的發(fā)展對回采工作面的運輸巷及回風(fēng)巷的支護(hù)與掘進(jìn)提出了新的要求。目前， 我國大采高的回采巷道高度一般在3m～4m ，采用錨桿、錨索等支護(hù)方式。一般情況下， 回采工作面與回采巷道之間出現(xiàn)一臺階，不僅浪費了煤炭資源，而且對回采工作面支架的穩(wěn)定性及回采工藝造成了很大影響。因而，研究回采巷道高度在4 m 以上的巷道支護(hù)方式及掘進(jìn)工藝，對于大采高技術(shù)的推廣應(yīng)用無疑是非常重要的。
??? 2、基于環(huán)保問題的采礦技術(shù)發(fā)展
??? 深入研究長壁采煤法對巖層及地表的破壞規(guī)律，特別是對水資源的破壞規(guī)律。在這方面的研究，以前主要著眼于煤礦的安全問題，而現(xiàn)在應(yīng)主要考慮環(huán)保問題。采用長壁全部垮落法后， 巖層產(chǎn)生大范圍的破壞移動， 如何控制這種破壞與移動以及它們與地下水破壞內(nèi)在規(guī)律的研究是有實際意義的。從這一點考慮， 在選擇采煤方法時， 應(yīng)充分利用新的理論方法，在開采順序、開采方法、工藝形成上進(jìn)行分析比較。
??? 發(fā)展開采過程中的瓦斯處理技術(shù)。瓦斯排放是煤礦的另外一個主要污染源，它加劇了溫室效應(yīng)，破壞臭氧層，給煤礦安全造成了嚴(yán)重的隱患。我國有多個煤炭企業(yè)有抽放瓦斯、變害為寶的實際經(jīng)驗。但抽放率較低，這與抽放設(shè)備、抽放技術(shù)工藝有關(guān)， 特別和開采過程中對瓦斯的運移規(guī)律認(rèn)識不清有關(guān)。因此，對于高瓦斯礦井的開采技術(shù)選擇應(yīng)同時考慮瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用。隨著對開采過程中瓦斯逸出及運移規(guī)律的逐步認(rèn)識，以及大孔徑、長距離抽放技術(shù)的成熟，開采中將從實體煤中抽出高純度的瓦斯，從而進(jìn)一步降低對環(huán)境的污染。
三、煤炭綠色開采體系
??? 煤礦綠色開采以及相應(yīng)的綠色開采技術(shù),在基本概念上是要從廣義資源的角度上來認(rèn)識和對待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各種資源。基本出發(fā)點是防止或盡可能減輕開采煤炭對環(huán)境和其他資源的不良影響。目標(biāo)是取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。根據(jù)煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等,綠色開采主要包括以下內(nèi)容:水資源保護(hù)-“保水開采”;瓦斯抽放-“煤與瓦斯共采”;土地與建筑物保護(hù)-“充填開采”;排放矸石占用土地污染環(huán)境-“煤炭地下氣化”等。2003年,中國礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士首次提出了煤礦綠色開采的概念和技術(shù)體系,隨后明確了實現(xiàn)煤炭資源開采和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的綠色開采研究目標(biāo),為我國綠色開采技術(shù)的研究指明了方向。錢院士提出的綠色開采技術(shù)體系, 綠色開采理論依據(jù):1、關(guān)鍵層理論。2、開采對巖層移動的影響及移動規(guī)律。3、水在裂巖體中的滲流規(guī)律。4、開采后巖層內(nèi)節(jié)理裂隙分布發(fā)育規(guī)律等。
?? （一）保水開采
??? 保水采煤在不同的礦區(qū)有不同的技術(shù)內(nèi)涵,缺水礦區(qū)要以水資源保護(hù)和利用為主;大水礦區(qū),要以減少水資源破壞和防治水災(zāi)害為主。因此,保水開采包含水資源保護(hù)、水資源利用(煤水共采)和水災(zāi)害防治等多項重要內(nèi)容。煤礦開采過程中破壞了地下含水層的原始徑流,大量排出地下水;采空區(qū)上方導(dǎo)水裂隙帶與地下水體貫通,形成大規(guī)模地下水降落漏斗,造成區(qū)域含水層水位下降,直接影響到區(qū)域水文地質(zhì)條件。采動影響穩(wěn)定后產(chǎn)生的地表沉陷往往影響到地表水體(河流、湖泊、井泉等)的原來形態(tài),造成部分溝泉水量減少甚至干涸;影響當(dāng)?shù)鼐用裾５纳a(chǎn)生活,進(jìn)而影響區(qū)域植被生長,甚至土地沙漠化。我國大部分礦區(qū)處在干旱半干旱地區(qū),而每年采煤破壞地下水22億m3,可見保水開采具有重要的意義。
?? （二）煤與瓦斯共采
??? 瓦斯既是礦井有害氣體也是潔凈能源。因此,應(yīng)該使其資源化,其技術(shù)途徑有:
?? 1、采前抽采:若能在開采前將煤層內(nèi)瓦斯抽出,則是利用瓦斯改善煤礦安全的最好辦法。但由于我國大部分煤體透氣性低,在本層內(nèi)抽采瓦斯有難度。
?? 2、煤與瓦斯共采:開采后圍巖壓力降低,大量瓦斯在采空區(qū)釋放,有利于瓦斯抽采,因此形成煤與瓦斯共采體系。
?? 3、廢棄礦井抽采瓦斯。鑒于廢棄礦井煤層經(jīng)過采動而充滿瓦斯,因而可以利用采動后巖體內(nèi)裂隙場的分布及鉆孔,將瓦斯抽排管裝在井下、封閉井口后,抽出瓦斯。
?? 4、回風(fēng)井回收瓦斯。
?? 5、煤與瓦斯共采的技術(shù)主要有:留巷鉆孔法、卸壓法等。
?? （三）充填開采
??? 我國多數(shù)煤礦存在建筑物下、水體下、鐵路下壓煤的問題,充填采礦法對解決這類問題具有重要的意義。充填開采法是用充填材料充填采煤工作面采空區(qū)的巖層控制方法。該法可以緩和工作面支承壓力產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn),改善采場和巷道維護(hù)狀況,有效減少地表下沉和變形,提高煤礦采出率,保護(hù)地面建筑物、構(gòu)筑物、生態(tài)環(huán)境和水體。按照充填材料的不同,充填采礦法分矸石充填、水砂充填和膏體充填。
??? 1、矸石充填利用井下采空區(qū)處置煤矸石的充填采煤方法,既可以減少煤礦固體廢棄物排放,又可以減輕開采沉陷災(zāi)害、提高礦井資源回收率,是實現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一。
??? 拋矸機(jī)拋矸充填。將巖巷和半煤巖巷掘進(jìn)矸石用礦車運至井下矸石車場,經(jīng)翻車機(jī)卸載后,矸石經(jīng)破碎機(jī)破碎,而后進(jìn)入矸石倉。通過矸石倉下口,膠帶或刮板輸送機(jī)將破碎后的矸石運入上下山,而后由膠帶或刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載進(jìn)入采煤工作面回風(fēng)平巷,再由工作面采空區(qū)可伸縮膠帶輸送機(jī)運至工作面采空區(qū)拋矸膠帶輸送機(jī)尾部,由拋矸膠帶輸送機(jī)向采空區(qū)拋矸充填。
??? 刮板輸送機(jī)卸矸充填。充填裝備由后端帶懸梁的自移式液壓支架和充填刮板輸送機(jī)組成。在自移式液壓支架后端增加后懸臂等配件,采用可調(diào)高但掛鏈懸掛充填刮板輸送機(jī)溜槽,懸掛是為了增加充填垂直高度。輸送機(jī)中部溜槽按順序連接,并與機(jī)頭和機(jī)尾組成整部刮板輸送機(jī)。每2節(jié)中部溜槽設(shè)置1個溜矸孔,溜矸孔開在溜槽的中板上。由電機(jī)車牽引矸石礦車至采區(qū)矸石車場,通過翻車機(jī)卸載,矸石經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)進(jìn)入矸石倉。破碎后的矸石經(jīng)上下山輸送機(jī)、平巷輸送機(jī)運至液壓支架后的充填刮板輸送機(jī),在采空區(qū)卸載。
??? 風(fēng)力拋矸充填。風(fēng)力充填材料粒度的直徑不宜大于充填管道的1/2~1/3。并且要求充填材料沉縮率低、不自然、腐蝕性小。矸石經(jīng)充填機(jī)、充填管路充填采空區(qū)。一般采煤機(jī)割兩刀煤充填一次,充填步距1.2~1.6 m,每次充填長度6~9 m,工作面每向前推進(jìn)50~100 m,充填機(jī)前移一次。機(jī)械矸石充填對充填材料要求不嚴(yán)格,使用設(shè)備也較少,在我國山東礦區(qū)發(fā)展較快,有推廣趨勢。
??? 2、水砂充填水砂充填采煤法是利用水力通過管道把充填材料沙粒送入采空區(qū)的充填采煤法。我國早在20世紀(jì)初就開始應(yīng)用水砂充填采煤法,目前水砂充填技術(shù)已經(jīng)十分成熟。在地面用礦車將采出、破碎及篩分后的成品砂運到貯砂倉貯存。在貯砂室,砂與水混合成砂漿,經(jīng)充填管路送至工作面采空區(qū),并在采空區(qū)脫水,砂子形成充填體,廢水經(jīng)采區(qū)流水上山和流水道流入采區(qū)沉淀池,經(jīng)沉淀后,澄清的水流入水倉,用水泵經(jīng)排水管將水排至地面貯水池,以供循環(huán)利用。水砂充填采煤法充填致密,可減少煤塵危害,能有效地控制地表下沉和變形,但井上下充填系統(tǒng)復(fù)雜,設(shè)備及設(shè)施投資大,充填材料昂貴,提高了噸煤成本。
??? 3、膏體充填膏體充填技術(shù)是1979年在德國的格倫德鉛鋅礦首先發(fā)展起來的,由于膏體充填具有料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、充填效率高、成本較低等優(yōu)點,這項技術(shù)試驗成功以后在金屬礦山得到較快的發(fā)展,在包括中國在內(nèi)的許多國家得到應(yīng)用。為解放村莊壓煤,提高開采上限,提高煤炭資源采出率,延長礦井服務(wù)年限,太平煤礦與中國礦業(yè)大學(xué)合作開展了固體廢物膏體充填不遷村采煤技術(shù)的研究。太平煤礦膏體充填系統(tǒng)是我國煤礦第一個膏體充填示范工程,2006年5月工業(yè)性試采取得成功。膏體充填采煤技術(shù)主要由三部分組成,即充填材料、充填設(shè)備與工藝、采動巖層充填控制理論。膏體是由煤矸石、粉煤灰、水砂、水泥等組成,由地面設(shè)備加工而成的類似牙膏的流體,具有十分良好的流動性和可泵性。充填時,膏體通過巷道中的管路,由充填泵提供動力,輸送到液壓支架后的采空區(qū)。膏體充填技術(shù)的核心是膏體充填材料,膏體充填材料的強(qiáng)度對膏體充填的效果起決定作用。膏體充填后,地表下沉減小。膏體充填開采是綠色開采技術(shù)的重要組成部分,是解決煤礦開采環(huán)境問題的理想途徑,是解決村莊等建筑物下大量壓煤開采問題的迫切需要。
四、煤炭地下氣化
??? 煤炭地下氣化是指將地下煤炭通過熱化學(xué)反應(yīng)在原位把煤炭轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w?？梢圆糠窒禾块_采對環(huán)境的污染和煤炭燃燒對生態(tài)環(huán)境的不利影響與破壞。煤炭地下氣化是一種整體綠色開采技術(shù)。它開始于英國1912年,由于熱值低、成本高而未得到發(fā)展。我國于1958 -1960年曾在16個礦區(qū)進(jìn)行試驗,于1962年停止,1984年又開始了新的試驗,1994年達(dá)到連續(xù)產(chǎn)氣295 d,產(chǎn)氣量為200 m3/h,熱值13. 81~17. 57 MJ /m3,采用的是有井式、長通道、大斷面的煤炭地下氣化方法。2005年中國礦業(yè)大學(xué)與重慶中梁山礦業(yè)集團(tuán)合作實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水煤氣和混合煤氣。但是,地下煤炭氣化燃燒產(chǎn)生的苯和酚是致癌物質(zhì),有可能毒化水資源;燃燒形成的大量二氧化碳對空氣也是嚴(yán)重的污染。目前我國的地下氣化技術(shù)仍處于工業(yè)試驗階段,有很多問題需要去研究和探索。
五、結(jié)　語
??? 資源與環(huán)境協(xié)調(diào)的綠色開采是解決煤炭開采環(huán)境問題的根本出路。要實現(xiàn)綠色開采,需要綜合研究和解決經(jīng)濟(jì)與技術(shù)等方面的問題。綠色采礦可以減少環(huán)境污染,還能帶來良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。綠色采礦是形成綠色礦業(yè)及礦區(qū)綠色家園的重要組成部分,相信隨著綠色開采的不斷發(fā)展和完善,煤礦綠色開采一定會發(fā)揮它應(yīng)有的作用,為人類與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
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