煤矿安全与绿色开采新技术

刘宏全

煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物资基础。中国作为世界上主要的发展中国家，今年在温室气体减排方面做了很多卓有成效的工作，全国各行业积极倡导和实施可持续发展、和谐发展及循环经济等技术理念。

一、       我国煤矿开采存在的问题

我国“富煤、贫油、少气”的能源赋存状况决定了能源消费必须以煤为主，一次能源消费中有70%-75%来源于煤炭，煤炭行业的健康发展关系到国民经济可持续发展的全局。多年煤炭开采带来一系列环境和安全问题，屡屡为人诟病。

1、安全问题。国家安全生产监督管理局局长王显政曾说：我们永远不要“带血的煤”。229年12月21日，黑龙江龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故，再次引发公众对煤矿安全，特别是群死群伤的事件的关注和深层思考。煤矿事故频发的原因何在，如何从根本上杜绝大型和特大型伤亡事故，不断拷问着各级监督、经营和科研服务单位。我国煤炭安全事故频发有着诸如井工开采量大、小煤矿安全装备和生产工艺落后、行业多年安全欠账严重、科技投入不足以及技术与管理人才流失严重等客观原因。从2006年起，国家加大对煤矿安全投入和治理，煤矿安全的总体形势是好转的，在产量增加的同时，死亡人数逐年下降，多年来煤炭产量以近2亿t/a的速度递增，而百万吨死亡率逐步下降。如何推动煤炭安全形势的进一步好转，实现以人为本与本质安全型的和谐矿区，是煤炭行业亟待解决的问题。

加强小煤矿安全隐患治理的措施。（1）切实加强小煤矿矿主和矿井干部的安全意识。（2）安全第一，教育为先，加大安全投入，建立矿井安全管理的长效机制。（3）进一步落实矿井安全职责，加大风险抵押和惩处力度。（4）坚持以人为本，依法治矿，标本兼治，综合治理，实现矿井标准化、科学化和规范化管理。（5）转变煤矿安全生产管理理念，建立安全管理长效机制。（6）加强小煤矿安全生产的指导、分析、帮助，创建煤矿安全生产和谐氛围。

2、环境问题。主要包括由于地下采掘引起的地面塌陷、水土流失、沙漠化、采煤废水排放以及煤矸石露天堆放污染等。

我国煤炭开采主要采用冒落法管理采空区顶板，造成地面沉降和陷落，因而引发村镇、铁路、桥梁和地面管线设施破坏。大量的农田因塌陷、盐渍化和水土流失无法耕种。矿井开采过程中的大气降水、地表水、地下水及生产用水涌入井下而成为矿井水，目前矿山的年排水量约为22亿立方米。

我国现有煤矸石山1500余座，历年堆积量达30亿吨，占地超过500000平方米，在大气降水淋溶时还会进一步污染周围水体、农田和地下水。目前有自然现象的矸石山约140多座，自然过程中产生大量的硫化物等有毒有害气体，成为大气污染源。

矿井瓦斯主要是矿井中有煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。它既是煤矿重大安全事故的祸根，又是一种严重的温室效应气体。研究显示，甲烷造成的温室效应会在全球气候变暖中所占份额为15%，仅次于二氧化碳。等量甲烷造成的温室效应是二氧化碳的21倍。据初步统计，我国2000m以浅范围内具有30万亿-35万亿立方米煤层气资源，居世界前列。但由于我国煤层透气性差，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1500余次，2001年由于瓦斯事故的死亡人数占煤矿总死亡人数的40%。煤矿每年排放瓦斯700亿-190亿立方米。

二、       绿色开采理论体系与总体框架

绿色开采理念是在科学采矿三原则（安全、环保和经济）的指导下提出的，强调在现有采煤理论、方法和技术的基础上，发展与创新采矿科学技术，从广义资源的角度上认识和对待煤、瓦斯和水等一切可以利用的各种资源。其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，以期取得最佳的经济效益和社会效益。

煤矿开采引发的环境与安全问题无不源于采矿活动造成的岩层运动，进而引起周围岩体的应力场、节理裂隙场和瓦斯运移场等相关物理场的变化。

在科学采矿的总体框架体系内，主要包括保水开采和离层注浆减沉、煤巷支护和部分矸石井下处理以及煤炭地下气化等五大技术方向。

三、       主要技术现状

近40年来，我国共发生矿井突水事故2000余次，直接经济损失高达40多亿元。据统计，我国国有煤矿中半数具有突水危险性，且突水危险越来越严重。煤炭采出后，随着关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水位能否恢复，取决于随着工作面的推进，上覆岩层中是否含有软弱岩层（事实上它是研究地下水渗漏的“关键层”），及其能否经重新严实导致裂隙闭合而形成隔水带。这说明从技术上把握了关键层的破断规律，可以有条件开采受水患威胁的优质煤炭资源。

煤与瓦斯共采技术充分利用了煤炭开采后中上覆岩层的矿压活动，着重对卸压煤层的抽采时机把握和抽采工艺优化。在这项技术上，以袁亮院士为代表的课题组，创造性地解决了我国淮南矿区低透气性煤层群开采的关键问题。该技术将高瓦斯、高低压和低透气性煤层群的技术难题统一考虑，以沿空留巷的方式一体化解决高瓦斯、高地湿、高地压、井巷失稳、瓦斯突出和冲击地压等开采技术难题，通过通风降温和简化采掘接替，实现连续开采，并为高效抽采瓦斯和治理煤层群瓦斯提供最佳的工作空间，提出基于快速留巷Y形通风抽采卸压瓦斯的煤气共采技术路线。这项技术在排除低透气性难抽瓦斯安全隐患的同时，改善了作业环境，扭转了采掘衔接紧张的不利局面，较好地贯彻了安全、经济和环保的科学采矿三原则。

充填开采技术在我国的应用源于抚顺地区建筑物下开采，最早采用的是水砂充填。水砂充填工序复杂，难以实现大规模生产．减沉效果有限，从20世纪80年代起，在井工煤炭开采中逐步淘汰。可喜的是，近期以中国矿业大学课题组．相继提出了矸石充填、膏体充填和超高水充填理论体系，就各充填工艺的实施开展了卓有成效的科研工作，并取得了工业化试验成功在一定程度上解决了煤矸石堆存和“三下”压煤问题。同期基于关键层理论指导下的上覆岩层离层注浆减沉技术也逐步开展。但现有充填技术的推广面有待扩展，技术上有待进一步完善。