煤炭资源绿色开采

18黄庆享煤炭资源绿色开采2008年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710054)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:TD991文献标识码:B文章编号:1671 -749X(2008 )01 -0018 -04的快速发展。因此,煤炭行业面临的紧要任务是0引言“形成煤炭开发与环境协调发展"的绿色开采技术。我国能源资源储量中煤炭占92% ,石油占2.1煤炭绿色开采的提 出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70% , 而油气仅占1.1可持续发展 与绿色开采20%。可再生能源，如太阳能与风能的能量高度分20世纪60年代以后,随着社会经济、科学技术散,利用成本高,因此,煤炭在近几十年仍然是我国的发展,人口的增长,人类与自然环境相互作用愈来的主体能源,煤炭工业的健康发展是我国经济可持愈强烈,森林的消失、河流的污染、土地的退化、大气续发展的基础。我国2006年生产煤炭23.5亿t,规臭氧层的破坏、酸雨、全球的温室效应、经济无限增划2010年为26亿t,2020年为28亿t。为此,在考长所带 来的相对资源枯竭等等,让人类意识到环境虑发展可再生能源的同时,应该下大力气解决煤炭与社 会经济协调发展的重要性。70年代的全球绿开发与利用中出现的问题。目前,尽管我国的煤炭色运动,含有许多可持续发展的思想,促进了可持续产量和消费已占世界的1/3，但整个煤炭行业资源发展的形成与发展。1987 年由挪威前首相布伦特与环境协调开采与世界发达国家还有很大的差距，兰夫人领导的联合国环境与发展委员会( WCED)发煤炭资源开采与环境协调发展的技术,即绿色开采表了《我们共同的未来》,科学地论述了可持续发展技术尚处于起步阶段，是亟待研究和发展的重大课的概念:“既满足当代人需求,又不损害后人满足其题。我国西部煤炭储量丰富,地表生态环境脆弱,煤需求能力的发展。”1992年在巴西里约热内卢举行层埋藏较浅,开采引起的环境问题尤为突出,开展绿了183个国家和70多个国际组织参加的联合国环色开采的研究,对于西部矿业经济和社会可持续发境与发展大会,该大会上通过了《21世纪议程》,标展具有特别重要的意义。，志着可持续发展思想被接受并从理论走向实践。基煤炭能否成为主体能源关键要解决煤炭开发利于上述背景,矿业可持续发展被逐步重视,绿色开采用对环境的影响,环境的承受能力和温室气体对气正是在此背景下产生的。2003年中国工程院钱鸣候的影响将限制煤炭成为主体能源,也将影响经济高院中国煤化工采的概念和技术体系,阳YHCNMHG环境协调发展的绿收稿日期:2007-08 -22色开采研究目标,绿色开采的研究指明了方向。.作者简介:黄庆享(1966-),男,新疆沙湾人.博士,现任西安科技大1.2 煤炭开采与环境学能源学院副院长,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。矿区开采对环境的破坏和污染表现为:①对土第1期黄庆享煤炭资源绿色开采19地资源的破坏。地下开采主要表现为地表塌陷和矸2煤炭绿色开采石山的压占;②对水资源的破坏和污染。表现为人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的2.1煤炭绿色开采的内涵自然疏干。开采形成的污水和废弃物可能污染水资绿色开采的内涵主要表现在,改革开采技术减源;③对大气环境的污染。主要来自矿井排出的煤轻对地表的扰动和水土的破坏,减少废弃物排放;矿层瓦斯和煤矿矸石山的自燃所形成的废气。山废弃物的资源化利用,实现循环经济。其中,改革以陕北为例,陕北侏罗纪煤田煤炭储量大,煤质开采技术是根本,岩层控制理论是基础。好,经过近20年的建设已经形成了年产6 500万t2.2 煤炭绿色开采的基本思想的生产能力,建成了大柳塔等具有世界领先水平的改革开采技术,形成开采与环境协调发展:煤炭现代化特大型矿井,正在开工建设-批煤电- -体化、开采对环境的影响 很多是不可逆的,尤其在生态环甲醇、聚氯乙烯等重大项目。在资源开发的带动下，境比较脆 弱的西部地区大规模开采对环境的影响不陕北经济得到了快速发展。但大规模的煤炭开发建可忽视。长期以来,煤炭开采技术主要是保证安全、设,使原本就十分脆弱的生态环境进-步恶化,突出提高回收率高产高效。显然,必须要形成“资源与表现为:①地下水系破坏。鄂尔多斯盆地蕴藏丰富环境协调开采技术”,使开采导致的环境破坏控制的地下水,但这一含水层目前在采区已被破坏,有的在环境允许容量内。地方地下水位下降幅度达10~12 m,有的地方已根煤矿资源开采与地面环境建设一体化:必须在本不含水,并形成了以采空区为中心的降落漏斗。开采地下资源的同时,进行地面的环境保护和绿化陕北地区煤炭埋深-般在100 ~300 m之间,在开采作为补偿,实现地下与地面的一-体均衡发展。过程中,煤层顶板及覆盖层将发生位移和产生裂缝,提倡资源开发环境损害最小化:必须要依靠技同时采空区形成地下集水区,使煤层顶板以上的地术进步,在损害环境最小的状态下取得最大量的资下潜水及岩层中的裂隙水通过裂隙流人采空区,导源或者在同样环境损害状态下达到最大资源回收致地下水位显著降低。地下水系的破坏进而导致了率,使得环境损害/单位资源+最小。地表水系的破坏;②地裂缝及地面塌陷。煤炭开采2.3绿色开采技术的理论基础使地表面数百米的地层结构遭到破坏，地表已有建开采的环境问题都由采动所引起，与开采后造筑物的功能发挥受到影响甚至遭到破坏。有的地面成的岩层运动有关。岩层运动使岩体松动,形成岩下降最大幅度达2.88 m,地裂缝的最大宽度达2 m体内“裂隙场”,由此影响离层的发育状态及位置和.多深10m多;有的地方形成多个塌陷坑,其直径分地表沉陷,从而改变了瓦斯与地下水在裂隙岩体内别达20~84 m深度达10 ~30 m;有的地方形成大的渗 流规律。因此,绿色开采的理论基础为:①采动面积的地面沉降,沉降范围甚至超过了采煤工作面岩体“节理裂隙场”分布以及离层规律;②开采对地的范围。神东矿区补连塔矿采空塌陷区属于丘陵盖表的影响规律;③液体与气体在裂隙岩体中的渗流沙区地貌,最密处每25 m宽的范围内就有11条裂规律;④岩层控制(主要是煤巷支护)与岩体应力场缝,地面裂缝最宽达44 cm,裂缝两侧高差最大为42分布规律。岩层中的关键层对整个岩层运动及岩体cm,井田内原有的一座小水库也因地裂而废弃干内“裂隙场”起控制作用，与绿色采矿密切相关,岩枯;③土地沙漠化与水土流失。陕北侏罗纪煤田地层控制的关键层理论是绿色采矿的基础理论[2]。处毛乌素沙漠与黄土高原接壤地区,生态植被稀疏,2.4 开采技术改革水土流失、土地沙漠化严重,生态环境脆弱。煤炭资通过开采方法的改革,减少对环境的破坏,主要源开发产生了地面扰动,使这些问题进一步加剧。技术途径有:地面建筑物保护的充填与条带开采尤其是水土流失、土地沙漠化严重影响陕北地区的(中国煤化工及离层区充填技术; .长远发展和生态环境保护。煤MHCN M H G资源开采技术一保因此,在生态环境比较脆弱的西部地区,存在资水开采技术;煤炭地下气化技术。为保护土地而考源开发与利用的容量问题,以便实现经济增长与环虑的开采后土地的复垦。加强煤巷支护技术,不出境的双贏。或少出矸石。20陕西煤炭2008年2.5矿山废 弃物的资源化再利用水系的破坏在降雨后能否恢复,能否再造相应的隔在矿区范围内,应该减少对土地的破坏和矸石水层;③地下水的利用，是减轻和修复开采对水资源的排出。矿区的地下水、煤层瓦斯、煤矸石和在煤层破坏的重要途径。流入矿井地下采空区的水如何再附近的其他矿床都应该将其资源化,进行开发利用。利用 ，是值得思考的大课题。以甲烷为主的矿井瓦斯是清洁能源,浓度大于西安科技大学正在开展陕北浅部煤层开采的采90% ,发热量大于3.35万MJ/m',1 m'瓦斯可发电动隔水层稳定性研究,发现地表隔水层导水裂隙带30~35 kW●h。对于矿井水可以在防治地下水的主要是基岩关键层运动而引起的裂隙集中所致,粘同时将矿井水资源加以利用。其它如塌陷地的复垦土隔水层具有- -定的弥合性[3]。因此,提出了采动和矸石作为塌陷地的复垦材料以及制砖利用等。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3煤炭绿色开采技术理控制基岩运动实现隔水层“O”形集中裂缝带的3.1煤与瓦斯共采“裂隐弥散”,防止或减弱导水裂隙的形成。通过隔瓦斯既是矿井有害气体也是洁净能源。因此应水层水理性的研究,从地表针对导水裂缝带主动控该使其资源化,其技术途径有:①采前抽采。若能在制加速裂隙弥合。开采前将煤层内瓦斯抽出,则是利用瓦斯改善煤矿3.3 减沉技术安全的最好办法。但由于我国大部分煤体透气性减少因开采造成地表沉陷对地面建筑物和农田低,在本层内抽采瓦斯有难度;②煤与瓦斯共采。开破坏的办法是:采用条带与充填开采办法减沉,对破采后围岩压力降低,大量瓦斯在采空区释放,导致瓦.坏的农田复垦。但条带开采与传统充填开采都存在斯抽采的好机遇，因此形成煤与瓦斯共采体系'";明显的不足之处。③废弃矿井抽采瓦斯。鉴于废弃矿井煤层经过采动研究表明,主关键层对地表移动过程起控制作而充满瓦斯,因而可以利用采动后岩体内裂隙场的用,主关键层的破断将导致地表快速下沉。因而,通分布及钻孔,将瓦斯抽排管装在井下、封闭井口后,过主关键层控制地表沉陷,形成“条带煤柱或充填抽出瓦斯;④回风井回收瓦斯。体一上覆岩层一主关键层”结构体系控制地表沉3.2保水开采技术我国水资源分布很不均衡,大概有70%的矿区陷。基于以上认识,提出了煤矿部分充填开采技缺水,尤其西部矿区缺水更为严重,对于西部矿区保术[4] :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,而煤炭开撑覆岩控制开采沉陷。按部分充填的位置分为三种采又是对地下水资源人为疏干排水过程,采动形成部分充填开采技术:采空区膏体条带充填覆岩离层的导水裂隙对煤系含水层形成自然疏干过程,这些分区隔离注浆充填条带开采冒落区注浆充填。都将对当地生态产生严重影响。地下水位能否恢3.4研石的处理复,决定于上覆岩层中是否有可再生的隔水层'5]。我国矸石排量占原煤产量的15% ~20%。按陕西煤田地质局对大柳塔煤矿开采的观测结果发年产25亿t煤计算,研石排量就达到4~5亿t。减现,在初次放顶后水位迅速下降,而后曾经一度回少排矸和进行矸石利用是绿色开采技术的另一-大任升,但随着回采面积的扩大逐渐下降,最终稳定在基务。通过优化巷道布置,多开煤巷少掘岩巷,开发煤岩界面附近。因此,研究采动基岩和隔水层的移动巷护巷技术,减少矸石量。但随着采深的增加,岩石规律,揭示导水裂隙形成规律和采动隔水层的稳定巷的开掘将不可避免,处理好矸石利用是解决途径。性是实现保水开采的基础。在保水开采研究中应根据中国煤化工理方法,如含碳量当注意以下问题:①保水开采与防止溃水是两个概大于YHC NMH G2~12.5 MJ/kg,可念,后者是从安全考虑,而保水开采则必须研究开采用于发电、供热。含碳量低的煤矸石可用于建筑材前后岩层的水文地质变化;②在我国西部地区必须料、复垦回填材料等。对于有些不宜于在地面使用研究采动覆岩内是否有隔水层,开采对地表和地下的矸石,可在井下充填采空区以保护地表。第1期黄庆享煤炭资源绿色开采213.5煤炭地下气化4.3受益与补偿煤炭地下气化是- -种整体绿色开采技术。它开由于现行矿产资源价格不尽合理,保护和治理始于英国1912年,由于热值低、成本高而未得到发矿区环境按照“ 谁污染谁治理、谁破坏、谁恢复”就展。我国于1958~1960年曾在16个矿区进行试存在一定的局限性。可以考虑用“受益与分摊"加验,于1962 年停止, 1984年又开始了新的试验，以补充,让以煤炭作为原料进行加工的受益者共同1994年达到连续产气295 d,产气量为200 m'/h,热分摊。这样也弥补了分配上的部分不公平,也能帮值13.81 ~17.57 MJ/m3 ,采用的是有井式、长通道、助矿区环境治理步人良性循环。大断面的煤炭地下气化方法。2005 年中国矿业大5结论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(1)煤炭作为主体和可靠能源,绿色开采是其产生的苯和酚是致癌物质,有可能毒化水资源;燃烧可持续发展的主要内容之- ,突出特点是考虑对环形成的大量CO2对空气也是严重的污染。目前我境的保护,形成开采与环境协调发展。国的地下气化技术仍处于工业试验阶段,有很多问(2)在开采技术方面,涉及到充填和复垦、瓦斯题需要去研究和探索。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.4煤炭循环经济和经济管理控制的关键层理论等是实施绿色开采技术研究的4.1循环经济与产 业链基础。根据煤炭开采生产所排放的废物特征、矿区的(3)各矿区应当根据自身条件,形成各自的模资源条件和外部环境,有的矿区在主导产业链的基式。东部矿区以保护地面为主,而西部则以保水开础上,可延伸出“煤矸石煤泥-热电厂-热电”，采为主。“灰渣研石-建材厂一建材产品”，“煤矸石- -充填(4)煤炭绿色开采技术是-一个系统工程,目前复垦-土地资源”,“矿井排水-水处理站一 供水” ，只形成了 基本的技术框架,基于绿色开采的经济核“瓦斯抽采(煤与瓦斯共采)一瓦斯发电(瓦斯利算和管理尚有待于发展。用)”等多条产业链,以实现煤炭开采的循环经济。参考文献:兖州潞安、新汶、神华、淮南等矿业集团都开展了具[1] 钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].有自身特色的生态恢复生产系统[6]。中国矿业大学学报,2003, 32(4): 343 -348.4.2绿色矿 业经济管理[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,2003.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研石资源的利用、地下残煤气化等,可[3]许家林, 钱鸣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, 2000,能产业化并降低成本。但绿色开采技术的实施也可29(1): 78 -82.能影响开采效率,甚至增加成本。因此,绿色开采技[4] 黄庆享,刘腾飞浅埋煤层开采隔水层位移规律术就存在环境和经济评价问题。相似模拟研究[J].煤田地质与勘探, 2006,34煤炭成本和赢利空间:目前,煤炭成本为不完全(5):34 -37成本。如果在煤炭成本中征增加煤炭资源税安全[5] 许家林,朱卫兵，李兴尚,等控制煤矿开采沉陷生产费、矿区生态环境补偿费矿区转产发展基金.的部分充填开采技术研究[J].采矿与安全工程等,将使吨煤成本明显增加,加之近期国家调整了电学报,2006,23(1):6-11.力价格,提高了铁路运价和港务费,吨煤的运输费用6]钱鸣高,许家林.煤炭工业发展面临几个问题的增加,而煤炭价格上涨空间有限。如果要推进绿色中国煤化工学报,006,23(2) :1开采,就必须进行合理的成本和价格核算,从政策上MHCNMHG支持绿色开采的实施。