煤矿绿色开采理论与技术浅谈

煤矿绿色开采理论与技术浅谈

刘颖凯

中煤科工集团武汉设计研究院有限公司 湖北省武汉市430064

摘要：煤炭在中国经济建设中发挥着十分重要的作用。在过去的几十年中，中国进行了大规模的煤炭资源开采，这使得中国煤炭的产量和开采技术得到了巨大的提升。随着中国经济水平的提升，煤矿开采所带来的一些问题开始显现，例如地表沉陷、环境污染和地下水污染等。经过多年的发展，煤炭产量由初始的不足转变为产能过剩，这使得煤炭价格急剧下降，行业的利润被严重压缩。在这种情况下，很多煤矿企业不得不进行产业升级，由劳动密集型产业转换为技术集约型产业。此外，虽然中国煤炭资源丰富，但是经过多年的开采，浅部资源已经逐渐枯竭。为此，需要采用绿色采矿技术应对新形势下出现的一些问题。

关键词：煤矿；绿色开采；技术

1 绿色开采概念

1.1 广义资源理念

传统观念认为只有煤炭是资源，其他都是废弃物且是有害的，如瓦斯是有害气体，矿井水会引发水害，矸石是固体废弃物。绿色开采则认为与煤炭共伴生的瓦斯、地下水、地热、土地、煤矸石、电厂粉煤灰及CO2等都是资源。该理念彻底扭转了仅将煤炭作为矿区资源而漠视其他共伴生资源，甚至视其为有害物质的传统观念。

1.2 基于岩层破断运动规律理念

岩层的移动是采动损害和环境问题产生的根本原因，产生的裂隙场，应力场等、位移场和渗流场的等值线分布规律为绿色开采提供了理论依据。所以，对采动岩层破断运动进行控制或者利用是实现绿色开采最根本的方法。在绿色开采研究中，必须十分重视对采动岩层移动规律进行研究。

1.3 源头减损及全生命周期理念

在开采源头上，兼顾煤共伴生资源和环境的保护和发展，在矿井全生命周期内实现绿色开采。通过分析国内外煤矿开采现状及存在问题，结合我国国情提出了“煤-电”联动、“煤-气”互馈以及“煤-水-热”综合利用等绿色开采模式。问题的提出在矿井规划设计阶段，有必要对特定矿井条件下煤及共伴生资源、环境等特征进行研究，评价了煤炭开采岩层移动对共伴生资源产生的作用，对矿井的绿色开采方案进行合理的规划。其次，根据煤矿实际情况确定主要采煤层和辅助采区布置形式，优化工作面设备选型，并进行相应的生产组织设计，使各系统协调运行。采出煤层时，采取合适绿色开采技术，保护其他资源，或者使之与煤炭资源联合开采，例如煤气共采，煤热共采和煤水共采。

2 新形势下的绿色采矿技术

2.1 煤与瓦斯共采技术

瓦斯是煤炭形成过程中产生的一种气体，主要成分是甲烷（CH4），是一种可燃性气体。由于瓦斯在特定的条件下会发生瓦斯爆炸，对煤矿地下开采的威胁极大，为此，需要对煤层中的瓦斯进行治理。过去，直接通过通风的形式将瓦斯排放到大气中，这不仅会造成空气污染，还会造成甲烷资源的浪费。随着经济的发展和对资源需求量的增加，人们开始认识到瓦斯也是一种重要的资源，并提出了煤与瓦斯共采技术。

煤与瓦斯共采技术在中国的应用目前主要体现为井下瓦斯预抽技术和地面钻井瓦斯抽采技术。由于中国的煤层透气性比较差，目前主要是以井下瓦斯抽采技术为主，地面抽采技术为辅。井下瓦斯抽采技术主要是以钻孔抽采为主，即采用带负压钻孔直接抽取煤层中的瓦斯。根据钻孔布置的层位，瓦斯抽采钻孔主要分为本煤层钻孔、穿层钻孔和高位钻孔，其中前两种钻孔用于瓦斯预抽，而后一种钻孔用于煤层开采过程中的抽采。

对于一些瓦斯浓度较大的煤层，可以采用地面钻井抽取煤层中的瓦斯。这种方式不仅抽取的瓦斯量大，而且浓度高，是一种理想的瓦斯抽采方式。值得注意的是，地面钻井抽采煤层瓦斯也称煤层气开采。在抽采瓦斯的过程中，需要对煤层进行压裂，以增强煤层的透气性。目前，中国仅在少数矿区建立了地面钻井。

2.2 无煤柱开采技术

在以往的开采中，为了维持回采巷道的稳定性留有大量的煤柱支承顶板，而这些煤柱通常难以回收，造成了煤炭资源的浪费。为了提高煤炭资源的回收率，许多矿区开始采用沿空留巷技术。传统的沿空留巷技术通过加强支护将上一个工作面的回采巷道保留下来作为下一个工作面的回采巷道，这样做主要是为了加强支护强度。由于沿空巷道受到重复采动的影响，巷道变形难以控制，沿空留巷存在失败的风险。针对这种情况，何满潮院士提出了切顶卸压沿空留巷技术，即将靠近采空区一侧的巷道顶板切断，阻隔支承压力的传递，然后采用恒阻锚索对沿空巷道进行加强支护。这样做极大地提高了沿空留巷成功的可能性。目前，这项技术已经在很多矿区得到了应用，并取得了显著的效果。

2.3保水开采技术

在煤矿的开采过程中，会伴随着对矿山的逐步开发从而在矿体的地下形成一片开采区，就导致了地下水的涌出大幅度地增加，地下水的涌出不仅会给当前煤矿的开采工作带来一定的阻碍。所以在煤矿开采的过程中，需要重视对地下水涌出现象的处理，以往都会建筑机械设备将地下水排出地表。但是这种排水的方式不仅可以取得的成效较为有限，如果地下水涌出的总量较大，还可能会造成地面塌陷，也造成了大量水资源的浪费，并且企业需要承担的排水费用也较多。

因此单一的机械设备排水阀已经不能满足现阶段煤矿开采的实际需求，在开采的过程中，需要根据实际的情况选择科学的绿色开采技术，同时提前做好相应的防治水措施，可以有效地减少地下水涌出现象的发生，同时也可以开采过程中的地下水实现有效的保护和利用。而在实际应用的过程中，矿山企业需要根据开采的实际情况选择适应性较高的开采工艺，并且在具体过程中充分的结合地面填充和井下填充系统，确保矿区的周边不会受到地下水的影响而造成沉降现象的发生。

与此同时也需要有效地避免因为开采工艺选择的不当，导致开采过程中出现较大的裂缝或者是出现大面积的地表下沉，不仅无法有效地保障，开采过程中的安全性，也会造成大量的水资源流失。

故而在进入矿山实际开采的过程中，需要根据开采工程的实际情况来制定较为严格的控水和补水标准，并且在此基础上来进一步的规范井下用水和补水的方式，需要通过这样的手段，确保井下的用水设计方法符合当前我国经济发展和行业发展的相关规定。

只要想有效地控制工程过程中的地下水水位的影响，在实践的过程中，需要贯彻一水多用的原则，实现地下水的重复利用，有针对性地降低当前开采工

作中的实际消耗。另外基于长远发展的需求需要在矿区的地面设置废水处理系统，使得废水可以转化成为可利用的水资源，提升水资源的利用效率。

2.4 固体废弃物的综合利用

在煤矿开采的过程中受到现有技术条件的限制，开采的过程中并不能对所有的矿产资源做到有效地开发与利用，在作业的过程中会不可避免地产生一些固体废弃垃圾，较为常见的有废石、砂石和冶炼渣等，在当前我国工业废料排放量中占据了较高的比例。不仅造成了大量资源的浪费，像这些大量的固体废弃物和废气排放在地表之上，还会造成十分严重的环境污染，甚至会引发严重自然灾害。所以在当前煤矿的开采过程中可以固体废弃物作为填充材料，填充到开采区内。这样的综合利用方式，不仅可以解决废物利用率较低和固体废物排放等问题，也可以防止开采区顶板冒落现象的发生，保障了生产过程的安全性，同时也在一定程度上保护了矿区的地表环境，符合我国现在的我国社会经济发展的主流趋势。

3结语

中国煤炭开采的形势发生了变化，主要体现在对环保要求更高、对资源利用率更高以及进入到深部开采三个方面。为了应对这种新形势，应该采用绿色采矿技术。本文分析了几种绿色采矿技术，以期为新形势下煤矿绿色开采提供一定的参考。

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