浅析制约煤炭绿色开采的关键因素

浅析制约煤炭绿色开采的关键因素陶金辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新（123000）摘要：绿色开采的理念是针对煤炭大量开采造成的环境问题提出的，本文阐述了煤炭绿色开采的重要性和现实意义，介绍了当前我国煤炭绿色开采的现状，分析了影响矿山发展绿色开采的关键因素，既自然因素、技术因素和法律体系因素，最后，对绿色开采的长远发展提出了问题。关键词：绿色开采;内涵;必要性;现状;关键因素中图分类号：TD8220.引言煤碳是工业的粮食，改革开放以来，在我国的能源结构中煤炭约占70%到75%，我国是世界上少有的以煤碳为主要能源的国家。近年来，随着煤炭的大量开采，资源的不断消耗，矿山生产已对环境造成了严重的破坏，因此，要想高效可持续发展就必须大力实施绿色开采，一时间，绿色开采成为了热点话题。当前，我国的“绿色开采”尚处于起步阶段，诸多技术环节还有待完善，影响矿山绿色开采的关键因素也需进一步探讨和解决。1.绿色开采的内涵、必要性及现状1.1绿色开采的内涵何为“绿色开采”？煤矿绿色开采是从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水、矸石、土地、拌生矿产等一切可以利用的各种资源。通过绿色开采技术的应用，使煤炭开采对矿区环境的扰动量小于区域环境容量，实现资源开发利用最优化和生态环境影响最小化[1]。其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，地排放”的开采技术[2]。简单的讲就是合理利用资源，优化技术，高效、持续、协调的发展煤炭工业，减少对环境的破坏。1.2绿色开采的必要性凡事都有两面性，开采煤炭虽然为国家获得了能源，但同时却对坏境造成了破坏，大多煤矿企业只注重效益，其实效益背后的负面影响是巨大的，如过度开采带来的“三废”污染、土地破坏、水资源破坏、动力地质问题等等，如不有效解决，煤炭工业将会崩溃，因此，提倡绿色开采，发展绿色开采对环境保护、减少浪费、高效可持续发展具有举足轻重的作用，同时，对我国煤炭事业的未来具有积极的推动作用和科学意义。总之，绿色开采已迫在眉睫。1.3我国绿色开采的现状由于科学技术的原因，我国的绿色开采起步比较晚，生产力水平还比较地下，多数企业仍把经济利益放在第一位，绿色开采的思想意识淡薄。对于开采现状，生产力低、利用率低、安全性差、污染破坏严重的现象仍然存在。近年来，煤炭企业纷纷重组整合，经过全面优化生产，上述问题有所改观，但要想实现真正的绿色开采还需全员动员，从思想上转变认识，努力提高技术，从而走新型工业化道路，建设绿色矿山体系。2.影响矿山绿色开采的关键因素2.1自然因素包括煤层的地质构造、煤藏深度、煤化程度、煤层瓦斯含量、煤矿所处的地点、煤的灰分、水分、挥发分、煤的结构水文地质条件及煤中的矿物成分[3]。这些因素都是自然形成的，不是人为决定的，它在绿色开采中起着决定性作用，可以说，自然条件的好坏直接影响着矿山能否实施绿色开采技术。2.2技术因素（人为因素）包括开采规模、采煤方法、开拓方式、通风系统的选择、采空区的处理、机械化程度及人员素质。人员的技术水平是关系到生产系统能否发挥最大效能的重要因素，是绿色开采技术发展的关键[4]。从总体上看，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.绿色开采的技术体系[5]简要表达如图1。2.2.1保水开采技术煤矿开采过程中破坏了地下含水层的原始径流，导致地下水大量排出。采空区上方导水裂隙带与受地下水体贯通，也会形成大规模地下水降落漏斗，造匠成区域含水层水位下降，直接影响到区域水文地质条件。由于我国大部分煤矿处于中西部缺水地区，因它煤炭开采所造成的地下水流失严重影响到中西部脆弱的生态环境。保水开采的关键技术在于通过对开采方法、岩层控制技术以及开采与岩层水流动相互关系的研究，解决因煤炭开采造成的水资源流失和土壤沙漠化问题，研究地下水因开采而形成的渗透、流动规律。近年来，我国研究人员将岩层控制关键层理论与采动岩体渗流理论相结合，为矿区水灾治理及水资源保护与利用提供了新的技术途径。还通过建立保水开采的结构力学模型，提出保水开采机理，建立顶板含水层保水开采技术，以及以采煤工作面顶板含水层为主要研究对象，研究采动岩体关键层、含水层及隔水层的结构耦合效应等。2.2.2充填与条带开采技术传统的长臂垮落式顶板控制[6]方法常常会引起地表大面积沉降，影响地下水的径流，对环境造成不可恢复性影响。绿色开采技术中的条带开采法是沿煤层的走向或倾向，将开采区划分为若干个宽度相等或不等的条带开采一条，保留一条，利用留下的条带煤柱支撑顶板，以达到减小地表沉降的目的。这种方法的优势是简单易行，投资少等，但资源采出率低，对矿井顶板硬度要求较高，且随着开采面积的增大，老煤柱强度降低，支撑力下降，可能造成严重的大面积垮落事故。相比而言充填开采具有更为广阔的发展前景，尤其对解决三下(建筑物下、水体下、铁路下)压煤有着独特的优势。目前可行的充填方法可分为采空区充填和覆岩离层区填充。现阶段研究重点在于研发新型充填材料，尽可能利用矿井固体废料，减少固体污染。例如以固体废弃物(电厂粉煤灰、矸石等)为骨料，以PL、SL系列为胶结材料，形成固体废物膏体材料充填井下采空区，解决了地表开采沉陷、地下水流失破坏以及采出率低等重大科学技术问题。近年来，中国矿业大学在低成本膏体充填材料的开发研制和充填工艺的研究方面取得了突破性的进展，达到国际先进水平。2.2.3煤与瓦斯共采技术煤层气即瓦斯，长期以来被看作危害矿井安全的罪魁祸首，以往煤矿对其处理方法都是直接排人大气，这在一定程度上加剧了全球的温室效应，也是一种资源的浪费。煤层气作为一种高效、清洁的能源，其中蕴藏着巨大的经济效益、环境利益。我国的煤层气储量非常丰富，有着十分广阔的应用前景。绿色开采技术中的煤与煤层气共采技术，利用煤炭开采过程中岩层移动形成的离层与裂隙分布规律，及开采卸压原理，使原聚集在煤炭微裂隙中的瓦斯通过“导气”裂隙逐步释放，实现煤与煤层气共采。近年来，随着对关键层破断前后裂隙分布规律（见图2）以及采动矿山压力引起的岩层移动规律的深入研究，我国学者提出了“0”形圈理论[1]。当采空区面积达到一定值后，“导气”裂隙的分布呈现“0”形圈特征(见图3)，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，这对卸压瓦斯抽放具有重要意义。2.2.4煤层巷道支护技术与减少歼石排放技术井下大量排出的矸石往往堆积形成矸石山，既占用了大量的土地资源，也会对周围环境产生污染。绿色开采技术中的少出矸石技术强调多布置煤巷，少布置岩巷，或多开煤巷以储存井下矸石的矸石井下处理技术，尽量减少矸石出井量，甚至做到矸石不出井。煤巷支护的关键技术在于采用高性能预拉力锚杆支护技术有效控制软散、动压及高应力区域等复杂地质条件下的围岩稳定性现阶段的研究成果如下：①系统研究和揭示了。深部、动压巷道围岩塑性区的发生、发展过程，以及松脱型和挤压型2类冒顶的实质，科学地解释了动压巷道底鼓过程、冒顶及其原理；②提高支护效能，及时主动有效加固顶板，消除松脱型冒顶；③增大锚固范围，削弱层状顶板沿弱面的渐次离层和垮冒；④建立“楔形”的强化承载结构，防止锚固区外离层和挤压型冒顶。2.2.5地下气化技术煤炭地下气化技术是指采用有控制地燃烧处于地下的煤炭，使煤在热作用及化学作用下产生可燃气体，并将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，变物理采煤为化学采煤。煤炭地下气化技术具有安全、投资少、污染小、效益高等特点，特别适用于回收报废矿井中的煤炭资源，也可进行“三下”及深部煤层的开采。目前，煤炭地下气化技术已取得的研究成果有：①结合现有高瓦斯矿井中量大面广的残煤资源回收开发特点，建立了地下煤层复孔介质耦协场燃烧气化理论和气化采场围岩固流热质耦协场污染物渗移理论模型；②研制了以虚底移动导控注气为核心，辅以条带多孔炉型、富氧碳水复合气化剂、井工降温净化、火壁推进位态监控、井工启动点火与收作熄火等技术群的地下导控气化新技术；③形成一套“能源一资源—环境”(ERE)三者协调的绿色安全复采技术体系；④建立了中梁山高瓦斯矿井残煤地下导控气化试验基地[7]。2.3法律体系因素目前我国绿色开采的法律体系条块分割严重，立法水平较低，法律协调较差，保护力度不够，绿色开采不仅仅是环境问题，还是安全生产，劳动保护的重要内容，更是一个国际性问题。我国的绿色开采没有一个全面的法律保护体系，法律体系还不够完善，没有经济、快速、健康、持续、和谐发展的立法理念或者说重视的侧重点不统一，存在一定的矛盾和法律不健全的现象[4]。3．有关问题下几方面是绿色开采未来发展必须解决的[8、9]。(1)综合机械化放顶煤和短壁开采方法、高产高效综合机械化开采诊断技术与保障系统以及信息化、可视化开采系统。(2)新材料制备及充填工艺系统、矸石井下处理技术及实验系统。(3)绿色开采条件下的岩层控制与监测技术、巷道支护新理论、新材料与新技术、矿震动力现象监测系统等。(4)地下气化开采及相关新能源开发的模拟实验系统，研究解决燃烧环境下的上覆关键岩层破断与渗流问题、矿压作用下的煤层燃烧控制技术与优质稳定产气新工艺以及相关新能源开发试验平台4．结束语绿色开采是煤炭事业发展的必然趋势，在科技飞速前进的今天，我国的绿色开采技术必须谋求进步，以适应新的发展需求和社会形势。要想真正实现绿色开采，需要综合研究和解决政策、经济、技术等诸多难题，需要花大力气开展相关技术和政策的研究和创新，使得其技术上可行、经济上合理。此外，在细节上，我们还应在理性思考的基础上不断解决制约绿色开采的关键因素，深入研究，积极探讨，力争煤炭绿色开采。参考文献[1]钱鸣高，许家林，缪协兴.煤炭绿色开采技术[J].中国矿业大学学报，2003(4).343-348.[2]钱鸣高.绿色开采的概念与技术体系[J].煤炭科技，2003(4).[3]汪海平，王庆，兰永伟.煤矿的绿色开采[J].煤炭技术，2007(9).52.[4]顾义磊，龚书贤.矿山绿色开采浅析[J].西部探矿工程，2010(5),99-100.[5]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社。2003.174[6]闫少宏，张华兴.我国目前填充开采技术现状[J].2008.3(3).[7]司光耀，张强.绿色开采技术的研究现状[J].露天采矿技术.2009(3).41-42.[8]张国桥，李钢．煤炭绿色开采技术及其应用[J]．中国煤炭，34，(8)：112—113．[9]中煤网/煤炭科技.[EB／OL]http;//．asp?nid=77930&lid=59，2004-05-14CoalminingconstraintsofthekeyfactorsofgreenTaoJinDepartmentofResourcesandEnvironmentalEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,LiaoningFuxin(123000)AbstractTheideaisforgreenminingcoalminingcausedalargenumberofenvironmentalissues,thepaperexpoundstheimportanceofgreenminingofcoalandpracticalsignificance,onthecurrentstatusofChina'scoalgreenmining,analysisofimpactofminingexploitationkeyfactorinthedevelopmentofgreen,bothnaturalfactors,technicalfactorsandthelegalsystem,andfinally,thelong-termdevelopmentforgreenminingqu