煤礦綠色開采技術
錢鳴高1，許家林1，繆協興2
(1.中國礦業大學 能源科學與工程學院，江蘇 徐州221008; 2.中國礦業大學 理學院，江蘇 徐州221008)
關鍵詞:綠色開采;關鍵層理論;巖層移動;綠色開采技術體系
中圖分類號:TD 82文獻標識碼:A
1煤礦綠色開采的提出
黨的十六大報告明確提出“……走出一條科技含量高，經濟效益好，資源消耗低，環境污染少，人力資源優勢得到充分發揮的新型工業化路子.”因此，我們必須充分考慮我國資源相對短缺，環境比較脆弱的基本特點，建立起適合我國國情的資源節約、環境友好的新型工業化發展道路.
近期提出的循環經濟(recycling economy)是指遵循自然生態系統的物質循環和能量流動規律重構經濟系統[1]，將經濟活動高效有序地組織成一個“資源利用－綠色工業－資源再生”的封閉型物質能量循環的反饋式流程，保持經濟生產的低消耗、高質量、低廢棄，從而將經濟活動對自然環境的影響破壞減少到最低程度.它不同于傳統經濟的“高開采、低利用、高排放”，而是達到“低開采、高利用、低排放”的可持續發展目標.顯然，此處的“綠色工業”是廣義的概念，應由各個工業部門去實現.對礦業來說就是要實現“綠色礦業”.“綠色礦業”的核心內容之一就是要實現“綠色開采”
礦區在開發建設之前與周圍環境是協調一致的，而進行開發建設后，強烈的人為活動便使環境發生巨大的變化，由此形成了礦區獨特的生態環境問題，如造成農田以及建筑物破壞，村莊遷徙，矸石堆積，使河川徑流量減少，以及地下水供水水源干枯，在地面導致的土地沙漠化，由于開采而使礦物內的有害物質流入地下水中等.我國目前的煤礦生產是在以下兩種情況下進行的:一是生產成本不完全.如投入不足;技術裝備落后;安全設施欠帳;工人工資太低.二是相關費用支付不全.如礦產資源費以及植被恢復，地面塌陷與水損失;污染治理等.提出并形成綠色開采技術是為了使我們正視開采對環境造成的影響和破壞，并有清醒的認識與足夠的估量，以便提出必要的對策和對政府提出必要的政策建議.
煤炭開采形成的環境問題主要為:
1)對土地資源的破壞和占用煤炭開采對土地資源的破壞損害，井工開采以地表塌陷和矸石山壓占為主，而露天開采則以直接挖損和外排土場壓占為主.
2)對水資源的破壞和污染煤炭開采過程中，進行的人為疏干排水和采動形成的導水裂隙對煤系含水層的自然疏干，破壞了地下水資源.同時開采還可能污染地下水資源.
3)對大氣環境的污染主要來自礦井排出的煤層瓦斯和煤礦研石山的自燃.
以山西省為例，1949-1998年共生產原煤56億多噸，地面塌陷破壞面積達100多萬畝，其中40%是耕地.研石山占地3萬多畝，至1998年煤炭地下采空面積達1 300 km²(全省面積的1寫).采煤破壞地下水4. 2億m³/a，地表水逸流減少，導致井水水位下降或斷流共計3 218個，影響水利工程433處、水庫40座、輸水管道793. 89 km;造成1678個村莊，81. 2715萬人，10. 824 1萬頭牲畜飲水困難.使本來缺水的山西環境受到進一步破壞.平均每采萬噸原煤造成塌陷土地0. 2 hm²，每年新增塌陷地約2萬hm².
礦井瓦斯即煤層氣，它是比CO2還嚴重的溫室氣體，也是導致煤礦重大安全事故的根源.據初步估計，我國2 000 m淺范圍內具有30-35萬億m³煤層氣資源，居世界前列.但由于我國煤層透氣性小，難以在開采前抽出.建國以來，我國煤礦發生煤與瓦斯突出事故1 500余次，僅2001年由于瓦斯事故的死亡人數達2 356人，為煤礦總死亡人數的40％.煤礦每年排放瓦斯70-190億m³.同時瓦斯又是最好的清潔能源，因此必須加以利用，變害為寶.
由此可見，提出并盡快形成煤礦的“綠色開采技術”已迫在眉睫.
2綠色開采的內涵與技術體系
從廣義資源的角度論，在礦區范圍內的煤炭、地下水、煤層氣(瓦斯)、土地以至于煤矸石以及在煤層附近的其他礦床，都應該是經營這個礦區的開發對象而加以利用.
而原來對礦井瓦斯的定義是:“礦井中主要由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體”.而在礦井水文地質類型劃分中認為:“根據礦井水文地質條件、涌水量、水害情況和防治水難易程度，劃為……類型”.顯然，上述概念將原本為礦區資源的瓦斯和水單純作為有害物來對待是不合適的.
煤礦綠色開采以及相應的綠色開采技術，在基本概念上是從廣義資源的角度上來認識和對待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各種資源;基本出發點是防止或盡可能減輕開采煤炭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和社會效益.根據煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，綠色開采技術主要包括以下內容:1)水資源保護－形成“保水開采”技術;2)土地與建筑物保護－形成離層注漿、充填與條帶開采技術;3)瓦斯抽放－形成“煤與瓦斯共采”技術;4)煤層巷道支護技術與減少殲石排放技術;5)地下氣化技術.這些內容構成的綠色開采技術體系簡要表達如圖1所示。
開采引起環境與主要安全問題的發生都與開采后造成的巖層運動有關(巖體不破壞上述問題都不會發生)，因此，綠色開采的重大基礎理論為:1)采礦后巖層內的“節理裂隙場”分布以及離層規律;2)開采對巖層與地表移動的影響規律;3)水與瓦斯在裂隙巖體中的滲流規律;4)巖體應力場分布規律及巖層控制技術.
3巖層控制的關鍵層理論
采場老頂巖層“砌體梁”結構模型是針對開采過程中的礦山壓力控制而提出來的.近年來，為了解決巖層控制中更為廣泛的問題，提出了巖層控制的關鍵層理論[2-4].關鍵層理論提出的目的是為了研究覆巖中厚硬巖層對層狀礦體開采中節理裂隙的分布及其對瓦斯抽放與突水防治以及對開采沉陷控制等的影響.
3.1相鄰硬巖層間相互作用的復合效應
關鍵層復合破斷研究表明，一定條件下相鄰兩層關鍵層會同步破斷.如假設相鄰兩關鍵層巖性相同，厚度分別為h1，h2，各自承擔的巖層組厚度分別為Σh2,Σh3，則按梁的破斷距計算公式可導出h1與h2同時垮落應滿足的條件為
Σh3+h2＝(Σh2+h1)(h2/h1)² (1)
例如:h2是h1的2倍，則Σh3 + h2只要等于或大于Σh2 + h1的4倍，h2和h1將同時垮落.此時，雖然h2遠大于h1，但上部關鍵層將不會產生離層.
3. 2關鍵層初次破斷前的離層與采動裂隙“O”形圈
1)沿工作面推進方向，關鍵層下離層動態分布呈現兩階段發展規律:即關鍵層初次破斷前，隨著工作面推進，離層量不斷增大，最大離層位于采空區中部.關鍵層初次破斷后，關鍵層在采空區中部離層趨于壓實，而在采空區兩側仍各自保持一個離層區.工作面側的離層區是隨著工作面開采而不斷前移的，工作面側離層區最大高度僅為關鍵層初次破斷前最大離層量的1/3一1/4(參見圖2).從平面看，在采空區四周存在圖3所示一沿層面橫向連通的離層發育區，稱之為采動裂隙“O”形圈.
2)沿頂板高度方向，隨工作面推進離層呈跳躍式由下往上發展.首先，第1層亞關鍵層下出現離層，當其破斷后其下離層呈“O”形圈分布;此時，上部第2層亞關鍵層下出現離層，當其破斷后其下離層呈“O”形圈分布，如此發展直至主關鍵層.
3)貫通的豎向裂隙是水與瓦斯涌人工作面的通道，對“導氣”裂隙發育動態過程的研究表明，在開采初期，下位關鍵層的破斷運動對“導氣”裂隙從下往上發展的動態過程起控制作用，導氣裂隙高度
由下往上發展是非均速的，隨關鍵層的破斷而突變.當采空區面積達一定值后，“導氣”裂隙的分布也同樣呈“O”形圈特征，它是正常回采期間鄰近層卸壓瓦斯流向采空區的主要通道.
上述成果對對“注漿減沉”及“卸壓瓦斯抽放”的鉆孔布置起指導作用.
3.3關鍵層對地表移動的影響
實驗及實測研究結果都證明[5]，主關鍵層對地表移動過程起控制作用，主關鍵層的破斷將導致地表快速下沉，地表下沉速度隨主關鍵層周期性破斷而呈現跳躍性變化.關鍵層破斷后對地表變形的影響將與表土層的厚度有關.從而形成基于關鍵層理論的建筑物下采煤設計新原則.
4綠色開采技術的主要內容
4.1開采對地下水分布的影響
煤層開采后，隨著關鍵層的破斷，在該區域內地下水將形成下降漏斗.地下水位能否恢復，則決定于隨著工作面的推進，上覆巖層中是否有軟弱巖層(事實上它是研究地下水滲漏的“關鍵層”)經重新壓實導致裂隙閉合而形成隔水帶.若有隔水帶，則隨著雨水的再次補給，下降漏斗也將隨之消失.它對地面生態的影響則決定于漏斗形成與消失的時間間隔.
淮北礦區沖積層中的第四含水層(簡稱四含)與煤系地層相連，煤層開采后四含水位持續下降，形成了多個水位降落漏斗.目前淮北臨渙礦區四含水位下降范圍已達40 km²，造成了四含水資源的永久破壞.以臨渙礦西風井85-02四含水文觀測孔為例，1985年水位是97. 2 m, 2001年水位降至205.8 m,16年間水位下降了108. 6 m.
實際觀測表明，含水層的水位下降與開采形成的導水裂隙通道緊密相關.圖4為淮北朱仙莊礦84-15四含水文觀測孔水位變化曲線，2000年3月以前水位緩慢下降，200。年3月開始84-15鉆孔鄰近的84采區開采，導致了鉆孔水位的急劇下降.黃縣煤礦在進行含水砂層下采煤試驗中，在1201面沿走向布置一組觀測鉆孔，在回采前后及整個回采過程中進行了為期一年的水位觀測，結果如圖5及表1所示[6].由表1可見，水位降與鉆孔孔底到開采煤層距離有關.由圖5可見，孔1水位短暫變化后水位恢復原狀，而孔2，孔3，孔4，孔5的水位下降后有所恢復，但在觀測期未能恢復原狀，而孔6則完全漏失了.因此，為了保護地下水資源，形成的保水開采技術應能使地下水位僅發生孔1所示的變化.
在一般地區要把地下水視為資源，在我國西北地區必須形成保水開采技術，即開采后地表水暫時形成下降漏斗仍能恢復到原來狀態的開采技術.另外還應該進一步觀察和研究水位變化對地表生物根系的影響.對于底板承壓水的防治，也同樣應遵循綠色開采原則.
4.2建筑物下采煤與減沉技術
1)基于關鍵層理論的建筑物下采煤設計新原則
基于巖層控制的關鍵層理論提出，可將保證覆巖主關鍵層不破斷失穩作為建筑物下采煤設計的基本原則.為了保證建筑物下采煤既具有較好的經濟效益，同時又確保地面建筑物不受到損害，關鍵在于根據具體條件下覆巖結構與關鍵層特征來研究確定合理的減沉開采技術及參數.
2)離層注漿減沉技術
確定覆巖中的關鍵層位置，掌握其離層與破斷特征參數，是注漿減沉技術應用可行性分析、鉆孔布置與注漿工藝設計及減沉效果評價的基礎[7].
關鍵層初次破斷前的離層區發育、離層量大，易于注漿充填;而一旦關鍵層初次破斷后，關鍵層下離層量明顯變小，僅為關鍵層初次破斷前的1/3-1/4(參見圖2)，注漿難度增加.因此，離層注漿必須在關鍵層臨初次破斷前進行.鉆孔布置及最佳的注漿減沉效果應保證關鍵層始終不發生初次破斷.
4.3采空區充填開采技術
采空區充填開采技術是綠色開采技術的重要組成部分，尤其在經濟發達地區解決建筑物下開采更應受到重視.從理論上來說，充填采礦是解決煤礦開采環境問題的理想途徑，但由于目前充填采礦的成本相對偏高，限制了該項技術在煤礦的試驗與應用.
在市場經濟條件下，充填技術的關鍵是充填材料的選取及如何降低成本.另外就是充填技術本身，它應該包括充填系統與開采系統的協調;充填運輸系統的暢通;充填后材料的力學特性等.順利解決上述問題將根本改變將來我國經濟發達區域的開采技術.為了降低充填成本，基于巖層控制的關鍵層理論，提出了部分充填(條帶充填)控制開采沉陷的思路:僅充填部分采空區，只要保證未充填采空區的寬度小于覆巖主關鍵層的初次破斷跨距，且充填條帶能保持長期穩定，就可有效控制地表沉陷.
4.4煤與瓦斯共采
我國煤層普遍具有變質程度高、滲透率低和含氣飽和度低的特點，70%以上煤層的滲透率小于1× 10-3μm²，這對我國開展煤層瓦斯采前預抽是極為不利的.正因為如此，我國已鉆的200多口采前地面煤層氣井中，穩產高產井很少，單井產量超3000 m³/d的也只有約30口[8].實踐表明，一旦煤層開采引起巖層移動，即使是滲透率很低的煤層，其滲透率也將增大數十倍至數百倍，為瓦斯運移和抽放創造了條件.因此若在開采時形成采煤和采瓦斯兩個完整的系統，即形成“煤與瓦斯共采”技術則不僅有益礦井的安全，而且采出的還是潔凈能源.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采出來將是我國煤層氣開發的一條重要途徑.
在“煤與瓦斯共采”技術方面，巖層運動中的關鍵層理論所得出的節理裂隙場分布、離層規律將對上鄰近層瓦斯動態涌出與下解放層開采最大卸壓高度的影響等瓦斯抽出技術有重要參考作用[9].
4.5煤巷支護技術與減少矸石排放
采礦引起的矸石排放對環境形成影響，而減少矸石排放的主要措施是將巷道設置在煤層內.巷道維護是煤礦的永恒主題.過去，鑒于煤巷圍巖是大變形且不可抗拒，因此維護原理是:“大斷面預留量－可縮性支架－巷旁充填”.目前推行錨桿支護，首先是能否在煤巷中全面使用錨桿支護.顯然，我們要形成“應力場測定－數值計算－支護設計－現場測定”完整技術以及煤巷錨桿支護理論.例如，沿空巷道的維護方式與采動后巖體內的應力重新分布及關鍵層的破斷和形成的結構有關.而且直接影響支護參數的選擇(例如錨桿不完全受拉而是受剪切)，因而要形成抗剪切錨桿.
矸石不上井涉及到煤巷維護問題，而且隨著采深的增加，巖石巷的開掘將不可避免.因此矸石不上井就存在一個研石井下處理系統，結果是成本如何?另一種考慮能否將研石在地面處理，變廢為寶，如變為建筑材料，充填材料等，終究矸石的地面處理要比井下處理簡單得多.
應該說，在經濟原則下矸石的井下處理是綠色采礦問題.而矸石的井上處理就像地面復懇一樣是環境治理問題，不屬于綠色開采技術
4.6煤炭地下氣化
煤炭地下氣化是一種整體綠色開采技術.它是將地下煤炭通過熱化學反應在原位將煤炭轉化為可燃氣體的技術，是對傳統采煤方式的根本性變革.不僅極大地減少了井下工程及艱苦作業，而且消除了煤炭開采對環境的污染和煤炭燃燒對生態環境的不利影響和危害.
煤炭地下氣化技術在近10余年來經余力教授等的實踐積累了一定的經驗，為今后發展我國煤炭地下氣化打下了良好技術基礎.今后地下氣化技術應解決:1)提高熱值和生產適合于用戶的氣體;2)建立起一套行之有效的測控系統，重點放在燃燒位置和燃燒速度的控制技術上;3)燃燒后地下氣化爐體結構變化及地面沉降狀況的研究;4)如何使地下煤炭氣化產生的致癌物質苯和酚不擴散、不污染和毒化地下水資源.其次是如何處理燃燒形成的大量二氧化碳對空氣的污染.否則煤炭地下氣化就失去了綠色開采的意義.
5結語
綠色采礦首先要將巖層運動對工作面的影響轉為研究開采后巖層運動對巖體內形成空隙的影響，以及瓦斯、地下水的滲流規律.另外，幾個重要標志是:
1)將瓦斯作為資源，變害為利，在采煤的同時形成地面或井下瓦斯共同開采系統;
2)根據巖層的組成，確定保水采煤的地層判別以及相宜的開采方法;
3)根據具體條件，形成充填、條帶開采、離層區注漿等保護建筑物及地表的技術;對東部發達地區城鎮下采煤，充填與條帶開采是必然的選擇，因而如何降低充填成本與提高充填技術是科學研究的方向;
4)形成在煤層內維護巷道的技術，減少矸石排放量;
5)形成煤炭地下氣化技術，并研究其對地下水環境的影響.
參考文獻:
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[2]錢鳴高，繆協興，許家林.巖層控制中的關鍵層理論研究[J]•煤炭學報，1996,21(3):225-230.
[3]許家林.巖層移動與控制的關鍵層理論及其應用 [D].徐州:中國礦業大學，1999.
[4]錢鳴高，繆協興，許家林，等.巖層控制的關鍵層理論 [M].徐州:中國礦業大學出版社，2000.
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[8]黃盛初，朱超，劉馨，等.中國煤礦區煤層氣開發產業化前景[A].煤炭信息研究院主編.2001年煤礦區煤層氣項目投資與技術國際研討會論文集[C].上海:2001,11,5一11
[9]許家林，錢鳴高.地面鉆井抽放上覆遠距離卸壓煤層氣試驗研究[J].中國礦業大學學報，2000, 29(1):78-81.