煤炭資源綠色開(kāi)采

18黃慶享煤炭資源綠色開(kāi)采2008年煤炭資源綠色開(kāi)采黃慶享(西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西西安710054)摘要;分析了煤炭的 重要地位及其開(kāi)采對環(huán)境的影響,闡述了礦業(yè)可持續發(fā)展和煤炭資源綠色開(kāi)采的提出,總結了煤炭資源綠色開(kāi)采的內涵和當前存在的可行技術(shù),明確了巖層控制作為綠色開(kāi)采技術(shù)的基本理論,探討了基于綠色開(kāi)采的煤炭經(jīng)濟技術(shù)管理方面存在的問(wèn)題,提出了西部以保水開(kāi)采研究為重點(diǎn)的結論。關(guān)鍵詞:煤炭;可持續發(fā)展;綠色開(kāi)采;保水開(kāi)采中圖分類(lèi)號:TD991文獻標識碼:B文章編號:1671 -749X(2008 )01 -0018 -04的快速發(fā)展。因此,煤炭行業(yè)面臨的緊要任務(wù)是0引言“形成煤炭開(kāi)發(fā)與環(huán)境協(xié)調發(fā)展"的綠色開(kāi)采技術(shù)。我國能源資源儲量中煤炭占92% ,石油占2.1煤炭綠色開(kāi)采的提 出9% ,天然氣占0.2% ,水電占4.7%。近期我國煤炭生產(chǎn)與消費占整體能源的70% , 而油氣僅占1.1可持續發(fā)展 與綠色開(kāi)采20%?？稍偕茉?，如太陽(yáng)能與風(fēng)能的能量高度分20世紀60年代以后,隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)散,利用成本高,因此,煤炭在近幾十年仍然是我國的發(fā)展,人口的增長(cháng),人類(lèi)與自然環(huán)境相互作用愈來(lái)的主體能源,煤炭工業(yè)的健康發(fā)展是我國經(jīng)濟可持愈強烈,森林的消失、河流的污染、土地的退化、大氣續發(fā)展的基礎。我國2006年生產(chǎn)煤炭23.5億t,規臭氧層的破壞、酸雨、全球的溫室效應、經(jīng)濟無(wú)限增劃2010年為26億t,2020年為28億t。為此,在考長(cháng)所帶 來(lái)的相對資源枯竭等等,讓人類(lèi)意識到環(huán)境慮發(fā)展可再生能源的同時(shí),應該下大力氣解決煤炭與社 會(huì )經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展的重要性。70年代的全球綠開(kāi)發(fā)與利用中出現的問(wèn)題。目前,盡管我國的煤炭色運動(dòng),含有許多可持續發(fā)展的思想,促進(jìn)了可持續產(chǎn)量和消費已占世界的1/3，但整個(gè)煤炭行業(yè)資源發(fā)展的形成與發(fā)展。1987 年由挪威前首相布倫特與環(huán)境協(xié)調開(kāi)采與世界發(fā)達國家還有很大的差距，蘭夫人領(lǐng)導的聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展委員會(huì )( WCED)發(fā)煤炭資源開(kāi)采與環(huán)境協(xié)調發(fā)展的技術(shù),即綠色開(kāi)采表了《我們共同的未來(lái)》,科學(xué)地論述了可持續發(fā)展技術(shù)尚處于起步階段，是亟待研究和發(fā)展的重大課的概念:“既滿(mǎn)足當代人需求,又不損害后人滿(mǎn)足其題。我國西部煤炭?jì)α控S富,地表生態(tài)環(huán)境脆弱,煤需求能力的發(fā)展?！?992年在巴西里約熱內盧舉行層埋藏較淺,開(kāi)采引起的環(huán)境問(wèn)題尤為突出,開(kāi)展綠了183個(gè)國家和70多個(gè)國際組織參加的聯(lián)合國環(huán)色開(kāi)采的研究,對于西部礦業(yè)經(jīng)濟和社會(huì )可持續發(fā)境與發(fā)展大會(huì ),該大會(huì )上通過(guò)了《21世紀議程》,標展具有特別重要的意義。，志著(zhù)可持續發(fā)展思想被接受并從理論走向實(shí)踐?；禾磕芊癯蔀橹黧w能源關(guān)鍵要解決煤炭開(kāi)發(fā)利于上述背景,礦業(yè)可持續發(fā)展被逐步重視,綠色開(kāi)采用對環(huán)境的影響,環(huán)境的承受能力和溫室氣體對氣正是在此背景下產(chǎn)生的。2003年中國工程院錢(qián)鳴候的影響將限制煤炭成為主體能源,也將影響經(jīng)濟高院中國煤化工采的概念和技術(shù)體系,陽(yáng)YHCNMHG環(huán)境協(xié)調發(fā)展的綠收稿日期:2007-08 -22色開(kāi)采研究目標,綠色開(kāi)采的研究指明了方向。.作者簡(jiǎn)介:黃慶享(1966-),男,新疆沙灣人.博士,現任西安科技大1.2 煤炭開(kāi)采與環(huán)境學(xué)能源學(xué)院副院長(cháng),教授,博士生導師,主要從事礦山巖層控制和采煤方法方面的教學(xué)與科研工作。礦區開(kāi)采對環(huán)境的破壞和污染表現為:①對土第1期黃慶享煤炭資源綠色開(kāi)采19地資源的破壞。地下開(kāi)采主要表現為地表塌陷和矸2煤炭綠色開(kāi)采石山的壓占;②對水資源的破壞和污染。表現為人為疏干排水和采動(dòng)形成的導水裂隙對煤系含水層的2.1煤炭綠色開(kāi)采的內涵自然疏干。開(kāi)采形成的污水和廢棄物可能污染水資綠色開(kāi)采的內涵主要表現在,改革開(kāi)采技術(shù)減源;③對大氣環(huán)境的污染。主要來(lái)自礦井排出的煤輕對地表的擾動(dòng)和水土的破壞,減少廢棄物排放;礦層瓦斯和煤礦矸石山的自燃所形成的廢氣。山廢棄物的資源化利用,實(shí)現循環(huán)經(jīng)濟。其中,改革以陜北為例,陜北侏羅紀煤田煤炭?jì)α看?煤質(zhì)開(kāi)采技術(shù)是根本,巖層控制理論是基礎。好,經(jīng)過(guò)近20年的建設已經(jīng)形成了年產(chǎn)6 500萬(wàn)t2.2 煤炭綠色開(kāi)采的基本思想的生產(chǎn)能力,建成了大柳塔等具有世界領(lǐng)先水平的改革開(kāi)采技術(shù),形成開(kāi)采與環(huán)境協(xié)調發(fā)展:煤炭現代化特大型礦井,正在開(kāi)工建設-批煤電- -體化、開(kāi)采對環(huán)境的影響 很多是不可逆的,尤其在生態(tài)環(huán)甲醇、聚氯乙烯等重大項目。在資源開(kāi)發(fā)的帶動(dòng)下，境比較脆 弱的西部地區大規模開(kāi)采對環(huán)境的影響不陜北經(jīng)濟得到了快速發(fā)展。但大規模的煤炭開(kāi)發(fā)建可忽視。長(cháng)期以來(lái),煤炭開(kāi)采技術(shù)主要是保證安全、設,使原本就十分脆弱的生態(tài)環(huán)境進(jìn)-步惡化,突出提高回收率高產(chǎn)高效。顯然,必須要形成“資源與表現為:①地下水系破壞。鄂爾多斯盆地蘊藏豐富環(huán)境協(xié)調開(kāi)采技術(shù)”,使開(kāi)采導致的環(huán)境破壞控制的地下水,但這一含水層目前在采區已被破壞,有的在環(huán)境允許容量?jì)?。地方地下水位下降幅度達10~12 m,有的地方已根煤礦資源開(kāi)采與地面環(huán)境建設一體化:必須在本不含水,并形成了以采空區為中心的降落漏斗。開(kāi)采地下資源的同時(shí),進(jìn)行地面的環(huán)境保護和綠化陜北地區煤炭埋深-般在100 ~300 m之間,在開(kāi)采作為補償,實(shí)現地下與地面的一-體均衡發(fā)展。過(guò)程中,煤層頂板及覆蓋層將發(fā)生位移和產(chǎn)生裂縫,提倡資源開(kāi)發(fā)環(huán)境損害最小化:必須要依靠技同時(shí)采空區形成地下集水區,使煤層頂板以上的地術(shù)進(jìn)步,在損害環(huán)境最小的狀態(tài)下取得最大量的資下潛水及巖層中的裂隙水通過(guò)裂隙流人采空區,導源或者在同樣環(huán)境損害狀態(tài)下達到最大資源回收致地下水位顯著(zhù)降低。地下水系的破壞進(jìn)而導致了率,使得環(huán)境損害/單位資源+最小。地表水系的破壞;②地裂縫及地面塌陷。煤炭開(kāi)采2.3綠色開(kāi)采技術(shù)的理論基礎使地表面數百米的地層結構遭到破壞，地表已有建開(kāi)采的環(huán)境問(wèn)題都由采動(dòng)所引起，與開(kāi)采后造筑物的功能發(fā)揮受到影響甚至遭到破壞。有的地面成的巖層運動(dòng)有關(guān)。巖層運動(dòng)使巖體松動(dòng),形成巖下降最大幅度達2.88 m,地裂縫的最大寬度達2 m體內“裂隙場(chǎng)”,由此影響離層的發(fā)育狀態(tài)及位置和.多深10m多;有的地方形成多個(gè)塌陷坑,其直徑分地表沉陷,從而改變了瓦斯與地下水在裂隙巖體內別達20~84 m深度達10 ~30 m;有的地方形成大的滲 流規律。因此,綠色開(kāi)采的理論基礎為:①采動(dòng)面積的地面沉降,沉降范圍甚至超過(guò)了采煤工作面巖體“節理裂隙場(chǎng)”分布以及離層規律;②開(kāi)采對地的范圍。神東礦區補連塔礦采空塌陷區屬于丘陵蓋表的影響規律;③液體與氣體在裂隙巖體中的滲流沙區地貌,最密處每25 m寬的范圍內就有11條裂規律;④巖層控制(主要是煤巷支護)與巖體應力場(chǎng)縫,地面裂縫最寬達44 cm,裂縫兩側高差最大為42分布規律。巖層中的關(guān)鍵層對整個(gè)巖層運動(dòng)及巖體cm,井田內原有的一座小水庫也因地裂而廢棄干內“裂隙場(chǎng)”起控制作用，與綠色采礦密切相關(guān),巖枯;③土地沙漠化與水土流失。陜北侏羅紀煤田地層控制的關(guān)鍵層理論是綠色采礦的基礎理論[2]。處毛烏素沙漠與黃土高原接壤地區,生態(tài)植被稀疏,2.4 開(kāi)采技術(shù)改革水土流失、土地沙漠化嚴重,生態(tài)環(huán)境脆弱。煤炭資通過(guò)開(kāi)采方法的改革,減少對環(huán)境的破壞,主要源開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了地面擾動(dòng),使這些問(wèn)題進(jìn)一步加劇。技術(shù)途徑有:地面建筑物保護的充填與條帶開(kāi)采尤其是水土流失、土地沙漠化嚴重影響陜北地區的(中國煤化工及離層區充填技術(shù); .長(cháng)遠發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護。煤MHCN M H G資源開(kāi)采技術(shù)一保因此,在生態(tài)環(huán)境比較脆弱的西部地區,存在資水開(kāi)采技術(shù);煤炭地下氣化技術(shù)。為保護土地而考源開(kāi)發(fā)與利用的容量問(wèn)題,以便實(shí)現經(jīng)濟增長(cháng)與環(huán)慮的開(kāi)采后土地的復墾。加強煤巷支護技術(shù),不出境的雙贏(yíng)?；蛏俪鲰肥?。20陜西煤炭2008年2.5礦山廢 棄物的資源化再利用水系的破壞在降雨后能否恢復,能否再造相應的隔在礦區范圍內,應該減少對土地的破壞和矸石水層;③地下水的利用，是減輕和修復開(kāi)采對水資源的排出。礦區的地下水、煤層瓦斯、煤矸石和在煤層破壞的重要途徑。流入礦井地下采空區的水如何再附近的其他礦床都應該將其資源化,進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。利用 ，是值得思考的大課題。以甲烷為主的礦井瓦斯是清潔能源,濃度大于西安科技大學(xué)正在開(kāi)展陜北淺部煤層開(kāi)采的采90% ,發(fā)熱量大于3.35萬(wàn)MJ/m',1 m'瓦斯可發(fā)電動(dòng)隔水層穩定性研究,發(fā)現地表隔水層導水裂隙帶30~35 kW●h。對于礦井水可以在防治地下水的主要是基巖關(guān)鍵層運動(dòng)而引起的裂隙集中所致,粘同時(shí)將礦井水資源加以利用。其它如塌陷地的復墾土隔水層具有- -定的彌合性[3]。因此,提出了采動(dòng)和矸石作為塌陷地的復墾材料以及制磚利用等。過(guò)程的“裂隙彌散技術(shù)”和地表的“裂隙彌合技術(shù)”,為實(shí)現高效保水開(kāi)采控制提供了途徑。即,通過(guò)合3煤炭綠色開(kāi)采技術(shù)理控制基巖運動(dòng)實(shí)現隔水層“O”形集中裂縫帶的3.1煤與瓦斯共采“裂隱彌散”,防止或減弱導水裂隙的形成。通過(guò)隔瓦斯既是礦井有害氣體也是潔凈能源。因此應水層水理性的研究,從地表針對導水裂縫帶主動(dòng)控該使其資源化,其技術(shù)途徑有:①采前抽采。若能在制加速裂隙彌合。開(kāi)采前將煤層內瓦斯抽出,則是利用瓦斯改善煤礦3.3 減沉技術(shù)安全的最好辦法。但由于我國大部分煤體透氣性減少因開(kāi)采造成地表沉陷對地面建筑物和農田低,在本層內抽采瓦斯有難度;②煤與瓦斯共采。開(kāi)破壞的辦法是:采用條帶與充填開(kāi)采辦法減沉,對破采后圍巖壓力降低,大量瓦斯在采空區釋放,導致瓦.壞的農田復墾。但條帶開(kāi)采與傳統充填開(kāi)采都存在斯抽采的好機遇，因此形成煤與瓦斯共采體系'";明顯的不足之處。③廢棄礦井抽采瓦斯。鑒于廢棄礦井煤層經(jīng)過(guò)采動(dòng)研究表明,主關(guān)鍵層對地表移動(dòng)過(guò)程起控制作而充滿(mǎn)瓦斯,因而可以利用采動(dòng)后巖體內裂隙場(chǎng)的用,主關(guān)鍵層的破斷將導致地表快速下沉。因而,通分布及鉆孔,將瓦斯抽排管裝在井下、封閉井口后,過(guò)主關(guān)鍵層控制地表沉陷,形成“條帶煤柱或充填抽出瓦斯;④回風(fēng)井回收瓦斯。體一上覆巖層一主關(guān)鍵層”結構體系控制地表沉3.2保水開(kāi)采技術(shù)我國水資源分布很不均衡,大概有70%的礦區陷?；谝陨险J識,提出了煤礦部分充填開(kāi)采技缺水,尤其西部礦區缺水更為嚴重,對于西部礦區保術(shù)[4] :它僅對采空區的局部或離層區與冒落區進(jìn)行充填,靠覆巖關(guān)鍵層結構、充填體及部分煤柱共同支水開(kāi)采是綠色開(kāi)采的主要內容。礦區開(kāi)發(fā)大量使用地表水和地下水,而煤炭開(kāi)撐覆巖控制開(kāi)采沉陷。按部分充填的位置分為三種采又是對地下水資源人為疏干排水過(guò)程,采動(dòng)形成部分充填開(kāi)采技術(shù):采空區膏體條帶充填覆巖離層的導水裂隙對煤系含水層形成自然疏干過(guò)程,這些分區隔離注漿充填條帶開(kāi)采冒落區注漿充填。都將對當地生態(tài)產(chǎn)生嚴重影響。地下水位能否恢3.4研石的處理復,決定于上覆巖層中是否有可再生的隔水層'5]。我國矸石排量占原煤產(chǎn)量的15% ~20%。按陜西煤田地質(zhì)局對大柳塔煤礦開(kāi)采的觀(guān)測結果發(fā)年產(chǎn)25億t煤計算,研石排量就達到4~5億t。減現,在初次放頂后水位迅速下降,而后曾經(jīng)一度回少排矸和進(jìn)行矸石利用是綠色開(kāi)采技術(shù)的另一-大任升,但隨著(zhù)回采面積的擴大逐漸下降,最終穩定在基務(wù)。通過(guò)優(yōu)化巷道布置,多開(kāi)煤巷少掘巖巷,開(kāi)發(fā)煤巖界面附近。因此,研究采動(dòng)基巖和隔水層的移動(dòng)巷護巷技術(shù),減少矸石量。但隨著(zhù)采深的增加,巖石規律,揭示導水裂隙形成規律和采動(dòng)隔水層的穩定巷的開(kāi)掘將不可避免,處理好矸石利用是解決途徑。性是實(shí)現保水開(kāi)采的基礎。在保水開(kāi)采研究中應根據中國煤化工理方法,如含碳量當注意以下問(wèn)題:①保水開(kāi)采與防止潰水是兩個(gè)概大于YHC NMH G2~12.5 MJ/kg,可念,后者是從安全考慮,而保水開(kāi)采則必須研究開(kāi)采用于發(fā)電、供熱。含碳量低的煤矸石可用于建筑材前后巖層的水文地質(zhì)變化;②在我國西部地區必須料、復墾回填材料等。對于有些不宜于在地面使用研究采動(dòng)覆巖內是否有隔水層,開(kāi)采對地表和地下的矸石,可在井下充填采空區以保護地表。第1期黃慶享煤炭資源綠色開(kāi)采213.5煤炭地下氣化4.3受益與補償煤炭地下氣化是- -種整體綠色開(kāi)采技術(shù)。它開(kāi)由于現行礦產(chǎn)資源價(jià)格不盡合理,保護和治理始于英國1912年,由于熱值低、成本高而未得到發(fā)礦區環(huán)境按照“ 誰(shuí)污染誰(shuí)治理、誰(shuí)破壞、誰(shuí)恢復”就展。我國于1958~1960年曾在16個(gè)礦區進(jìn)行試存在一定的局限性?？梢钥紤]用“受益與分攤"加驗,于1962 年停止, 1984年又開(kāi)始了新的試驗，以補充,讓以煤炭作為原料進(jìn)行加工的受益者共同1994年達到連續產(chǎn)氣295 d,產(chǎn)氣量為200 m'/h,熱分攤。這樣也彌補了分配上的部分不公平,也能幫值13.81 ~17.57 MJ/m3 ,采用的是有井式、長(cháng)通道、助礦區環(huán)境治理步人良性循環(huán)。大斷面的煤炭地下氣化方法。2005 年中國礦業(yè)大5結論學(xué)與重慶中梁山礦業(yè)集團合作實(shí)現了連續穩定生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水煤氣和混合煤氣。但是,地下煤炭氣化燃燒(1)煤炭作為主體和可靠能源,綠色開(kāi)采是其產(chǎn)生的苯和酚是致癌物質(zhì),有可能毒化水資源;燃燒可持續發(fā)展的主要內容之- ,突出特點(diǎn)是考慮對環(huán)形成的大量CO2對空氣也是嚴重的污染。目前我境的保護,形成開(kāi)采與環(huán)境協(xié)調發(fā)展。國的地下氣化技術(shù)仍處于工業(yè)試驗階段,有很多問(wèn)(2)在開(kāi)采技術(shù)方面,涉及到充填和復墾、瓦斯題需要去研究和探索。抽采、保水技術(shù)矸石利用煤巷支護和地下氣化等。開(kāi)采后巖層運動(dòng)是導致環(huán)境破壞的基本原因，巖層.4煤炭循環(huán)經(jīng)濟和經(jīng)濟管理控制的關(guān)鍵層理論等是實(shí)施綠色開(kāi)采技術(shù)研究的4.1循環(huán)經(jīng)濟與產(chǎn) 業(yè)鏈基礎。根據煤炭開(kāi)采生產(chǎn)所排放的廢物特征、礦區的(3)各礦區應當根據自身條件,形成各自的模資源條件和外部環(huán)境,有的礦區在主導產(chǎn)業(yè)鏈的基式。東部礦區以保護地面為主,而西部則以保水開(kāi)礎上,可延伸出“煤矸石煤泥-熱電廠(chǎng)-熱電”，采為主?！盎以惺?建材廠(chǎng)一建材產(chǎn)品”，“煤矸石- -充填(4)煤炭綠色開(kāi)采技術(shù)是-一個(gè)系統工程,目前復墾-土地資源”,“礦井排水-水處理站一 供水” ，只形成了 基本的技術(shù)框架,基于綠色開(kāi)采的經(jīng)濟核“瓦斯抽采(煤與瓦斯共采)一瓦斯發(fā)電(瓦斯利算和管理尚有待于發(fā)展。用)”等多條產(chǎn)業(yè)鏈,以實(shí)現煤炭開(kāi)采的循環(huán)經(jīng)濟。參考文獻:兗州潞安、新汶、神華、淮南等礦業(yè)集團都開(kāi)展了具[1] 錢(qián)鳴高,許家林,繆協(xié)興.煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)[J].有自身特色的生態(tài)恢復生產(chǎn)系統[6]。中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003, 32(4): 343 -348.4.2綠色礦 業(yè)經(jīng)濟管理[2] 錢(qián)鳴高,繆協(xié)興，許家林,等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈與價(jià)值鏈:瓦斯發(fā)電與礦井地下水以及部分研石資源的利用、地下殘煤氣化等,可[3]許家林, 錢(qián)鳴高地面鉆井抽放上覆遠距離卸壓煤層氣試驗研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2000,能產(chǎn)業(yè)化并降低成本。但綠色開(kāi)采技術(shù)的實(shí)施也可29(1): 78 -82.能影響開(kāi)采效率,甚至增加成本。因此,綠色開(kāi)采技[4] 黃慶享,劉騰飛淺埋煤層開(kāi)采隔水層位移規律術(shù)就存在環(huán)境和經(jīng)濟評價(jià)問(wèn)題。相似模擬研究[J].煤田地質(zhì)與勘探, 2006,34煤炭成本和贏(yíng)利空間:目前,煤炭成本為不完全(5):34 -37成本。如果在煤炭成本中征增加煤炭資源稅安全[5] 許家林,朱衛兵，李興尚,等控制煤礦開(kāi)采沉陷生產(chǎn)費、礦區生態(tài)環(huán)境補償費礦區轉產(chǎn)發(fā)展基金.的部分充填開(kāi)采技術(shù)研究[J].采礦與安全工程等,將使噸煤成本明顯增加,加之近期國家調整了電學(xué)報,2006,23(1):6-11.力價(jià)格,提高了鐵路運價(jià)和港務(wù)費,噸煤的運輸費用6]錢(qián)鳴高,許家林.煤炭工業(yè)發(fā)展面臨幾個(gè)問(wèn)題的增加,而煤炭?jì)r(jià)格上漲空間有限。如果要推進(jìn)綠色中國煤化工學(xué)報,006,23(2) :1開(kāi)采,就必須進(jìn)行合理的成本和價(jià)格核算,從政策上MHCNMHG支持綠色開(kāi)采的實(shí)施。