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1 8 黄庆享煤炭资源绿色开采 2 0 0 8筵 煤炭资源绿色开采 黄庆 享 西 安科技 大学能源学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 分析 了煤炭的重要地位及其开采对环境的影响 ， 阐述 了矿业可持 续发展和煤炭资源绿色开 采的提 出， 总结 了煤炭资源绿色开采的内涵和 当前存在的可行技术， 明确 了岩层控制作为绿 色开采 技术的基本理论 ， 探讨 了基于绿 色开采的煤炭经济技术管理方面存在的问题 ， 提 出了西部 以保水开 采研究为重点的结论。 关键词 煤炭； 可持续发展 ； 绿色开采； 保水开采 中图分类号 T D 9 9 1 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 7 4 9 X 2 0 0 8 O 1 0 0 1 8 0 4 0 引言 我国能源资源储 量中煤炭 占 9 2 ％ ， 石油 占 2 ． 9 ％ ， 天然气 占0 ． 2 ％ ， 水电 占4 ． 7 ％。近期我 国煤 炭生产与 消费 占整 体 能 源 的 7 0 ％ ， 而油 气 仅 占 2 0 ％ 。可再生能源 ， 如太 阳能与风能 的能量高度 分 散 ， 利用成本高， 因此 ， 煤炭在近几 十年仍然是我国 的主体能源 ， 煤炭工业 的健康发展是 我国经济可持 续发展的基础。我国 2 0 0 6年生产煤炭 2 3 ． 5亿 t ， 规 划 2 0 1 0年为 2 6亿 t ， 2 0 2 0年为 2 8亿 t 。为此 ， 在考 虑发展可再生能源 的同时 ， 应该下大力气解决煤炭 开发与利用中出现的问题 。目前 ， 尽 管我 国的煤炭 产量和消费已 占世界的 1 ／ 3 ， 但整 个煤炭 行业资源 与环境协调开采与世界发达 国家还有很大的差距 ， 煤炭资源开采与环境协调发展的技术 ， 即绿色开采 技术 尚处于起步阶段 ， 是亟待研究和发展 的重大课 题 。我国西部煤炭储量丰富， 地表生态环境脆弱 ， 煤 层埋藏较浅 ， 开采引起的环境问题尤为突出 ， 开展绿 色开采 的研究 ， 对于西部矿业经济和社会可持续发 展具有特别重要的意义。 煤炭能否成为主体能源关键要解决煤炭开发利 用对环境的影 响， 环境的承受 能力和温室气体对气 候的影响将限制煤炭成为 主体能源 ， 也将影 响经济 收稿 日期 2 0 0 7- 0 82 2 作者简介 黄庆享 1 9 6 6一 ， 男 ， 新疆沙湾人 ， 博 士 ， 现任西安科技 大 学能源学 院副院长 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从 事矿 山岩层控制和 采 煤方法方面的教学与科研工作。 的快速 发展。因此 ， 煤炭 行业 面临 的紧要 任务 是 “ 形成煤炭开发与环境协调发展 ” 的绿色开采技术。 l 煤炭绿色开采的提出 1 ． 1 可持续发展与绿色开采 2 0世纪 6 0年代以后 ， 随着社会 经济、 科学技术 的发展 ， 人 口的增长， 人类与 自然环境相互作用愈来 愈强烈 ， 森林 的消失、 河流的污染 、 土地的退化 、 大气 臭氧层的破坏 、 酸雨 、 全球的温室效应 、 经济无限增 长所带来的相对资源枯竭等等 ， 让人类意识到环境 与社会经济协调发展 的重要性。7 0年代 的全球绿 色运动 ， 含有许多可持续发展的思想 ， 促进了可持续 发展的形成 与发展。1 9 8 7年 由挪威前首相布伦特 兰夫人领导的联合国环境与发展委员会 WC E D 发 表了 我们共同的未来 ， 科学地论述 了可持续发展 的概念 “ 既满 足当代人需求 ， 又不损害后人满足其 需求能力的发展 。 ” 1 9 9 2年在 巴西里约热 内卢举行 了 1 8 3个 国家和 7 0多个国际组织参加 的联合国环 境与发展大会， 该大会上通过了 2 1 世纪议程 ， 标 志着可持续发展思想被接受并从理论走向实践 。基 于上述背景 ， 矿业可持续发展被逐步重视 ， 绿色开采 正是在此背景下产 生的。2 0 0 3年 中国工程 院钱 鸣 高院士首次提 出了煤矿绿色开采 的概念 和技术体 系 ， 随后明确了实现资源开采和环境协调发展的绿 色开采研究 目标 ， 绿色开采的研究指明了方向⋯ 。 1 ． 2 煤炭 开 采与环境 矿区开采对环境的破坏和污染表现为 ①对 土 维普资讯 第 1 期 黄庆享煤炭资源绿色丌采 1 9 地资源的破坏 。地下开采主要表现为地表塌陷和矸 石山的压占； ② 对水资源 的破坏和污染 。表现为人 为疏于排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的 自然疏干开采形成的污水和废弃物可能污染水资 源 ； ③对大气环境 的污染。主要来 自矿井 排出的煤 层瓦斯和煤矿矸石山的自燃所形成的废气。 以陕北为例， 陕北侏罗纪煤田煤炭储量大 ， 煤质 好 ， 经过近 2 0年的建设 已经形成 了年产 6 5 0 0万 t 的生产能力 ， 建成了大柳塔等具有世界领 先水平 的 现代化特大型矿井 ， 正在开工建设一批煤电一体化 、 甲醇 、 聚氯乙烯等重大项 目。在资源开发的带动下 ， 陕北经济得到了快速发展 。但大规模的煤炭开发建 设 ， 使原本就十分脆弱的生态环境进一步恶化 ， 突出 表现为 ①地下水系破坏 。鄂尔多斯盆地蕴藏丰富 的地下水 ， 但这一含水层 目前在采区已被破坏 ， 有 的 地方地下水位下降幅度达 1 0～1 2 m， 有的地方 已根 本不含水 ， 并形成 了以采空 区为 中心的 降落漏 斗。 陕北地 区煤炭埋深一般在 1 0 0～ 3 0 0 I l q 之间， 在开采 过程中， 煤层顶板及覆盖层将发生位移和产生裂缝 ， 同时采空区形成地下集水 区， 使煤层顶板 以上的地 下潜水及岩层 中的裂隙水通过裂隙流人 采空区， 导 致地下水位显著降低。地下水系的破坏进而导致了 地表水系的破坏 ； ②地裂缝及地面塌 陷。煤炭开采 使地表面数百米的地层结构遭到破坏 ， 地表 已有建 筑物的功能发挥受到影响甚至遭到破坏。有的地面 下降最大幅度达 2 ． 8 8 m， 地裂缝 的最大宽度达 2 m 多、 深 1 0 m多； 有的地方形成多个塌陷坑 ， 其直径分 别达 2 0～ 8 4 m、 深 度达 1 0～3 0 m； 有的地方形成大 面积的地面沉降 ， 沉降范 围甚至超过 了采煤工作 面 的范围。神东矿区补连塔矿采空塌陷区属于丘陵盖 沙区地貌， 最密处每 2 5 m宽 的范围内就有 1 1条裂 缝 ， 地面裂缝最宽达 4 4 c m， 裂缝两侧高差最大为 4 2 e m， 井 田内原有 的一座小 水库 也 因地 裂而废 弃干 枯 ； ③土地沙漠化与水土流失。陕北侏罗纪煤 田地 处毛乌素沙漠与黄土高原接壤地 区， 生态植被稀疏 ， 水土流失 、 土地沙漠化严重， 生态环境脆弱。煤炭资 源开发产生 了地 面扰动 ， 使这些 问题进一步加剧 。 尤其是水土流失 、 土地沙漠化严 重影响陕北地 区的 长远发展和生态环境保护。 因此 ， 在生态环境 比较脆弱 的西部地 区， 存在资 源开发与利用的容量问题 ， 以便 实现经济增长与环 境的双赢 2 煤炭绿色开采 2 ． 1 煤炭绿色开采的内涵 绿 色开采的内涵主要表现在 ， 改革开采技术减 轻对地表的扰动和水土的破坏 ， 减少废弃物排放 ； 矿 山废弃物的资源化利用 ， 实现循环经济。其中， 改革 开采技术是根本 ， 岩层控制理论是基础。 2 ． 2煤炭绿色开采的基本思想 改革开采技术 ， 形成开采与环境协调发展 煤炭 开采对环境的影响很多是不可逆 的， 尤其在生态环 境 比较脆弱的西部地区大规模开采对环境的影响不 可忽视 。长期 以来 ， 煤炭开采技术主要是保证安全 、 提高回收率 、 高产高效。显然 ， 必须要 形成 “ 资源与 环境协调开采技术 ” ， 使开采导致 的环境破坏控制 在环境允许容量 内。 煤矿资源开采与地面环境建设一体化 必须在 开采地下资源的同时 ， 进行地面的环境保护和绿化 作为补偿 ， 实现地下与地面的一体均衡发展。 提倡资源开发环境损 害最小化 必须要依靠技 术进步 ， 在损害环境最小 的状态下取得最大量 的资 源或者在同样环境 损害状 态下达到最 大资源 回收 率 ， 使得环境损害／ 单位资源一最小。 2 ． 3 绿色开采技术的理论基础 开采的环境问题都 由采动所引起 ， 与开采后造 成的岩层运动有关。岩层运动使岩体松动 ， 形成岩 体内“ 裂隙场” ， 由此影响离层 的发育状态及位置和 地表沉陷， 从而改变了瓦斯与地下水在裂隙岩体 内 的渗流规律 。因此 ， 绿色开采的理论基础为 ①采动 岩体“ 节理裂隙场” 分布 以及 离层规律 ； ②开采对地 表的影响规律 ； ③液体与气体在裂隙岩体中的渗流 规律 ； ④岩层控制 主要是煤巷支护与岩体应力场 分布规律。岩层中的关键层对整个岩层运动及岩体 内“ 裂隙场” 起控制作用 ， 与绿色采矿 密切相关， 岩 层控制的关键层理论是绿色采矿的基础理论 。 2 ． 4开采技术改革 通过开采方法的改革 ， 减少对环境的破坏 ， 主要 技术途径 有 地 面建 筑物 保护 的充填 与条 带开 采 含条带充填 技术 ； 采空 区以及离层 区充填技术 ； 煤与瓦斯共采技术 ； 保护地下水资源开采技术一保 水开采技术 ； 煤炭地下气化技术 。为保护 土地而考 虑的开采后土地 的复垦。加强煤巷支护技术 ， 不 出 或少出矸石 维普资讯 2 0 陕西煤炭 2 0 0 8拄 2 ． 5矿山废弃物的资源化再利用 在矿 区范围内， 应该减少对土地 的破坏和矸石 的排出。矿区的地下水 、 煤层瓦斯 、 煤矸石和在煤层 附近的其他矿床都应该将其资源化 ， 进行开发利用 。 以甲烷 为 主 的 矿井 瓦斯 是 清 洁 能 源， 浓 度 大 于 9 0 ％ ， 发热量大于 3 ． 3 5万 M J ／ m ， 1 m 瓦斯可发 电 3 0 3 5 k W h 。对于矿井水可 以在防治地下水的 同时将矿井水资源加 以利用 。其它如塌陷地 的复垦 和矸石作为塌陷地的复垦材料以及制砖利用等。 3 煤炭绿色开采技术 3 ． 1 煤与瓦斯共采 瓦斯既是矿井有害气体也是洁净能源。因此应 该使其资源化 ， 其技术途径有 ①采前抽采。若能在 开采前将煤层内瓦斯抽 出， 则是利用瓦斯改善煤矿 安全的最好办法。但 由于我 国大部分煤体 透气 性 低 ， 在本层内抽采瓦斯有难度 ； ②煤与瓦斯共采。开 采后围岩压力降低 ， 大量瓦斯在采空区释放 ， 导致瓦 斯抽采的好机遇 ， 因此形成煤与瓦斯共 采体 系 ； ③废弃矿井抽采瓦斯。鉴于废弃矿井煤层经过采动 而充满瓦斯， 因而可以利用采动后岩体内裂隙场的 分布及钻孔 ， 将瓦斯抽排管装在井 下、 封闭井 口后 ， 抽出瓦斯 ； ④回风井 回收瓦斯。 3 ． 2 保水开采技术 我国水资源分布很不均衡 ， 大概有 7 0 ％ 的矿区 缺水 ， 尤其西部矿区缺水更为严重 ， 对于西部矿 区保 水开采是绿色开采 的主要 内容 。 矿区开发大量使用地表水和地下水 ， 而煤炭开 采又是对地下水资源人为疏 干排水过程 ， 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 当地生态产生严重 影响。地下水位 能否恢 复， 决定于上覆岩层 中是 否有可再生 的隔水层 。 陕西煤 田地质局对大柳塔煤矿开采 的观测结 果发 现 ， 在初次放顶后水位迅 速下降 ， 而后 曾经一度 回 升， 但随着回采面积的扩大逐渐下降， 最终稳定在基 岩界面附近。因此 ， 研究采动基 岩和隔水层 的移动 规律 ， 揭示导水裂隙形成规律和采动隔水层 的稳定 性是实现 保水 开采的基础。在保水开采研究 中应 当注意以下问题 ①保水开采与 防止溃水是两个概 念 ， 后者是从安全考虑 ， 而保水开采则必须研究开采 前后岩层的水文地质变化 ； ②在我 国西部地 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。流入矿井地下采空区的水如何再 利用 ， 是值得思考的大课题 。 西安科技大学正在开展陕北浅部煤层开采的采 动隔水层稳定性研究 ， 发现地表隔水层导水裂隙带 主要是基岩关键层运动而引起 的裂隙集 中所致 ， 粘 土隔水层具有一定的弥合性 。因此， 提出了采动 过程 的“ 裂隙弥散技术” 和地表 的“ 裂隙弥合技术” ， 为实现高效保水开采控制提供了途径。即， 通过合 理控制基岩运动实现 隔水层 “ 0” 形集 中裂缝 带的 “ 裂隙弥散” ， 防止或减弱导水裂 隙的形成 。通过隔 水层水理性的研究 ， 从地表针对导水裂缝带主动控 制加速裂隙弥合。 3 ． 3 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。但条带开采与传统充填开采都存在 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 体一上覆岩层一主关键层 ” 结 构体 系控 制地 表沉 陷。基于 以上认 识 ， 提 出了煤 矿部分 充填 开采技 术 J 它仅对采空 区的局部或离层 区与 冒落 区进行 充填 ， 靠覆岩关键层结构、 充填体及部分煤柱共 同支 撑覆岩控制开采沉陷。按部分充填 的位置分为三种 部分充填开采技术 采空区膏体条带充填 、 覆岩离层 分区隔离注浆充填 、 条带开采 冒落区注浆充填。 3 ． 4 矸石的处理 我国矸石排量 占原煤产量 的 1 5 ％ 一2 0 ％。按 年产 2 5亿 t 煤计算 ， 矸石排量就达到 4 5亿 t 。减 少排矸和进行矸石利用是绿色开采技术的另一大任 务 。通过优化巷道布置 ， 多开煤巷少掘岩巷 ， 开发煤 巷护巷技术 ， 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。 根据矸石成分可以采取不 同的处理方法 ， 如含碳量 大于 2 0 ％ 的煤矸石发热量在 6 ． 21 2 ． 5 M J／ k g ， 可 用于发电、 供热。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。 维普资讯 第 1 期 黄庆享煤炭资源绿色开采 2 1 3 ． 5 煤炭地下气化 煤炭地下气化是一种整体绿色开采技术。它开 始于英国 l 9 l 2年， 由于热值低 、 成本高而未得到发 展。我国于 1 9 5 8～1 9 6 0年 曾在 l 6个矿 区进 行试 验， 于 1 9 6 2年停 止 ， 1 9 8 4年 又开 始 了新 的 试 验 ， 1 9 9 4年达到连续产气 2 9 5 d ， 产气量为 2 0 0 m ／ h ， 热 值 1 3 ． 8 1 ～1 7 ． 5 7 MJ ／ m ， 采用的是有井式 、 长通道 、 大断面的煤 炭地 下气 化方法。2 0 0 5年 中国矿业 大 学与重庆中梁山矿业集团合作实现了连续稳定生产 优质水煤气和混合煤气。但是 ， 地 下煤炭气化燃烧 产生的苯和酚是致癌物质 ， 有可能毒化水资源 ； 燃烧 形成 的大量 C O ， 对 空气也 是严重 的污染 。目前 我 国的地下气化技术仍处 于工业试验阶段 ， 有很多问 题需要去研究和探索 。 4 煤炭循环经济和经济管理 4 ． 1 循环经济与产业链 根据煤炭开采生产所排放的废物特征、 矿 区的 资源条件和外部环境 ， 有的矿 区在主导产业链 的基 础上 ， 可延 伸 出“ 煤矸 石 、 煤 泥一热 电厂一热 电” ， “ 灰渣 、 矸石～建材厂一建材产品” ， “ 煤矸石一充填 复垦一土地资源” ， “ 矿井排水～水处理站一供水 ” ， “ 瓦斯 抽采 煤与 瓦斯共 采 ～瓦斯 发 电 瓦斯 利 用 ” 等多条产业链 ， 以实现煤炭 开采 的循 环经济。 兖州、 潞安 、 新汶、 神华 、 淮南等矿业集团都开展了具 有 自身特色的生态恢复生产系统。 。 。 。 4 ． 2 绿色矿业经济管理 循环经济产业链与价值链 瓦斯发电与矿井地 下水 以及部分矸石资源的利用 、 地下残煤气化等 ， 可 能产业化并降低成本 。但绿色开采技术 的实施也可 能影响开采效率 ， 甚至增加成本 。因此 ， 绿色开采技 术就存在环境和经济评价问题 。 煤炭成本和赢利空间 目前 ， 煤炭成本为不完全 成本。如果在煤炭成本中征增加煤炭资源税 、 安全 生产费、 矿 区生态环境补 偿费 、 矿区转产发展 基金 等 ， 将使吨煤成本明显增加 ， 加之近期 国家调整 了电 力价格 ， 提高了铁路运价和港务费， 吨煤的运输 费用 增加 ， 而煤炭价格上涨空 间有限。如果要推进绿色 开采 ， 就必须进行合理的成本和价格核算 ， 从政策上 支持绿色开采的实施 。 4 ． 3受益与补偿 由于现行 矿产资源价格不尽合理 ， 保护和治理 矿 区环境按照“ 谁污染 、 谁治理 、 谁破坏 、 谁恢复” 就 存在一定的局限性。可 以考虑用“ 受益与分摊” 加 以补充 ， 让以煤炭作为原料进行加工 的受益者共 同 分摊。这样也弥补了分配上 的部分不公平 ， 也能帮 助矿区环境治理步人 良性循环 。 5 结论 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 ， 突出特点是考虑对环 境的保护， 形成开采与环境协调发展 。 2 在开采技术方面 ， 涉及到充填和复垦 、 瓦斯 抽采、 保水技术 、 矸石利用 、 煤巷支护和地下气化等。 开采后岩层运动是导致环境破坏的基本原 因， 岩层 控制 的关键层理论 等是实施绿色 开采技 术研究 的 基础 。 3 各矿区应 当根据 自身条件 ， 形成各 自的模 式。东部矿区以保护地面为主 ， 而西部则以保水开 采为主。 ‘ 4 煤炭绿色开采技术是一个 系统工程 ， 目前 只形成了基本的技术框架 ， 基 于绿色开采的经济核 算和管理尚有待于发展。 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高， 许家林 ， 缪协兴．煤矿绿色开采技术[ J ] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． [ 2 ] 钱鸣高， 缪协兴， 许家林 ， 等．岩层控制的关键层 理论[ M] ．徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 许家林， 钱呜高．地面钻井抽放上覆远距离卸压 煤层 气试验研究 [ J ．中国矿 业大学学 报 ， 2 0 0 0 ， 2 9 1 7 88 2 ． [ 4 ] 黄庆享， 刘腾飞．浅埋煤层开采隔水层位移规律 相似模拟研究 J ] ．煤 田地质与勘探 ， 2 0 0 6 ， 3 4 5 3 43 7 [ 5 ] 许家林 ， 朱卫兵 ， 李兴尚， 等．控制煤矿开采沉陷 的部分充填开采技术研究 J ] ．采矿与安全工程 学报 ， 2 0 0 6 ， 2 3 1 61 1 ． [ 6 ] 钱鸣高 ， 许家林 ．煤 炭工业 发展 面临 几个 问题 的 讨论[ J ] ．采矿与安全工程学报， 2 0 0 6 ， 2 3 2 1 一 ． 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