煤炭资源的科学开采与环境保护.pdf

- 1 6 - 中国科技信息2 0 0 7 年第2 0 期 C H I N A S C I E N C E A N D T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N O c t . 2 0 0 7能源及环境 石山自燃后能量长期积聚，不能及时释 放，形成高温热源，遇水易形成水煤气而 爆炸，爆炸时高温气体携带矸石煤灰导致 灾害扩大。 二、煤炭资源科学开采需要解决 的技术方面的问题 煤炭资源科学开采以及相应的开采技 术，主要在于以一种正确的态度和观点认 识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的 各种资源，要有能源和环境两个战略思 想。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; 目标是 取得最佳的经济效益和社会效益。据此， 科学的煤炭科学开采技术主要应包括以下 内 容 1 水资源保护“保水开采”技术; 2 土地与建筑物保护离层注浆、充 填与条带开采技术; 3 瓦斯抽放利用“煤与瓦斯共采” 技术; 4 整体开采地下气化技术。 三、煤炭资源科学开采技术的基 础理论 开采引起环境与主要安全问题的发生 都与开采后造成的岩层运动有关，因此， 科学开采的重大基础理论为 1 采矿后岩层内的“节理裂隙场”分 布以及离层规律; 2 开采对岩层与地表移动的影响规律; 3 水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律; 4 岩体应力场分布规律及岩层控制技 术 。 四、科学开采技术的主要内容 1 开采对地下水分布的影响 煤层开采后，随着关键层（即采场 老顶岩层“砌体梁”结构模型）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，则决定于随着工作面的推 进，上覆岩层中是否有软弱岩层经重新压 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，下降漏斗也 将随之消失。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。 2 建筑物下采煤与减沉技术 为了保证建筑物下采煤既具有较好的 煤炭资源的科学开采与环境保护 郭志福 中国地质大学（武汉）安全工程学院 4 3 0 0 7 4 摘 要 国内目前的煤炭资源开采技术大多没有充分 考虑对水资源、地面农田、道路、构筑物 以及煤层气的开发利用等环境保护因素，采 出的矸石堆积成山，易发生自燃，而且造成 可利用资源闲置，变成隐患，导致环境污 染。从保护环境的角度出发，对煤炭资源实 施保水开采、条带与充填开采、煤与瓦斯共 采以及地下气化等技术研究具有很强的现实 意 义 。 关键词 科学开采；资源利用；环境保护 煤矿矿区在开发建设之前与周围环境 大多是稳定和谐一致的，而进行开发建设 后，频繁强烈的人为活动使周边环境发生 巨大的变化，由此带来了一系列矿区生态 环境问题，如地表塌陷、农田荒芜、村 庄迁徙、建筑物破坏、土地沙漠化、矸 石堆积、地表水流量减少以及地下水供水 水源干枯、矿物内含有害物质流入地下水 系等。采取科学的开采技术和方法，这些 问题都是可以减轻甚至避免的。 一、煤炭资源开采形成的主要环 境问题 1 对土地资源的破坏和占用 煤炭开采对土地资源造成了破坏，井 下开采的破坏形式以地表塌陷、 工业广场、 生活区和矸石山压占为主，露天开采以直 接挖损形成大坑和外排土场压占的形式为 主。 另外， 开采过程中的外排水， 对周边农 田造成侵蚀，致使土地变质、碱化。 2 对水资源的破坏和污染 煤炭开采过程中，进行的人为疏干排 水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的 自然疏干，破坏了地下水资源。对地表水 的影响显而易见，有的甚至因地表裂隙导 通而致河水断流、河流干涸。同时破坏性 地过度开采还可能污染地下水资源。 3 对大气环境的污染 随着煤层开采而排出的瓦斯和地面矸 石山的自燃等对大气环境造成了污染。地 面矸石山积聚瓦斯问题一般形不成大的威 胁，矸石山在地面堆积，固体细微颗粒会 随风形成扬尘，污染环境。另一方面，矸 经济效益，同时又确保地面建筑物不受到 损害，根据具体条件下覆岩结构与关键层 特征来研究确定合理的减沉开采技术及参 数以确保主关键层不破断失稳就成为关 键。确定覆岩中的关键层位置，掌握其离 层与破断特征参数，是注浆减沉技术应用 可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及 减沉效果评价的基础。 关键层初次破断前的离层区发育、离 层量大，易于注浆充填; 而一旦关键层初 次破断后，关键层下离层量明显变小，注 浆难度增加。因此，离层注浆必须在关键 层临初次破断前进行。钻孔布置及最佳的 注浆减沉效果应保证关键层始终不发生初 次破断。 3 采空区充填开采技术 从理论上来说，充填采矿是解决煤矿 开采环境问题的理想途径，但由于目前充 填采矿的成本相对偏高，限制了该项技术 在煤矿的试验与应用。 在目前条件下，充填技术的关键是充 填材料的选取及如何降低成本，另外就是 充填技术本身，它应该包括充填系统与开 采系统的协调、充填运输系统的畅通和充 填后材料的力学特性等。为了降低充填成 本，基于岩层控制的关键层理论，提出了 部分充填 条带充填 控制开采沉陷的思路 仅充填部分采空区，只要保证未充填采空 区的宽度小于覆岩主关键层的初次破断跨 距，且充填条带能保持长期稳定，就可有 效控制地表沉陷。 4 煤与瓦斯共采 我国煤层普遍具有变质程度高、渗透 率低和含气饱和度低的特点，这对开展煤 层瓦斯采前预抽是极为不利的。笔者了解 到，义煤集团公司对所属几对瓦斯含量高 的矿井进行了抽放，地面泵站抽出纯瓦斯 量 3 0 m 3/ m i n ，井下移动泵站抽出纯瓦斯 量7 . 5 m 3/ m i n ，其中千秋矿矿井瓦斯抽 放率达 5 0 ，耿村矿矿井瓦斯抽放率达 3 0 ，新安矿三个采煤工作面瓦斯预抽率 到3 0 以上。经过防突效果检验基本没有 出现超标现象，回采工作面瓦斯也基本不 超限，取得了明显的消突效果和显著的抽 放效果。虽然如此，但与理论上的要求、 下转第1 8 页 - 1 8 - 中国科技信息2 0 0 7 年第2 0 期 C H I N A S C I E N C E A N D T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N O c t . 2 0 0 7能源及环境 与变废为宝的利用空间还有相当差距，瓦 斯抽放工作受到诸多客观因素的制约，还 要继续探索更加成功的途径。 实践表明，一旦煤层开采引起岩层移 动，即使是渗透率很低的煤层，其渗透率 也将增大数十倍至数百倍，为瓦斯运移和 抽放创造了条件。因此若在开采时形成采 煤和采瓦斯两个完整的系统，即形成“煤 与瓦斯共采”技术，将会带来良好的经济 效益。因此在开采高瓦斯煤层的同时，利 用岩层运动的特点将煤层气开采出来将是 我国煤层气开发的一条重要途径。 5 煤巷支护技术与减少矸石排放 采矿引起的矸石排放对环境形成影 响，而减少矸石排放的主要措施是将巷道 设置在煤层内，但是岩石巷的开掘是不可 避免的，怎样处理矸石成为一个新的问 题。矸石不上井就要在井下建设一个矸石 处理系统。如果考虑将矸石在地面处理， 变为建筑材料、充填材料等，成本肯定较 井下处理低，这里就出现了经济和环境两 能达到什么样的效果，将直接影响到煤炭 气化开采技术的发展。 五、结束语 煤炭资源科学开采技术研究的方向和 目的在于合理开采资源、保护环境，煤炭 资源开采战线的工作者要在以下几个方面 形成共识 1 瓦斯是一种宝贵的可资利用的资 源， “煤与瓦斯同采”技术通过摸索实践 在不远的将来是可以成功的。 2 根据岩层的组成等具体条件，研究 保水采煤方法，研究充填、条带开采、离 层区注浆等保护地表及建筑物的开采技 术，能做到最大限度地降低开采对地表、 地面造成的“伤害” 。 3 ）应加快对煤炭地下气化技术的研 究速度，研究其对地下水系环境的影响， 争取地下气化开采技术早日取得成熟的经 验，以便于革新、推广。 上接第1 6 页个方面的问题，如何做到既经济又对环境 有利，是我们煤炭资源开采工作者应当考 虑的一个课题。 6 煤炭地下气化 煤炭地下气化是一种新型的整体开采 技术。它是将地下煤炭通过热化学反应就 地转化为可燃气体的技术，是对传统采煤 方式的根本性变革。这种技术不仅极大地 减少了井下繁重的开采工程量，降低作业 人员的危险程度，而且消除了煤炭开采对 环境的污染和煤炭燃烧对生态环境的不利 影响和危害。 煤炭地下气化技术近年来积累了一定 的经验， 但由于属于新领域， 遇到了一些亟 需解决的问题如何提高热值和生产适合 于用户的气体；如何建立起一套行之有效 的测控系统（重点放在燃烧位置和燃烧速 度的控制技术上） ；如何开展对燃烧后地下 气化炉体结构变化及地面沉降状况的研究 以及如何使地下煤炭气化产生的致癌物质 苯和酚不扩散、 不污染和毒化地下水资源 ； 如何处理燃烧形成的大量二氧化碳对空气 的污染等等。 如何研究处理以上一些问题， 表 3 植物样品中铅含量测定结果（m g / k g ） 表 2 土壤样品中铅含量测定结果（m g / k g ） 壤监测点位和1 0 个背景值监测点位中，土 壤中P b 含量均低于我国土壤环境质量标准 （G B 1 5 6 1 8 - 1 9 9 5 ）二级标准的限值。锦 州市市区土壤中 P b的平均含量为 5 8 . 0 7 3 8 m g / k g 。 2 . 2 植物样品中P b 的含量 采用 A A 3 2 0 N 型原子吸收分光光度法 测定锦州市市区主干道周边及渤海大学校 园内的植物体中P b 的含量，结果见表3 。 由表3 可以看出各监测范围内银杏 叶中P b 含量普遍较低，P b 的平均含量为 4 . 7 2 0 6 m g / k g 。与表2 相比较，土壤中P b 含量高的点位，银杏叶中 P b的含量也相 应较高。 3 . 结论 3 . 1 采用M u l l e r 地积指数法，采用背 P b含量最小。 3 . 4 由于汽车尾气属于流动型污染源， 其污染程度还受到风向的影响，在主导风 向的下风向影响区有利于尾气的稀释和扩 散，而不利于铅污染的积累，但铅含量的 总体水平略高一些。 3 . 5 根据富集系数 C 植物/ C土壤，计算 锦州市市区主干道周边银杏叶对土壤中P b 的平均富集系数A x 0 . 1 8 7 9 ，A x ＜1 ，表 明银杏对土壤中 P b并无明显富集作用。 景值为评价标准，对锦州市市区主干道周 边土壤中 P b污染进行评价，土壤污染程 度为无污染 -轻度污染级别。 3 . 2 锦州市市区主干道周边土壤中P b 的平均含量为5 8 . 0 7 3 8 m g / k g ，银杏叶片 中P b 的平均含量为4 . 7 2 0 6 m g / k g 3 . 3 交通流量及时间对市区主干道周边 土壤中 P b含量分布有一定的作用，按交 通流量各监测点位顺序为中央大街＞解放 路＞云飞街≥洛阳路≥士英街＞市府路， 土壤中 P b含量分布也符合类似规律。但 云飞街、洛阳路、士英街交通流量相差不 大，而土壤中 P b含量却相差明显，可能 是由于怠速条件下 P b的释放有关。在所 有监测干线中，市府路建成最晚，且交通 流量最小，故市府路周边土壤及植物体内 参考文献 [ 1 ] 冯福建, 王兰, 虞江萍. 我国铅污染的时空 走势[ J ] . 辽宁工程技术大学学报 （自然科 学版） . 2 0 0 1 , 2 0 6 8 4 0 - 8 4 3 . 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