煤矿绿色开采技术

来源:用户上传      作者: 韩建华

　　2009年12月7～18日，世界各国领导人齐聚丹麦首都哥本哈根，协商如何共同遏制全球变暖，如何保护我们赖以生存的空气、水、土地和食物。然而会议没有达成全球亟需的气候保护协议，以不具法律约束力的《哥本哈根协议》草草收场，加剧了人们对全球气候恶化的担忧。如何应对全球气候变化，是每一个国家、每一个行业都有责任、有义务深入研究和思考的问题。
　　中国作为世界上主要的发展中国家，近些年在温室气体减排方面做了很多卓有成效的工作，全国各行业积极倡导和实施可持续发展、和谐发展观及循环经济等技术理念。正是在这个过程中，2003年钱鸣高院士提出了“绿色开采”的理念，为煤炭行业的发展指明了方向。
　　我国煤矿开采存在的问题
　　我国“富煤、贫油、少气”的能源赋存状况决定了能源消费必须以煤为主，一次能源消费中有70～75%来源于煤炭，煤炭行业的健康发展关系到国民经济可持续发展的全局。多年煤炭开采带来一系列环境和安全问题，屡屡为人诟病。
　　安全问题。2009年12月21日，黑龙江龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故，再次引发公众对煤矿安全，特别是群死群伤公众事件的关注和深层思考。煤矿事故频发的原因何在，如何从根本上杜绝大型和特大型伤亡事故，不断拷问着各级监管、经营和科研服务单位。我国煤炭安全事故频发有着诸如井工开采量大、小煤矿安全装备和生产工艺落后、行业多年安全欠账严重、科技投入不足以及技术与管理人才流失严重等客观原因。
　　环境问题。主要包括由于地下采掘引起的地面塌陷、水土流失、沙漠化、采煤废水排放以及煤矸石露天堆放污染等。
　　我国煤炭开采主要采用冒落法管理采空区顶板，造成地面沉降和陷落，因而引发村镇、铁路、桥梁和地面管线设施破坏。
　　矿井瓦斯主要是矿井中由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。它既是煤矿重大安全事故的祸根，又是一种严重的温室效应气体。研究显示，甲烷造成的温室效应在全球气候变暖中所占份额为15%，仅次于二氧化碳。等量甲烷造成的温室效应是二氧化碳的21倍。我国2000m浅范围以内具有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差，难以在开采前抽出。
　　绿色开采理论体系与总体框架
　　绿色开采理念是在科学采矿三原则（安全、环保和经济）的指导下提出的，强调在现有采煤理论、方法和技术的基础上，发展与创新采矿科学技术，从广义资源的角度上认识和对待煤、瓦斯和水等一切可以利用的各种资源。其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，以期取得最佳的经济效益和社会效益。
　　煤矿开采引发的环境与安全问题无不源于采矿活动造成的岩层运动，进而引起周围岩体的应力场、节理裂隙场和瓦斯运移场等相关物理场的变化，因此，研究绿色开采技术必须以科学先进的岩层控制理论为基础，钱鸣高、缪协兴及许家林等人提出的关键层理论，为科学采矿的实施提供了理论基础。
　　在科学采矿的总体框架体系内，主要包括保水开采、煤与瓦斯共采、充填与条带开采和离层注浆减沉、煤巷支护和部分矸石井下处理以及煤炭地下气化等五大技术方向。
　　主要技术现状
　　近40年来，我国共发生矿井突水事故2000余次，直接经济损失高达40多亿元。据统计，我国国有煤矿中半数具有突水危险性，且突水危险越来越严重。
　　煤与瓦斯共采技术充分利用了煤炭开采中上覆岩层的矿压活动，着重对卸压煤层的抽采时机把握和抽采工艺优化。在这项技术上，以袁亮院士为代表的课题组，创造性地解决了我国淮南矿区低透气性煤层群开采的关键问题。
　　充填开采技术在我国的应用源于抚顺地区建筑物下开采，最早采用的是水砂充填。水砂充填工序复杂，难以实现大规模生产，减沉效果有限，从20世纪80年代起，在井工煤炭开采中逐步淘汰。可喜的是，近期以中国矿业大学缪协兴教授、周华强教授和冯光明教授领导的课题组，相继提出了矸石充填、膏体充填和超高水充填理论体系，就各充填工艺的实施开展了卓有成效的科研工作，并取得了工业化试验成功，在一定程度上解决了煤矸石堆存和“三下”压煤问题。同期基于关键层理论指导下的上覆岩层离层注浆减沉技术也逐步开展。矸石充填在冀中能源邢东矿、邢台矿、云驾岭矿和梧桐庄矿相继开展，在山东新矿集团翟镇矿、华丰矿以及皖北煤电集团五沟煤矿推广开来。膏体充填技术最早在山东济宁的太平矿取得成功，后推广至冀中能源的小屯矿与邢台矿、河南煤业化工集团焦煤公司鑫珠春矿、淄博矿业集团岱庄矿和枣煤矿集团拐蒋村矿。超高水充填技术最先在冀中能源邯矿集团陶一矿取得工业化成功。上述充填技术的快速发展，说明煤矿绿色开采技术越来越深入人心，但现有充填技术的推广主要解决了冀中和山东等煤价较高地区“三下”压煤问题，推广面有待扩展，技术上有待进一步完善。
　　煤巷支护是煤矿设备产能发挥的重要保证。随着我国煤矿开采逐步转入深部，以大采深、高应力、软弱破碎围岩和快速成巷为特征的动压巷道支护技术成为今后的研究热点。部分矸石井下处理工艺为巷充法，即通过沿空留巷和在条带煤柱内开掘矸石充填巷等方式，一定程度上实现了无煤柱开采，提高了矿井回采率。较为突出的技术成果为2002年3月冀中能源邢东煤矿可调向、升降与变速矸石充填机的研制与应用。目前，具有相同功能的充填设备在枣矿集团田陈矿、蒋庄矿和新矿集团鄂庄矿有所应用。山东盛泉矿业有限公司在高档普采工作面应用该技术是其应用领域的又一扩展。
　　煤矿绿色开采是我国煤矿发展的必然方向，是和谐矿区建设的重要指导，有着以关键层理论为基础的实施依据，框架体系内主要技术的发展将为我国煤炭开采中实现安全高效、经济环保提供重要保障，达到煤炭行业“低开采、高利用、低排放”的可持续发展目标。
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