煤炭绿色开采技术及其在西北矿区的应用前景研究

康亚明，刘长武

(1.北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏 银川 750021；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

社会进步的标志是经济发展，而经济发展的基础是能源。我国是一个富煤、贫油、少气的国家，煤炭在我国的一次能源中所占比例为70%左右[1]。由于能源消耗主要以煤炭为主，煤炭在我国经济发展中具有重要作用。我国煤炭产量2007年为25.5亿t，2008年为27.16亿t，2009年为29.5亿t。随着我国煤炭产量的不断增加，煤炭开采所带来的环境问题愈加突出。煤矿在生产过程中产生众多的污染源，诸如水、矿井废气、煤矸石、噪声、粉尘及地表沉陷，而其中又以“三废”(废水、废矸、废气)带来的问题最为突出，“三废”中又以废水的污染问题最为明显[2-5]。党的十七大报告明确指出“……要完善有利于节约能源资源和保护生态环境的法律和政策，加快形成可持续发展体制机制。落实节能减排工作责任制”。由于我国大部分矿区分布在干旱半干旱地区，我们必须要走适合我国国情的节约资源、保护环境的可持续发展之路。

西北地区采矿历史悠久，而且矿山采掘深度日益加深。露天开采、地下开采同时存在，尤其是20世纪80年代以来，地质生态环境急剧恶化，地质灾害问题危机四伏。一方面制约了区内资源的开发和社会经济的可持续发展，另一方面进行大规模的资源开发和各类人工经济活动，必将以前所未有的触动力影响着本地区的地质环境与生态系统，诸如水土流失加重、土地沙漠化扩展、浅层水资源衰竭、水体污染、地面变形破坏、地质灾害加剧等，形成恶性循环。为此，全面、系统、深入地对该地区煤矿进行调查，研究煤炭资源合理开发利用方案，为该地区合理开发国土资源与保护自然环境，特别是地质生态环境、保持可持续性发展提供科学依据，具有重要的现实意义和深远的历史意义。

1 采煤引起的环境问题

煤炭的大规模开采与利用，既对经济发展起到了巨大的推动作用，同时也对环境产生了重大影响[6]，如煤炭开采引起地表塌陷，生产过程中的噪声等。采掘的废矸石及排出的废气、废水、粉尘，对环境产生严重影响，使部分建筑物、民居损坏，村庄搬迁，土地破坏，矿区大气环境污染，生态系统遭到破坏等。其中又以“三废”(即废水、废气、废渣)带来的污染问题更为突出[7]。

1.1 废气与粉尘的污染

中国大部分煤矿都有瓦斯，并且高瓦斯矿井和煤瓦斯突出矿井占40%左右。此外，在井下其他作业过程中，还产生部分有害气体，如使用柴油动力机械排放的废气中含有大量的NOX；井下使用的硝胺炸药在放炮中产生CO和NOX；煤炭自燃产生CO、CO2等。为了井下生产安全，通常采用通风方式将井下的有害气体抽出矿井排入大气中。CO2、NOX、CH4、CO及H2S等是造成大气污染和温室效应的有害源，严重影响地球的气候和生态环境，已引起国际环境组织和世界各国的广泛重视。

1.2 固体废物的污染

固体废物的污染，在煤矿中主要是煤矸石的污染。在煤矿开采过程中，会同时采出顶底板的碎石与煤层中的夹矸，经过洗选分离后的煤矸石，作为固体废物堆积起来成为矸石山。煤矸石对环境的影响，首先表现为侵占土地、破坏自然景观。据不完全统计，我国煤矸石累计堆积已达30亿t，占地55万m2以上；其次是自燃发火，排出大量烟尘CO、H2S、SO2等有害气体，损害人体健康，抑制作物生长，腐蚀构筑物等。

1.3 水体污染

“三废”中，废水对环境的破坏最大，造成的后果也最严重。不同类的矿区水系受污染的方式是不同的。水体污染主要分为两类：一是煤矿开采对地下水水位的影响，包含对浅层、中层和深层地下水的影响；二是煤矿生活污水、矿井生产中产生的矿井水对地下水水质的影响。

1)煤炭开采对浅、中层地下水的影响。浅、中层地下水是工业用水和生活用水的主要水源，由于采煤的影响，导致煤系地层及上覆松散岩层中垂向裂缝增多、增大，煤系地层中的水以及松散岩层地层中的水均快速地向下渗透，形成了区域性地下水位降落漏斗。浅、中层地下水逐年被疏干，煤矿周围村庄的水井也因无水而报废，造成了村民的吃水问题。

2)煤炭开采对深层地下水的影响。煤矿开采过程中，为维持采矿的正常进行及采煤工作面的横向和纵向的发展，必须将工作面周围的水或潜在的水排出。随开采深度的加大，深层各含水层水被截留，转化为矿坑水排出。矿井排水量逐年增加，导致深层地下水位逐年下降，所形成的地下水降落漏斗范围和幅度也越来越大。深层地下水位一再下降，很难在短时期内得到恢复。

3)煤炭开采对地下水水质的影响。矿井疏排地下水是煤矿对地下水系统的一项最基本操作。操作后果主要有2个方面：一方面是当有害地下水排到地面后，即构成污染源，可导致地表水体、浅层土壤、地下水含水层等其他环境因素的次生污染；另一方面是煤矿疏排水改变了地下水系统的自然物理与化学格局，并对地下水系统(包括地下水的储存量和水质流场的介质等)产生反作用。两种作用都引起矿区生态环境发生变化，并又反过来对矿区开发建设带来不利影响[1]。

2 绿色开采的提出及方法

2.1 绿色开采的提出

党的十六大报告明确提出：“走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子”。因此，必须充分考虑我国资源相对短缺、环境比较脆弱的基本特点，建立起适合我国国情的资源节约、环境友好的新型工业化发展道路。人类对矿产资源的开发和利用，一方面增加了社会财富，促进了经济和社会的发展；另一方面又带来了环境和灾害问题。环境就好比一把“双刃剑”，对煤矿开采及经济效益既起到制约作用，又起到促进作用。只有正确地使用这把“双刃剑”，才能实现环境和煤矿效益的双赢。煤炭绿色开采作为一种煤矿开采的方法，能够较好地处理好煤炭开采及环境保护的关系。

2.2 绿色开采方法

1)减沉技术。减少因开采造成地表沉陷对地面建筑物和农田破坏的办法是：采用条带与充填开采办法减沉，对破坏的农田复垦。但条带开采与传统开采都存在明显的不足之处。研究表明：主关键层对地表移动过程起控制作用，主关键层的破断将导致地表快速下沉。因而，通过主关键层控制地表沉陷，形成“条带煤柱或充填体-上覆岩层-主关键层”结构体系控制地表沉陷。

2)煤与瓦斯共采。煤与煤层气(瓦斯)共采，就是将煤炭和赋存于煤层中的瓦斯都作为矿井的资源加以开采，实现两种资源的共同开采。我国高瓦斯矿区应重视煤与瓦斯共采技术的研究，将煤与瓦斯共采作为矿区绿色开采的重点。

3)矸石减排。矸石减排是减少煤矿矸石排放量、消除矸石山的堆积。首先是少出或不出矸石，以煤巷取代岩巷，涉及到煤巷维护问题，需要不断研发煤巷高效支护技术。矸石井下处理是将井下岩巷掘进矸石不提升出井，通过建立井下矸石转运、储存与充填系统，将矸石充填到采空区，或进行巷旁与废弃巷道充填及矸石充填置换井下煤柱等。矸石综合利用包括将地面矸石作为减沉充填或复垦充填材料、矸石制砖、矸石发电等。

4)煤炭地下气化。煤炭地下气化，就是不将煤炭采出地面，而将其在地下通过热化学反应在原地转化为可燃气体，它是一种整体绿色开采技术。对于难以回收的残留煤柱、低品位煤、难采煤层，应积极开展地下气化技术的试验研究。

5)保水开采。保水开采，就是在采煤的过程中，对地下水资源进行保护并对矿井排水进行资源化利用。煤层开采后，随着上覆岩层中关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水位能否恢复，取决于随着工作面的推进，上覆岩层中有无软弱岩层经重新压实导致裂隙闭合而形成隔水带。若有隔水带，则随着雨水的再次补给，下降漏斗将随之消失，地下水位也随之恢复。而它对地面生态的影响，则决定于漏斗形成与消失的时间间隔。

3 绿色开采在西北矿区的应用

西北地区土地辽阔，资源丰富，是我国本世纪末和下世纪很长一段时间内重点开发的地区。但是，西北地区自然环境严酷，生态脆弱，大规模资源开发面临着一系列严峻的环境问题，直接影响和制约着本地区的资源开发和经济发展。因此，必须结合绿色开采，探讨解决这一问题的有效途径。

3.1 保水防溃采煤

由于煤层浅埋和上覆松散充水含水层的大面积分布，保水防溃采煤问题，一直是西北煤矿区面临的一个典型难题。西北地区生态环境脆弱，而矿区开发大量使用地表水和地下水，煤炭开采要对地下水资源人为疏干。采动形成的导水裂隙，对煤系含水层形成自然疏干过程，这些都将对当地生态环境产生严重影响。在保水开采研究中，应注意以下问题：①保水开采与防止溃水的概念。保水开采，必须研究开采前后岩层的水文地质变化，后者是从安全考虑。②西北地区必须研究采动覆岩内是否有隔水层，开采对地表和地下水系的破坏在降雨前后能否恢复，能否再造相应的隔水层。③地下水的利用，是减轻和修复开采对水资源破坏的重要途径。

3.2 沙漠化问题

沙漠化是在脆弱生态环境下多源因素的产物，是受自然因素和人为因素综合作用而发生、发展的。其中西北地区是一个典型，特别是煤矿区，沙漠化问题更为严重。而通过矸石减排，可以有效地减少沙漠化问题。减少排矸和进行矸石利用，是绿色开采技术的目标之一。通过优化巷道布置，多开煤巷少掘岩巷，开发煤巷护巷技术，可以减少矸石量。但随着采深的增加，岩石巷的开掘将不可避免，处理好矸石利用是解决途径。含碳量低的煤矸石可用于建筑材料、复垦回填材料等。对于有些不宜于在地面使用的矸石，可在井下充填采空区以保护地表。

3.3 水土流失问题

随着我国西北煤矿区某些地方片面追求经济效益，对草场、森林等资源进行掠夺性开发。由于缺少固定水分的植被存在，恶性循环，从而造成严重的水土流失问题。矿产资源开发要占用和破坏大量的土地，露天开采必须剥离煤层上覆的土层和岩层，使原来生长在这些土层表面的生物遭到破坏，还将影响矿坑周围动、植物的成长，造成土地沙化。地下开采将造成地面变形、沉陷，对农田、道路、地面建筑物、地下管线产生危害或破坏。在煤炭开发、加工过程中，将产生大量的固体废弃物，如煤矸石、尾矿坝及排土场的土石、煤泥等固体废弃物。这些废弃物的堆放不仅占用大量土地，并且对地表下面及附近的土地都有不同程度地影响。

3.4 水环境污染问题

工业的发展逐渐改变着人们的生活方式，其带来的经济效益使人们不断收益，但同时工业产生的废水、废物，特别是放射性有毒的工业副产品对水环境产生严重的污染。矿物开采和加工不仅造成地表水和地下水污染，还能使地下水位降低，矿山周围水资源枯竭，水土流失，旱灾过多，甚至土地沙化。矿山酸性污水不仅污染地表水，而且可能通过地下井巷或岩层的裂隙污染地下水。

4 结束语

煤炭是不可再生能源，在储量逐渐降低、生产利用成本加大、环境污染加剧的今天，实施煤炭绿色开采，对矿井安全生产和生态环境保护有重要意义。通过煤炭绿色开采理论指导煤炭生产，合理处理经济与环境的关系，使煤矿得到绿色健康协调发展，有着极大的使用价值，可以创造出显著的社会效益、环境效益、经济效益。

1)煤炭作为主体和可靠能源，绿色开采是其可持续发展的主要内容之一，目标是取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益，形成开采与环境协调发展。

2)在开采技术方面，涉及到充填和剪沉、瓦斯抽采、保水技术等。开采后岩层运动，是导致环境破坏的基本原因。西北各个矿区应根据自身的条件和特点，积极研究实施适合自己的绿色开采模式，在保水开采、沙漠化、水土流失、水环境污染方面做出更多的努力。

3)煤炭绿色开采技术是一个复杂的工程，目前只形成了基本的技术框架，与绿色开采相关的政策还有待于进一步研究发展，以使煤炭企业得到快速健康的发展。

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