两巷矸石回填后的影响及作用研究.pdf

致 谢 致 谢 论文是在王继仁教授悉心指导下完成的。从论文的选题到最后定稿，王继 仁老师倾注了大量的心血，并在百忙之中多次指导。王继仁老师在工作上兢兢 业业，在治学上严谨求实，在生活上平易近人，对学生关怀备至，不仅为我提 供了良好的工作和学习环境，而且引领我走上科研之路。在师从王继仁老师的 两年半时间里，我不仅学到了专业知识，还在科研意识、为人处事等许多方面 受到他良好的熏陶。导师渊博的知识、严谨的学风和对科学研究的无私奉献精 神深深感染和影响着我。所有这一切，都使我永记不忘，终身受益。谨向王老 师表达我最诚挚的谢意。 感谢我的父母和亲友在我最困难时所给予的帮助，使我能够全身心的投入 论文的写作之中。感谢资环学院和安全学院所有在我硕士期间给予我关心和帮 助的老师和同学，感谢各位专家在百忙之中评阅论文，必定为我做好将来的工 作起到巨大的推动作用。 摘 要 摘 要 本文采用理论分析以及数值模拟等方法研究回采两巷矸石回填前后的影响及 作用。矸石不升井，进行井下两巷回填，可以有效保护矿山环境，实现绿色开采。 利用 FLAC 有限差分计算软件对回采两巷矸石回填前后的围岩支撑压力分布变化及 其影响范围、顶板下沉规律进行工程数值模拟，得出两巷矸石回填减少两巷未冒落 时的空洞，保护区段煤柱，有利于沿空送巷。通过对两巷矸石回填前后的分析，得 出矸石回填减少矿井漏风及防自然火灾的积极作用，有利于煤矿安全生产。 关键词回采两巷；矸石回填；压力分布；数值模拟 Abstract Abstract This paper used many research s such as theory analysis and numeric simulation to study on influence and function after backfilling cola-stone in roadways of mining. It could protect environment of the mine effectively and realizing green mining because Waste not to rise, but to backfill the roadways under the mine. To simulate variation of distribution rock supporting pressure and its range of influence and variation of peak sinking with using FLAC finite-difference calculation software, finally drew the conclusion that backfilling the coal-stone into the roadways can decrease the cavity before roof falling, protect the coal pillar, in favor of digging roadways along gob. It also dew the conclusion that it can influence the wind leak and the prevention of spontaneous combustion and fire and be good for safety production of the mine by means of analysis before and after coal-stone backfilling the roadways. Key Wordsroadways of mining；coal-stone backfilling；pressure distribution； numerical simulation 目 录 目 录 摘 要 Abstract 1 绪 论 ........................................................................................................ 1 1.1 问题的提出及选题的意义 .................................................................1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................2 1.3 研究的方法及内容.............................................................................3 2 煤矸石引发的环境问题与回填处理.............................................................. 4 2.1 我国矿区煤矸石排放现状.................................................................4 2.2 煤矸石引发的环境问题 ....................................................................4 2.2.1 侵占土地 ...................................................................................... 4 2.2.2 污染大气 ...................................................................................... 5 2.2.3 污染水体 ...................................................................................... 7 2.2.4 危害公共安全............................................................................... 8 2.3 矸石回填处理 ....................................................................................8 2.3.1 煤矿绿色开采技术 ....................................................................... 8 2.3.2 矸石回填的意义 ......................................................................... 10 3 回采巷道矸石回填的理论分析 ................................................................. 12 3.1 采场矿山压力显现的基本规律 ........................................................12 3.1.1 长壁回采工作面上覆岩层活动规律 ........................................... 12 3.1.2 长壁回采工作面周围支撑压力分布规律.................................... 12 3.2 工作面周围压力分布及显现规律 ....................................................16 3.2.1 工作面两侧支撑压力分布及显现的规律.................................... 16 3.2.2 关于两个应力场的理论.............................................................. 19 3.2.3 采场围岩应力分布规律.............................................................. 22 3.3 回采巷道矸石回填的矿压显现规律分析 .........................................24 3.4 回采巷道矸石回填对沿空掘巷的影响.............................................26 3.4.1 沿空掘巷技术的应用现状 .......................................................... 26 3.4.2 两巷矸石回填对沿空掘巷技术的影响分析 ................................ 27 4 两巷矸石回填的数值模拟......................................................................... 29 4.1 有限差分法及 FLAC2D简介............................................................29 4.1.1 概 述........................................................................................ 29 4.1.2 有限差分方法的理论基础 .......................................................... 30 4.1.3 有限差分数值计算程序 FLAC.................................................... 31 4.2 回采巷道 FLAC2D模型的建立与分析.............................................34 4.2.1 数值模拟计算模型的建立 ......................................................... 34 4.2.2 岩体力学参数的选取.............................................................. 36 4.2.3 数值模拟结果与分析................................................................. 37 5 矸石回填的通风防火防瓦斯分析.............................................................. 49 5.1 矸石回填的通风 ..............................................................................49 5.1.1 矿井采区漏风............................................................................. 49 5.1.2 矸石回填对采区通风的影响 ...................................................... 50 5.2 矸石回填对防火灾的影响 ...............................................................50 5.2.1 矿井火灾的现状 ......................................................................... 50 5.2.2 矸石回填对防火的影响.............................................................. 51 5.3 回采巷道矸石回填对防瓦斯的影响 ................................................52 5.3.1 矿井的瓦斯灾害 ......................................................................... 52 5.3.2 矸石回填对防瓦斯的影响 .......................................................... 52 结 论 ........................................................................................................ 53 参 考 文 献................................................................................................... 55 作 者 简 历................................................................................................... 57 学位论文数据集.............................................................................................. 59 - 1 - 1 绪 论 1 绪 论 1.1 问题的提出及选题的意义 大量的矿区开发活动导致了严重的塌陷破坏和生态环境问题,矿山开采沉陷和 煤矸石的露天排放是造成破坏和影响矿区环境的主要根源。矿山开采沉陷破坏了人 们赖以生存的矿区生态环境,对地表及其建筑物造成了严重损害。 煤矸石的大量露天 排放不仅占用大量土地、污染土壤,而且矸石的自燃会释放大量的 SO2、CO 和 H2S 等有毒有害气体,威胁人们的生产、生活安全。近几年来,随着矸石充填液压支架、 高速动力抛矸机等关键设备的研制成功,使得矸石充填开采的成功实施成为可能。 矸 石充填开采可以在保证一定采出率的基础上有效控制岩层和地表移动、保护地表建 筑物,而且还能实现矸石不升井、直接充填采空区。对于矸石量有限的矿井，合理处 理矸石回填成为迫切需要[1]。 随着现代科学技术的迅速发展，我国煤炭工业生产展现了蓬勃发展的形势。矿 山充填可以提高资源的利用率，保护远景资源，防止地表塌陷，减少固体废料向地 表排放。矿产资源是不可再生资源，提高矿产资源的利用率是当代人实现可持续发 展战略的首要任务。充填体能提高夹壁强度，还能消除空区，约制岩移范围，制造 垫层，防止冲击地压，这是充填体在防护地压过程中一个十分重要的作用。当采空 场充填后，采场片帮会大大减少，即便发生大片帮，由于充填体的垫层作用，不会 发生冲击地压。此外，充填体消灭了部分空体，在夹壁发生破坏后，充填体可以限 制破碎岩体的自由移动。如果再加上夹壁片帮、冒落，在局部充填地段，其空场可 以得到充满。地表沉降可以得到有效控制，不会出现陷落坑[2]。 在充填体对围岩的支撑作用的认识方面，中国充填界总结出1 对矿柱提供水 平压力，改善矿柱的受载状态，提高了矿柱的强度，同时充填体也可以防止矿柱的 剥落和坍塌；2 充填体主要起限制采场围岩的变形和位移作用，但它不能改变围岩 及未采矿柱内的应力场分布；3 降低能量释放速度，提高地下结构抵抗动载荷的能 力，控制岩爆或地下结构的突然破坏。在长期的充填体作用机理研究上，提出了充 填体的三种作用原理应力吸收与转移、应力隔离和系统的共同作用。研究实现矸 - 2 - 石不升井、进行井下处理,能够促进资源开采和环境保护协调发展，而对回采工作面 两巷进行矸石回填是最容易实现的，因此，研究两巷矸石回填对实行绿色开采有着 重要意义[3]。 1.2 国内外研究现状 煤炭在中国一次能源结构中占 70左右，在未来 20 年内，煤炭在中国能源构 成中的主体地位将不会改变。传统的煤矿开采方法会引起采空区岩层移动和破坏， 并导致地表塌陷、煤岩体中水与瓦斯的流动，从而引发一系列的环境与安全问题， 如地下水资源和地表建筑物的破坏、土地的破坏和井下突水事故、井下瓦斯事故与 瓦斯排放污染大气等。为了实现煤炭工业的可持续发展和适应煤炭工业走新型工业 化道路的要求，我国煤矿正在大力发展绿色开采技术，也就是从广义资源的角度来 认识和对待煤、水、瓦斯等一切可以利用的各种资源，基于岩层移动规律，从开采 的角度采取措施，从源头上防止或尽可能地减轻煤炭开采对环境和其他资源的不良 影响，从而取得最佳的经济效益、环境与社会效益。 充填开采技术是煤矿绿色开采技术的重要组成部分。充填开采基本上是解决煤 矿开采环境的理想途径。按照充填位置的不同，煤矿充填开采方法包括离层区充填 和采空区充填。煤矿采空区充填开采技术在德国、波兰应用比较多，充填材料一般 是煤矸石、河砂和电厂粉煤灰。其中以水砂充填技术应用最多，效果也最好，正常 情况下长壁工作面使用水砂充填后地表下沉系数为 0.10～0.20。波兰采用水砂充填 条带法，已经成功地开采了多座城市下的煤炭资源。 20 世纪 60 年代，中国抚顺胜利煤矿采用伪倾斜上行水砂充填长壁采煤法成功 地开采了工厂保护煤柱。新汶矿务局孙村、良庄、协庄等矿继抚顺矿务局之后，也 开展过水砂充填试验。由于水砂充填采煤工艺复杂而且成本较高，在中国煤矿没有 得到推广应用。为了克服水砂充填存在的泌水、建立复杂的隔排水系统等问题，20 世纪 80 年代初发展了膏体充填技术。膏体充填技术的充填料被制作成不泌水的膏 状浆体，可以在较低流速情况下也能够正常地泵送，提高了充填效率，在金属矿山 得到了较快发展，中国甘肃金川镍矿和湖北大冶铜录山铜矿推广应用了膏体充填技 术。膏体充填技术在煤矿仅在德国沃尔萨姆煤矿进行过初步试验，我国学者对膏体 - 3 - 充填技术在中国煤矿应用的可行性进行了探讨，但目前为止尚未在任何煤矿开展现 场试验。 覆岩离层区充填减沉的基本原理是利用岩移过程中覆岩内形成的离层空洞，用 钻孔向离层空洞充填外来材料来支撑覆岩，从而减缓覆岩移动往地表的传播。离层 区充填材料主要为粉煤灰。覆岩离层区充填与采空区充填的不同之处在于充填区不 在采空区而在上部岩层离层区，井下工作面的生产不会被充填工作干扰。20 世纪 80 年代后期先后在抚顺、新汶华丰煤矿、兖州东滩煤矿、开滦唐山等多个煤矿进行 了离层区充填减缓地表下沉试验，取得了一定的成效。 目前对两巷矸石回填这方面的研究较少，研究两巷矸石回填的影响及作用对充 填开采技术的研究有着重要的意义 [4]-[7]。 1.3 研究的方法及内容 拟采取理论研究与数值模拟相结合的综合研究技术方法。主要采用数值模拟技 术作为力学分析手段，综合运用力学、岩层控制理论等进行理论分析。数值模拟采 用适用于岩石非线性、大变形的实用数值软件 FLAC 程序。 本文通过对回采工作面两巷矸石回填后的支撑压力分布变化规律的分析、减少 漏风及瓦斯的含量对防自然火灾的作用的分析，得出采煤工作面两巷矸石回填后的 影响及作用。主要研究内容如下 1）根据矿山压力分布规律，对回采巷道矸石回填前后工作面两巷侧向支承压 力进行分析，得出了矸石回填对于区段煤柱的影响及作用； 2）对回采工作面两巷矸石回填进行数值模拟，分析回采两巷矸石的充填量对 工作面侧向支撑压力及顶板岩层位移的影响； 3）分析回采两巷矸石回填对采空区漏风的影响，对防自然火灾的作用。 - 4 - 2 煤矸石引发的环境问题与回填处理 2 煤矸石引发的环境问题与回填处理 2.1 我国矿区煤矸石排放现状 从狭义上讲， 煤矸石是煤炭开采带出来的碳质砂岩流和碳质泥岩。从广义上讲， 煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的一种固体废弃物，它包括岩石巷道采掘时产 生的掘进矸石，采煤过程中从顶底板和煤层中岩石夹层里采出的矸石，露采时剥离 出来的矸石以及洗煤厂生产过程中排出的洗矸石等。矸石粒径大至数十厘米，小至 粘粒或胶粒；物质成分上，软岩、硬岩混杂，并残留一定量的煤，富含有机组分和 易挥发的可燃硫分等，它的灰分一般为 60～90。煤矸石中常见的矿物成分有石 英、长石、粘土矿物、白云岩及石灰石等碳酸盐类矿物、黄铁矿等，其相对含量与 煤系地层的沉积环境、岩层组合、岩性等因素有关。煤矸石是无机质和少量有机质 的混合物，其化学成分主要是 SiO2、A12O3、C，其次是 CaO、Fe2O3、Na2O、MgO、 K2O、SO3、N、P2O5、H 等。还常含有少量 Ti、CO、V 和 Ga 等金属元素和微量的 毒重金属元素，其中 SiO2和 A12O3的比例较高[8]。 我国煤矸石的排放量随着煤炭产量和原煤入选量的增加而相应的增加。按照国 内目前的煤矿生产条件，煤炭开采过程中的矸石排放量约为原煤的 10～20；煤 炭洗选加工过程中矸石排放量约为原煤入洗量的 15～20。煤矸石是排放量最大 的工业固体废物，具有排放量大、分布广、呆滞性大，对环境污染种类多、面广、 持续时间长的特点。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤矸石的排放量占 全国工业固体废物排放量的 35左右，矸石山几乎成为我国煤矿的标志[9][10]。 2.2 煤矸石引发的环境问题 2.2.1 侵占土地 煤炭是我国的第一能源，占能源消费总量的 70以上。我国发电总量的 70由 燃煤电厂供给。在国家现代化进程中必须要有足够的能源保证，那么在大力发展煤 炭和电力生产的同时必然就会产生大量的煤矸石。由于种种原因我国煤矸石综合利 用率还比较低，这样就必然占用大量土地堆放。据有关部门统计，目前全国历年累 - 5 - 计堆放的煤矸石总积存量约 45 亿 t，年排出量 3 亿 t，规模较大的矸石山达 1600 多 座，占用土地约 1.5 万 hm2，且堆积量还以 1.5～2.0 亿 t/a 的速度增加。这无疑加剧 了我国人口多，可耕地短缺的紧张局面。 煤矸石的堆放量很大，占用了大片土地，而且被占用的土地当中包括相当一部 分的肥沃耕地。煤矸石对土地的影响面积已经远远超过了其堆放面积，而是使得周 围的耕地变贫瘠，难以被利用。另外，煤矸石堆放在露天，经受一系列风化剥蚀作 用，其中的有毒重金属元素有可能通过雨水淋溶渗入到土壤当中，从而影响土壤环 境，其污染程度则取决于这些元素的含量和淋溶量的大小。尘土和水冲下的矸石风 化物细粒可漂撒在周围土地上，污染土壤。矸石山的淋溶水进入潜流和水系，也可 以影响土壤。据山西汾西矿务局调查，某些井田范围内的土壤已受 Cd、Hg 的轻度 污染。 煤矸石的长期堆积所形成的矸石山还影响自然景观。以平原为主的矿区显得很 明显。煤矸石一般为黑褐色或黑灰色，影响自然风光。矸石尘埃落在植被和建筑物 上使其失去本色，降低空气清洁度和光照度，污染矿区的空气，使空气质量严重下 降，并且影响人们的生活和植物的生长。煤矸石风化扬尘影响大气环境。据研究， 煤矸石露天堆放产生的扬尘量与风速呈正比。在相同的风速下，扬尘量大小与物质 粒度、质量和破碎状态有关。粉煤的粒度、质量、块度越小越容易被吹扬，越大吹 扬量较少。除此之外，装卸矸石时扬尘量大，平时扬尘量小，对环境的污染范围一 般为 l km。 2.2.2 污染大气 当前，对我国大气环境造成污染的最主要、最具普遍影响的污染物有 5 种飘 尘、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物和总氧化剂。煤矸石在堆放和处理过程中不同 程度地排放出这 5 种污染物，有的地区在一定时期内，其排放量还比较大，因此， 对大气环境的污染也比较严重。目前，我国累计排放矸石山 1500 座，自燃矸石山 500 座。煤矸石在满足 3 个条件的情况下就能发生自燃1）矸石堆山内要有一定 的湿度和空气流通的空隙；2）有足够的黄铁矿 FeS2的氧化作用，以产生 230℃以 上的内在温度；3）有易燃的物质如碎煤块、废坑木等。我国的煤矸石在堆放时 - 6 - 一般未经压实，矸石颗粒之间有较大的空隙，具有较高的透气和透水性，许多煤层 形成于还原的地质环境，生成了大量的黄铁矿，煤矸石的含碳量为 5～45，一部 分以碎煤块存在，另一部分赋存于各种泥质岩石中。这说明许多矸石山具有发生自 燃的条件。 煤矸石自燃的实质是矸石山堆中煤的燃烧，是一个氧化过程。在煤矸石自燃 过程中，碳氧化生成 CO2和 CO，燃烧充分时主要生成 CO2，燃烧不充分则 CO 增 多；除此之外，还产生一定量的游离碳。随着温度增高，一部分矸石熔融，矸石山 空隙减少，供氧出现不足，CO 的产生量相对增多。而 CO 由呼吸道进入人体，易与 血红蛋白相结合生成碳氧血红蛋白，阻碍血红蛋白向体内供氧，引发人的中枢神经 系统和酶活性中毒，当吸入 CO 浓度在 120010-6以上，作用于人体 1h 时，可使人 的神经麻痹，发生生命危险。 煤矸石在燃烧过程中，有机硫化物分解、氧化生成 SO2；无机硫化物多为硫酸 盐，燃烧时不分解，残存于过火矸中，此种硫化物称为非可燃性硫化物。在燃烧时， 可燃性硫主要生成 SO2，只有 1～5氧化成 SO3。SO2在干燥洁净的大气中氧化成 SO3的过程是缓慢的；但当空气中湿度较大，有颗粒物存在时，对该氧化反应具有 催化作用，产生大量的 SO3。在太阳紫外线照射下，若有 NO 存在，便可发生光化 学反应，生成 SO3和硫酸雾，刺激上呼吸道，引发气管炎等呼吸道疾病；浓度高时， 对呼吸道深部也有刺激作用，引起肺组织障碍、呼吸困难等严重疾病。1952 年 12 月 5～9 日在英国伦敦发生了一次燃煤烟尘、SO2与晨雾引发的硫酸雾事件，造成 4000 余人死亡。 煤矸石自燃时生成氮氧化物 NOx。氮氧化物种类很多，它是 NO、NO2、N2O、 NO3等的总称。 引起大气污染的氮氧化物主要是 NO2和 NO。 由燃烧过程生成的 NOx， 有两大类 一类是在高温燃烧下， 由空气中的 N2和 O2反应生成的， 由此生成的 NOx 叫热 NOx；另一类是煤矸石中的各种氮化物经燃烧分解成 O2和 N2而形成的，由此 生成的 NOx叫燃料 NOx。矸石燃烧生成的 NOx主要是热 NOx，而且基本上是 NO, 只有不到 10的 NO 氧化成 NO2。构成大气污染的 NOx 主要是 NO2，它是一种对呼 吸器官有刺激性的气体，高浓度 NO2急性中毒可引发肺水肿，慢性中毒可引发慢性 支气管炎和肺水肿，还可表现出血压降低、血管扩张，血液中生成变性血红素及神 - 7 - 经系统麻醉等症状。按照光化学烟雾理论，煤矸石自燃时产生的 NO，在有碳氢化 合物参与及强太阳光作用下，发生光化学反应，生成臭氧过氧乙酸硝酸酯及其相类 似的氧化物，这是一些光化学氧化剂。它们对人体的影响类似 NO，但是比 NOx的 危害更强。 煤矸石中含有大量的有机质，在其自燃过程中产生多种碳氢化合物。当燃烧不 充分时有挥发性烃生成，光化学反应产生一些其他的衍生物，如丙烯醛、甲醛等， 都对眼睛有刺激作用。燃烧时有机质分解生成多环芳烃，其中有不少是致癌物质。 煤矸石在自燃过程中，除了产生上述有害气体外，还产生煤尘也称烟尘，主 要是可燃性碳氢化合物在高温下，经氧化、分解、脱氢、缩合及聚合等一系列复杂 反应形成的含有炭黑、飞灰等粒状悬浮物。其中，粒径小于 10μm 者，不易沉降， 称飘尘；粒径大于 10μm 者，在大气中易沉降，通常称降尘。降尘可被鼻腔和咽喉 所捕集，引发各种上呼吸道疾病。飘尘对人体危害较大，它经过呼吸道沉积于肺泡， 如被溶解就会侵入血液，造成血液中毒，未被溶解的飘尘有可能被细胞吸收而造成 细胞破坏，侵入组织或淋巴结进而引起尘肺。 2.2.3 污染水体 煤矸石对水体的污染，按发生的原因分为两种一种是化学污染，另一种是物 理污染。煤矸石中的硫化矿物与水和大气可发生化学反应，其实质是硫化矿物的氧 化反应。从煤矸石山渗流出的水是混合盐类的溶液，产生的酸继续与其他成分反应 生成各种硫酸盐，被渗流水携带到地表水体中的酸实际上是酸性盐的水解产物。如 果矸石中含有大量的重金属矿物，重金属对水体产生毒性污染，其危害往往较重， 但这类污染不具普遍意义。水体一旦遭到污染，被污染的水就会直接或间接地通过 人体食物链毒害人体并危及整个生态系统。 煤矸石中含有大量的无机盐类和有害重金属元素，在堆放过程中，经长期的风 化淋滤作用，发生了一系列的物理和化学变化，从而生成大量的可溶性无机盐类污 染物，随淋滤水以溢流泉的形式溢出地表，形成高矿化度泉水并向外排泄。随地表 径流转入江、河、湖和地下水中，造成水中有害元素含量增加，在煤矸石自燃区还 产生了雄黄、自然硫、硫铵石、六水镁矾、氯化铵、水硫酸铝石、无水芒硝等矿物， - 8 - 这些矿物质受雨水淋溶，能够使矿区水质硬化，污染水源。其淋滤水含有毒有害元 素或呈现较强酸性，形成的溶液不但污染塌陷区积水，而且通过各种水力联系导 水砂层、地层裂隙、农灌、河流等发生污染转移，特别是采空塌陷产生大量的裂 缝错断了原隔水层，加强了与地下水的水力联系，因此在排泄过程中可直接渗入地 下较浅的含水层， 从而影响工农业生产和矿区居民的生活。 其中， 毒性最大的是 Cd， Hg，As，Pb，它们不但不能被生物降解，相反，却能在生物放大作用下大量富集， 沿食物链最后进入人体，引起中毒，造成肝、肺、肾、骨等组织的损坏，甚至能够 致癌、致畸、致死。 2.2.4 危害公共安全 1966 年在英国南威尔士的阿邦芳，1 座高达 60m 的矸石山滑塌，11 万 m3的矸 石垮塌下来，使 100 多人丧生。1972 年美国西弗吉尼亚的布法罗山谷连续降 72h 暴 雨，降雨量达到 94mm，使堆在山谷中的米德福克矸石蓄水坝破裂，近 50 万 m3的 水携带近 17 万 m3矸石倾泻到下游，冲毁了大量建筑物，使 100 余人死亡，4000 余 人无家可归。 造成这两次惨祸的根本原因是贮矸场选址不当，矸石堆放时未经处理， 堆积松散。2004 年 6 月 5 日重庆万盛由于连日暴雨引起东源煤矿煤矸石山垮塌，造 成 3 死 3 伤，18 人失踪，煤矸石山整体迁移 500 m。另外，还不断有矸石山烧死、 熏死或滑塌压死人的报道。正在自燃的矸石山，如遇雨水渗入，受热后空气急剧膨 胀，还会引起爆炸[11]-[19]。 2.3 矸石回填处理 2.3.1 煤矿绿色开采技术 随着经济的飞速发展，我国对煤炭的需求量急剧增长。然而伴随着煤炭产量增 长同时，因煤炭开采所引起的环境问题也日益突出。近年来国内外许多专家、学者 对于矿产资源的开采、利用、环境、生态及可持续发展问题均有系统的研究，并提 出了绿色开采技术体系。煤矿绿色开采技术是指矿井生产大量高质量煤炭的同时， 还要对煤层气瓦斯、土地、地下水以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床的综 - 9 - 合开发利用，不断进行技术和管理创新，努力采用新技术、新工艺、新设备、新管 理，最重要的是从源头上尽量避免污染物的产生或最大程度控制和处理污染物的生 成量及污染程度，使煤炭开采过程中对环境的污染和破坏程度达到最低限度的开采 技术。 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。它和传 统经济的“高开采、低利用、高排放”是不同的，达到“低开采、高利用、低排放” 的可持续发展目标。此处的“绿色工业”是广义的概念，应该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。 近些年来，我国的绿色开采理论有了一定的发展目前已构建了煤炭资源绿色开采 的理论与技术框架，初步建设了绿色开采的实验研究平台，在绿色开采技术的一些 方面取得了突破和进展。 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1）水资源保护形成“保水开采”技术；2）瓦斯抽放形成“煤与瓦 斯共采”技术；3）土地与建筑物保护形成离层注浆、充填与条带开采技术； 4） 煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术；5）地下气化技术。这些内容构成的绿色 开采技术体系简要表达如图 2.1 所示[20]-[24]。 - 10 - 煤炭开采 岩层移动排放矸石 地下水资 源流失与 突水事故 瓦斯卸压流动与 瓦斯事故、排放 瓦斯污染环境 地表塌陷 土地与建 筑物损害 占用农田 污染环境 保 水 开 采 煤与 瓦斯 共采 条带与充 填开采、 离层注浆 减沉 煤巷支护 部分矸石 井下处理 煤炭 地下 气化 绿色开采 图 2.1 煤矿绿色开采技术体系 Fig. 2.1 The green technical system in coal mining 2.3.2 矸石回填的意义 绿色开采的主要内容之一就是减少矸石排放，目前，我国绝大多数煤矿在煤炭 生产过程中，都会产生大量煤矸石，而煤矸石的排放目前仍然采取由井下运输到地 面再向指定地区排放的办法，长期以来，就形成了中国煤炭行业特有的矸石山。随 着煤炭生产的发展，矸石山越堆越大，占地面积越来越大，既造成了环境污染，又 给煤炭企业增加了经济负担。因此，将矸石处理在井下，对我国煤炭工业协调、健 康、可持续发展有着深远的意义。 矸石山的堆放，不仅要占用大量土地，更为严重的是，矸石山中含有的几十种 成分，对大气、土壤、水源都会造成不同程度的污染，矸石山的自燃或爆炸还会引 发其他事故。 矸石井下回填法，就是把井下生产中产生的矸石充填到井下替代煤柱，可以实 现矸石不升井，不占耕地，保护环境，还可以把用常规方法不可能采出的煤炭资源 采出来，提高煤炭资源产出率。 - 11 - 矸石井下充填，可有效保护耕地，可以节约宝贵的土地，并有效减少环境污染。 有煤矿就会有矸石山，而矸石山要大量的土地，且开采年限越久占地越多。据估算， 一个年产 100 万吨的煤矿，矸石山占地大约是 110 亩至 140 亩，这样在全国来看就 是一个不小的数字。我国煤炭资源回采率偏低。如果采用这项技术，可大大节约煤 炭资源。而且，全国煤矿下面的矸石都不再运出来，能节约很大的一笔费用。2005 年全国产煤 21.1 亿吨，矸石山占地约在 20 万亩以上，这还不算煤矿井下开