1、专题部分沙漠及沙漠化生态脆弱区绿色采煤新方法研究摘要：阐述了煤矿绿色开采的提出、概念及绿色开采技术体系。绿色开采技术的主要内容应包括:保水开采、建筑物下采煤与离层注浆减沉、条带与充填开采、煤与瓦斯共采、煤巷支护与部分研石的井下处理、煤炭地下气化等，介绍了关于绿色开采技术研究与实践成果。关键词：环境破坏；绿色开采；新方法；Deserts and Desertification ecologically fragile area new method for green miniAbstract:Described the proposed green mining, mining technol
2、ogy, system concepts and green. The main content of the green mining technology should include: water extraction, coal mining under buildings and separation grouting to reduce, with the filling strip mining, coal and gas mining, roadway support and some research underground stone processing, coal un
3、derground gasification, introduced on the green mining technology research and practical achievements.Key words: environmental damage; green mining; new methods;1 煤矿开采造成环境破坏的特点土地是人们赖以生存的最基本的资源,开采沉陷是人类活动对土地损害的主要部分。资料表明,每年由于煤炭开采损伤土地面积达到12. 5 万hm2左右,塌陷面积约2 万hm2 左右,直接经济损失约20亿元1 。煤矿开采造成的土地破坏不仅使农民失去赖以生存的土
4、地,而且还导致了严重的社会问题。1.1 井工开采沉陷破坏土地1.1.1 开采沉陷(1) 非连续沉陷造成土地损害井工开采引起地表裂缝、台阶下沉、塌陷坑及滑坡破坏。这种沉陷破坏了原有的地形地貌,对地表生态、植被破坏严重,导致水土流失和土地的荒漠化,是开采土地损害的最严重的形式之一。资料表明,对于井工开采,每采1 万t 煤炭就有0. 010. 29hm2 的土地塌陷;平均为0. 2 hm2 的土地塌陷,截止到目前,受煤炭开采下沉影响(以下沉大于10 mm 为标准) 的土地面积达40 万hm2 左右。其中因积水造成减产或绝产的2 ,我国中东部矿区面积为13 万hm2 ,而西北、东北、华北北部和西南地区
5、受塌陷影响区的面积约为27 万hm2 。(2) 降低了地表标高,形成低洼积水坑或沼泽地在潜水位较高地区,由于开采沉陷使地下水位上升到地表标高以上或接近地表,就会形成积水坑、沼泽地或使地表盐碱化,破坏土地的经济使用价值。我国黄、淮海中部地区地势平坦,潜水位高,这里分布着许多大型煤矿,如徐州、淮北、淮南、枣庄、兖州等矿区,煤炭开采造成土地生态损害严重,并有大量的常年积水区,最大深度达10 m 左右。如徐州矿区的塌陷地已达5 000 hm2 ,常年积水面积占1/4。淮南矿区开采塌陷面积约为1 417 hm2 ,老区的最大下沉深度已达19 m 之多,占总面积的12. 6 %。淮北矿区的塌陷面积已达7
6、000 hm2 ,其中常年积水面积占1/32 。(3) 开采引起湿陷性黄土裂缝损害湿陷性黄土结构疏松,抗拉伸变形能力很小,采动极易形成垂直裂缝。当采动程度严重情况下,裂缝间联通形成地表塌陷坑或冲刷沟破坏。并且当这种采动裂缝出现在坡体位置时,会导致大面积的滑坡、坍塌灾害发生,形成大的裂缝或塌陷坑。更为严重的是,在雨水冲刷、侵蚀作用下引起严重的水土流失,加剧土地的毁坏,地表毁坏面积一般达50 %以上。同时在山区地表条件下,这种裂缝破坏会引起大面积的滑坡灾害发生,造成森林植被破坏,水土流失加剧,生态环境恶化。1.1.2 矸石山压占土地据统计,我国煤矿现有矸石山1 500 万座,堆积量约30 亿t ,
7、占地约5 800 hm2 。目前每年矸石产生量约为1. 52. 0 t ,约占地300400 hm2 。重要的是,若不采取积极的措施,部分矸石山还会因自燃污染大气环境。资料表明,我国现有130 多座煤矸石山正在自燃。占煤矸石山总量的13 % ,另外,矸石山淋溶水会呈现较强酸性、碱性或有毒有害元素,会污染周围土壤、地面及地下水体,产生环境危害。土壤环境污染具有隐蔽性和潜伏性、不可逆性和长期性两大特点,因此土壤环境污染的防治更加困难,需要给予特别重视。1.2 露天开采破坏土地状况1.2.1 露天开采破坏土地露天开采由于其作业的需要,必须直接剥离大量的地表岩土以及其上生产的大量植被,对土地的破坏是毁
8、灭性的。目前,我国露天开采煤炭产量约为8 000 万t ,占煤炭开采总产量的6 %。根据调查与资料统计,对于露天开采,每采1 万t 煤炭就有0. 060. 13 hm2的土地挖损,平均为0. 08 hm2 ,截止到2002 年底,我国露天矿开采挖掘土地约为8 840 hm2 。随着西部开发战略的实施,煤炭资源开发向西部转移的形势下,露天开采量会进一步增大,对于西部珍贵的土地资源及脆弱的生态环境的影响将日趋严重。1.2.2 排土场压占土地我国大部分露天矿目前均采用外排土场方式开采。露天开采外排土压占的土地约是挖掘土地量的1. 52. 5 倍,平均为2 倍。露天矿正常生产后,每采万t 煤排土场压占
9、土地0. 040. 33 hm2 ,平均为0. 16 hm2 。目前,露天矿排土场压占土地达16 300hm2 ,造成了对土地资源的大量压占。2 煤矿绿色开采技术的研究与实践2.1 煤矿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。近期提出的循环经济(recycling economy)是指遵循自然生态系统的物质循环和能量流动规律重构经济系统，将经济活动高效有序地组织成一个“资源利用绿
10、色工业资源再生”的封闭型物质能量循环的反馈式流程，保持经济生产的低消耗、高质量、低废弃，从而将经济活动对自然环境的影响破坏减少到最低程度。它不同于传统经济的“高开采、低利用、高排放”，而是达到“低开采、高利用、低排放”的可持续发展目标。显然，此处的绿色工业”是广义的概念，应由各个工业部门去实现。对矿业来说就是要实现“绿色矿业”。“绿色矿业”的核心内容之一就是要实现“绿色开采”。“绿色开采”的内涵是努力遵循循环经济中绿色工业的原则，形成一种与环境协调一致的，努力去实现“低开采、高利用、低排放”的开采技术。矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致的，而进行开发建设后，强烈的人为活动便使环境发生巨大的
11、变化，由此形成了矿区独特的生态环境问题，如造成农田以及建筑物破坏，村庄迁徙，矸石堆积，使河川径流量减少，以及地下水供水水源干枯，在地面导致的土地沙漠化，由于开采而使矿物内的有害物质流入地下水中等。我国目前的煤矿生产是在以下两种情况下进行的:一是生产成本不完全。如投入不足;技术装备落后;安全设施欠帐;工人工资太低。二是相关费用支付不全。如矿产资源费以及植被恢复，地面塌陷与水损失;污染治理等。提出并形成绿色开采技术是为了正视开采对环境造成的影响和破坏，并有清醒的认识与足够的估量，以便提出必要的对策和对政府提出必要的政策建议。煤炭开采形成的环境问题主要为:(1)对土地资源的破坏和占用。煤炭开采对土地
12、资源的破坏损害，井下开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。(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。同时开采还可能污染地下水资源。(3)对大气环境的污染。主要来自矿井排出的煤层瓦斯抽放和煤矿矸石山的自燃。以山西省为例，19491998年共生产原煤56亿多t，地面塌陷破坏面积达666 000多h m，其中40%是耕地。研石山占地2 000多h m。至1998年煤炭地下采空面积达1 300 km2(全省面积的1 %)。采煤破坏地下水4.2亿 m / a，地表水迁流减少，导致井水位下
13、降或断流共计3 218个，影响水利工程433处，水库40座，输水管道793 890 m ;造成1 678个村庄，812 715口人，108 241头牲畜饮水困难。使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。平均每采万t原煤造成塌陷土地0.2 hm，每年新增塌陷地约2万h m。矿井瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重的温室气体，也是导致煤矿重大安全事故的根源。据初步估计，我国2 000 m浅范围内具有30 - 35万亿m煤层气资源，居世界前列。但由于我国煤层透气性小，难以在开采前抽出。建国以来，我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1 500余次，仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数达2 356人，为煤矿总死亡人数的4
14、0%。煤矿每年排放瓦斯70-190亿m。同时瓦斯又是最好的清洁能源，因此必须加以利用，变害为宝。由此可见，提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术”已迫在眉睫。事实上，笔者从20世纪90年代初已开始了有关“绿色开采技术”的研究和实践。在长期研究和实践的基础上，正式提出了煤矿绿色开采的理念及其技术体系。2.2 绿色开采的内涵与技术体系从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气(瓦斯)、土地以至于煤研石以及在煤层附近的其他矿床，都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。而原来对矿井瓦斯的定义是:“矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体”。而在矿井水文地质类型划分中认为:“根据矿井水文地
15、质条件、涌水量、水害情况和防治水难易程度，划为类型”。显然，上述概念将原本为矿区资源的瓦斯和水单纯作为有害物来对待是不合适的。煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术，在基本概念上是从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各种资源;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。根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，“绿色开采技术”主要包括以下内容:水资源保护形成“保水开采”技术;土地与建筑物保护形成离层注浆、充填与条带开采技术;瓦斯抽放形成“煤与瓦斯共采”技术;煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术;地下气化技术。这些内容构成
16、的绿色开采技术体系简要表达如图1所示。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(岩体不破坏上述问题都不会发生)，因此，绿色开采的重大基础理论为:采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布以及离层规律; 开采对岩层与地表移动的影响规律;水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律;岩体应力场分布规律及岩层控制技术。2.3 基于关键层理论的绿色开采技术研究与实践采场老顶岩层“砌体梁”结构模型是针对开采过程中的矿山压力控制而提出来的。近年来，为了解决岩层控制中更为广泛的问题，提出了岩层控制的关键层理论。关键层理论提出的目的是为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽放与突水防治以及对开采沉陷控制等的影响。因而，关键层理论将为绿色开采的研究提供理论平台。开采后，随着关键层
